CC BY
56
В. Л. Ланин
АКТИВАЦИЯ РАСПЛАВОВ ЭНЕРГИЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ И ИНФРАКРАСНЫХ ПОЛЕЙ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, г. Минск, 220013, Республика Беларусь, vlanina.hsHir.hy
Введение
Для металлизации различных деталей из керамики, пьезо-, стекло- и сегнетокерамики, ферритов и других неметаллических материалов на минеральной основе широко применяют пасты на основе благородных металлов, например серебра, платины, палладия и др. Ограниченные природные ресурсы благородных металлов и растущий промышленный спрос на них определяют актуальность и практическую ценность исследований, направленных на разработку таких способов металлизации, которые бы полностью исключили применение этих остродефицитных металлов. Одним из таких способов, позволяющих экономить драгоценные металлы, повысить производительность процесса металлизации и увеличить прочность спая с неметаллическими материалами, является ультразвуковая металлизация расплавами припоев [1].
Ультразвуковая (УЗ) металлизация - одно из перспективных направлений в технологии электронных устройств, поскольку механические упругие колебания частотой 18-70 кГц и интенсивностью 0,1-1,0 МВт/м2 резко интенсифицируют большинство физико-химических процессов: смачивание, растекание, капиллярное течение припоя, диффузию припоя в паяемые материалы [2]. Для УЗ металлизации керамики на основе оксидов А1203, 8Ю2, ТЮ2 применяют бессвинцовые припои на основе 8п с добавками активных компонентов Т и Се [3].
Для УЗ активации возможно использование различных видов механических колебаний, вводимых с помощью излучателей в жидкую фазу и являющихся по своей природе упругими волнами: продольных, сдвиговых, крутильных, комбинированных. В продольных волнах колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны, а в сдвиговых их движение перпендикулярно направлению движения волны. Поскольку жидкости и газы не обладают упругостью формы, в них возможно распространение лишь продольных волн. Однако в расплавах с большей вязкостью возможно также образование вязких сдвиговых волн, затухающих на малом расстоянии от излучателя.
При введении в расплав припоя продольных колебаний, интенсивность которых нелинейно убывает при увеличении расстояния от излучателя, необходимо поддерживать постоянной величину зазора в пределах 0,2-2,0 мм для исключения появления макро- и микротрещин в поверхностных слоях хрупких неметаллических материалов за счет ударного воздействия на них УЗ волны, направленной нормально к поверхности. Снижение динамического воздействия на паяемый материал достигают изменением угла введения колебаний в припой с 90 до 30-40° [4].
Однако процесс пайки, или металлизации, при малых зазорах между торцом УЗ излучателя и поверхностью изделия (порядка 0,1 мм) весьма сложен, поскольку требуется строгое поддержание величины зазора и малейшие погрешности могут привести к жесткому контакту излучателя с поверхностью керамики или стеклокерамики с появлением микро- и макротрещин за счет микроударов излучателя о поверхность, а в отдельных случаях при наличии внутренних дефектов - разрушению изделия.
Нагрев ИК излучением расплавов в зоне металлизации имеет ряд технологических преимуществ, однако их реализация зависит от правильно сконструированной установки ИК нагрева. В настоящее время широкое применение в технологических процессах пайки получили два вида ИК нагрева: локальный сфокусированный и прецизионный рассеянный. В зависимости от конкретных условий используют различные по геометрии рефлекторы, формирующие тепловое поле в зоне нагрева. Для ИК нагрева в большей степени используется узкий диапазон длин (волн от 1 до 5 мкм), который делится на коротковолновый (от 1 до 2,5 мкм) и средневолновый от 2,5 до 5 мкм [5]. Коротковолновый диапазон ИК излучения позволяет более быстро нагревать объекты, поскольку согласно закону смещения Вина максимальная величина спектральной интенсивности излучения с повышением температуры сдвигается в сторону более коротких волн.
© Ланин В.Л., Электронная обработка материалов, 2010, № 5, С. 85-92.
Нагрев ИК излучением высокопроизводителен, инвариантен к типу паяемого изделия, экологически чист (не загрязняет окружающую среду), дает возможность программировать режимы нагрева в любой контролируемой атмосфере, например нейтральной или защитной, газовой.
Методика эксперимента
Возбуждение различных видов УЗ колебаний осуществляли с помощью магнитострикцион-ных преобразователей, создающих поперечные колебания частотой 41 кГц (рис. 1,а), продольные частотой 44 кГц (рис. 1,б) и крутильные частотой 22 кГц (рис. 1,в). Амплитуда колебаний излучающего торца волновода составляла 8-10 мкм. Величина зазора между излучающим торцом волновода и металлизируемой поверхностью регулировалась с помощью микрометрического механизма перемещения излучателей. Возбуждение импульсных продольных колебаний достигалось подачей импульса тока подмагничивания, при этом рабочая точка смещалась на более крутой участок характеристики преобразователя. Амплитуда импульсных колебаний Л\ в 1,5-3,5 раза превышала амплитуду непрерывных колебаний А0. Импульсные колебания со скважностью 2-6 вводились в преобразователь от специального генератора. Для увеличения постоянной составляющей тока подмагничивания прнменен источник постоянного тока типа ВСА-10 (рис. 2).
X 1/2 г/2
1 ‘Г>1
^ \ -®г
а
в
Рис. 1. Схемы возбуждения УЗ колебаний различными типами волн
При возбуждении сдвиговых волн конечной амплитуды в тонком слое расплава при условии, что его толщина много меньше длины УЗ волны, в нем возникают вязкие волны, волновой вектор которых направлен перпендикулярно боковой поверхности излучателя. Такие волны быстро поглощаются в направлении от колеблющейся поверхности и проникают на глубину
5 =
_Л_
V
где п - вязкость расплава,/ - частота колебаний.
Рис. 2. Схема возбуждения импульсных продольных колебаний
Расчетные глубины проникновения сдвиговой волны в расплавах припоев на частотах 44 кГц составляют 170-210 мкм, поэтому их влияние на расплав при величине зазора более 0,2 мм несущественно.
При возбуждении продольных колебаний на границах раздела сред УЗ волна частично отражается, интерферируя с падающей волной, частично проникает во вторую среду. Давления для падающей, проходящей и отраженной вдоль оси волн равны соответственно:
Р1 = РА17! . Р2 = Р2С212 ; Р3 = -р1СЛ -
(2)
где р1, р2 - плотности сред, сь с2 - скорости распространения ультразвука в средах, у1г у2, у3 - скорости падающей, проходящей и отраженной волн соответственно.
Учитывая, что коэффициенты отражения Котр и прохождения Кпр по давлению определяются
как [6]:
Р
К отр =-3-
3 .
- отр
Р
К пр = Р2,
-пр
(3)
Р
что 71 = р1с1; 72 = Р 2с2 и при х=0 справедливо выражение
Из (3) и (4) получим К,
Р + Р = Р
1 1 ^ 1 3 2 ’
(Р- Р ) = Р_
7 7
^1 2
отр
7 2 71 . 7 2 + 71
К = 2 7 2
пр 7, + 7,
(4)
(5)
Анализ выражения (5) показывает, что коэффициенты прохождения и отражения существенно зависят от акустических свойств сред. При 7г = 72 коэффициент отражения равен нулю и граница раздела акустически прозрачна. Поскольку 7г » 72 (то есть когда удельные волновые сопротивления излучателей ультразвука выше удельных волновых сопротивлений расплавов), то через границу излучатель-припой в случае колебаний, параллельных поверхности, проникает до 54% энергии, которая активирует процессы кавитации, микро- и макропотоки. При колебаниях излучателя, направленных нормально к поверхности, прошедшая в расплав УЗ волна испытывает затухание, распространяясь в пределах зазора 5, и в значительной мере проходит в поверхность, так как Кпр> 1. Таким образом, только 20-25% УЗ энергии участвует в активации расплава.
Расчетные значения Котр и Кпр для различных материалов излучателей и обрабатываемых деталей на границах излучатель-расплав (Х=0) и расплав-обрабатываемая деталь (Х=5) приведены в табл. 1.
Таблица 1. Коэффициенты прохождения и отражения УЗ волн по давлению
Материалы сред Х=0 Х=5
О4 , Котр, % О4 & К %
Сталь-расплав 63 37
Титан-расплав 79 21
Алюминий-расплав 105 5
Расплав-керамика 90 -17
Расплав-алюминий 95 -5
Расплав-титан 121 21
Расплав-сталь 137 37
При излучении УЗ колебаний в жидкие среды энергетически выгодно использовать материалы с меньшей плотностью (алюминий, титан и др.). При продольных колебаниях излучателя УЗ волна в расплаве испытывает затухание, распространяясь в пределах зазора 5, и в значительной мере проходит в поверхность обрабатываемой детали при Кпр>1.
Измерения УЗ эффекта в паяльной ванне показали, что коэффициент пропускания в значительной мере зависит от длины излучающего волновода, химического состава припоя и расстояния между излучающим и принимающим волноводом, но не зависит от температуры расплава [7].
УЗ металлизацию стеклокерамических материалов на основе керамики марок Т-80, Т-150, Т-260 и стекла проводили легкоплавкими оловянно-цинковым припоем ПОЦ 10 и экспериментально разработанным припоем состава РЬ-8п-2п-1п на основе свинца и олова с добавками цинка и индия в камере экспериментальной установки (рис. 3), где создавалось остаточное разряжение 1-10 Па. УЗ колебания амплитудой 10-15 мкм и частотой 22 кГц вводили в расплав с помощью излучателя в виде концентратора типа Фурье. Нагрев расплава осуществляли ИК излучением от двух галогенных ламп мощностью 1 кВт, расположенных в параболических отражателях. Напряжение на ИК лампы поступало от стабилизированного источника питания СИП, управляемого блоком управления БУ. Скорость ИК нагрева составляла 10-15°С/с. Температура расплава измерялась в рабочей зоне с помощью термопары типа ХК прибором В7-40.
Рис. 3. Схема активации расплава энергией УЗ и ИК полей: 1 - камера, 2 - ИК нагреватель, 3 - УЗ преобразователь, 4 - краны, 5 - компрессор
Кавитационное давление в расплавах припоев оценивали с помощью кавитометра по величине спектральной плотности кавитационного шума в полосе частот 100-250 кГц [8]. Давление в кавитационной области воспринималось измерительным щупом с рабочей площадью 1,0 см2, соединенным с пьезоэлектрическим преобразователем упругим волноводом. Датчик снабжен нагревателем,
позволяющим поддерживать необходимую температуру воспринимающей поверхности измерительного щупа. Прочность соединений припоев с поверхностью стеклокерамики оценивали по напряжению отрыва с кратностью повторения опытов не менее пяти. С целью повышения точности измерений усилия отрыва, а также исключения ударных нагрузок образцы нагружали на разрывной машине РП-100 в два этапа: предварительное со скоростью 1,5-1,8 кН/мин и основное - 8,8 кН/мин.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Исследовано влияние вида УЗ колебаний на величину кавитационного давления в расплавах припоев и на прочность соединений со стеклокерамическими материалами. Величины кавитационного давления в расплаве припоя при различных видах колебаний, вводимых в тонкий слой припоя размером 0,1 мм между излучателем и измерительным щупом, приведены в табл. 2.
Как показал анализ экспериментальных данных, при введении в расплав припоя колебаний, параллельных паяемой поверхности, при расстояниях между торцом излучателя и поверхностью
0,1 мм значение кавитационного давления в припое возрастает в среднем на 25%, что позволяет повысить производительность процесса металлизации и улучшить качество соединений.
Анализ зависимости величины кавитационного давления в расплаве припоя РЬ-8п-2п-1п от частоты (рис. 4) при УЗ активации показывает, что когда возбуждающая частота колебаний близка к резонансной частоте УЗ преобразователя, равной 43,5 кГц, то выходное напряжение УЗ генератора резко падает вследствие увеличения амплитуды резонансного тока в обмотке возбуждения, при этом амплитуда смещений торца концентратора максимальна и достигает 8-10 мкм. Наибольшая величина кавитационного давления в припое (3,0-3,5 кПа) отмечена на частотах, превышающих резонансную на 0,2-0,5 кГц. Это связано с тем, что в акустической системе преобразователь-согласующий элемент-излучатель возникает ряд гармоник и субгармоник основной частоты, которые способствуют развитию кавитационных процессов в расплаве.
и, В 150130110907050-
39 40 41 42 43 44 45 46 47
Рис. 4. Частотные зависимости УЗ напряжения на преобразователе и кавитационного давления в расплавах
Таблица 2. Кавитационное давление в расплаве для различных видов колебаний
Вид колебаний Частота, кГц Амплитуда колебаний, мкм Кавитационное давление, кПа
Продольные 44 8—10 2,5—3,0
Поперечные 41 8—10 ,8 3 ,5 3
Крутильные 22 10-15 до 0,5
Продольные импульсные 44 10-15 3 ,5 3
Частотная зависимость кавитационного давления в расплаве припоя имеет три условно выделенные области: I - докавитационную, II - развитой кавитации, III- закавитационную, которая суще-
ственного значения в процессе пайки не имеет. Зависимости величины кавитационного давления в расплавах припоев 0,68РЬ-0,18п-0,12п-0,Пп-0,02 8Ь (1) и ПОЦ 10 (2) от угла ввода излучателя в припой а и зазора между торцом излучателя и измерительным щупом 5 приведены на рис. 5. Для полученных зависимостей характерно нелинейное падение кавитационного давления вследствие рассеивания и поглощения части УЗ энергии расплавом припоя. Наибольшая величина кавитационного давления отмечается при уменьшении зазора до 0,1 мм и угле ввода излучателя, близком к нулю, в случае продольных колебаний. В ванне лужения величина кавитационного давления в припое ПОС61 линейно зависит от выходного напряжения, нелинейно изменяется с частотой и падает при увеличении расстояния от излучателя, являющегося дном ванны. На частоте, близкой к резонансной частоте преобразователя ванны 20,5 кГц, при амплитуде выходного напряжения 240 В и вблизи дна ванны кавитационное давление достигает 3,5-3,6 кПа.
Рис. 5. Зависимости кавитационного давления в расплавах от угла ввода колебаний и величины зазора между торцом волновода и поверхностью
Кавитационное давление в припое увеличено путем применения импульсных колебаний с амплитудой в 1,5-2,5 раза, направленных нормально к поверхности детали и подаваемых в жидкий припой в сочетании с непрерывными колебаниями. После подачи УЗ импульса следовала пауза, продолжительность которой равна или несколько меньше длительности импульса. Непрерывно подаваемые в припой колебания с интенсивностью, обеспечивающей кавитацию, в период паузы создают демпфирование динамических импульсов, возникающих под действием ультразвука, и тем самым предохраняют подложку от разрушения.
Исследование зависимости величины кавитационного давления в расплавах от скважности импульсных продольных колебаний и величины тока подмагничивания показало, что оптимальными условиями работы являются скважность 1,5-5 и ток подмагничивания 1,0-1,5 А. При большей величине тока подмагничивания магнитострикционный преобразователь входит в режим насыщения и амплитуда колебаний вследствие перегрева преобразователя не увеличивается.
Прочность соединений со стеклокерамикой припоев ПОЦ 10 и экспериментального РЬ-8п-2п-Ы зависит от кавитационного давления в расплаве (рис. 6), причем максимальное значение прочности соединений при продольных колебаниях соответствует кавитационным давлениям 1,5-2,5 кПа. При больших или меньших уровнях кавитационного давления прочность соединений уменьшается. Это можно объяснить тем, что в первом случае при захлопывании кавитационных пузырьков возникающие динамические импульсы вызывают появление микротрещин во впадинах микрорельефа и в приповерхностных слоях, что приводит к локальному разрушению поверхности. Наблюдаемое при интенсивных УЗ колебаниях разрушение металлизируемой поверхности близко по своему физическому смыслу к кавитационной эрозии паяемого металла. Во втором случае при малых уровнях кавитационного давления развитие кавитационных процессов не достигает порога смачивания, характерного для расплавов припоев.
Введение колебаний в припой параллельно паяемой поверхности стеклокерамического материала позволило увеличить прочность соединений припоя РЬ-8п-2п-Ы с поверхностью не менее чем в 1,5 раза. Следовательно, возбуждение в припое таких колебаний в процессах УЗ пайки и металлизации предпочтительнее.
□ 0,5 1,5 2,5 3,5
Рис. 6. Зависимости прочности соединений припоев со стеклокерамикой от кавитационного давления в расплавах припоев: 1 - ПОЦ10; 2 - РЬ-п-2п-1п
Влияние импульсных колебаний, направленных нормально к поверхности, на прочность соединений со стеклокерамикой исследовалось для припоев ПОЦ 10 и системы РЬ-8п-2п-Ы, в расплавы которых вводили импульсы УЗ колебаний с амплитудой, в 1,5-3,5 раза превышающей амплитуду непрерывных колебаний. УЗ металлизацию стеклокерамических материалов вели с частотой импульсов 0-2,5 Гц. Средняя величина тока подмагничивания магнитострикционного преобразователя с резонансной частотой 44 кГц поддерживалась на уровне 4,5 А, что в 1,5 раза превышало ток подмагничивания в обычном режиме. При оптимальной частоте импульсов 1,5-2,5 Гц и амплитуде колебаний 10 мкм прочность соединений увеличилась в 1,7-1,8 раза. Дальнейшее увеличение частоты импульсов приводит к снижению прочности ввиду инерционности зарождения и развития кавитационных процессов в расплаве (табл. 3).
Прочность сцепления металлизации расплавами припоев с различными керамическими и стеклокерамическими материалами, применяемыми для изготовления конденсаторов постоянной емкости, зависит от содержания стеклофазы в материале. При значительном ее содержании (70-90 мас.%) прочность изменяется несущественно, поскольку отрыв металлизированного покрытия происходит по стеклокерамическому материалу.
Таблица 3. Прочность металлизации в МПа при различной частоте импульсов
Припой Частота импульсов, Гц
0 1,0 1,5 2,0 2,5
8п-102п 10,0 16,9 17,6 18,6 17,0
РЬ - 8п- 2п-1п-8Ь 16,0 17,9 18,8 20,7 18,9
Как показали испытания металлизированных припоями ПОЦ 10 и РЬ-8п-2п-Ы-8Ь образцов на отрыв участка металлизации, разрушение происходит главным образом по телу стеклокерамики (рис. 7). Прочность соединений этих припоев со стеклокерамикой в 3-3,5 раза превышает прочность сцепления покрытий, нанесенных вжиганием серебряной пасты. Оловянно-свинцовые припои ПОС61 не обеспечивают достаточной прочности соединений, и при отрыве наблюдался адгезионный характер разрушения. При исследовании физико-механических свойств соединений, полученных УЗ металлизацией, установлено, что прочность со стеклокерамикой больше зависит от величины кавитационного давления в припое, чем от степени шероховатости поверхности [9].
Рис. 7. Образцы стеклокерамики после испытания металлизации на отрыв
При исследовании зависимости прочности соединений от амплитуды УЗ колебаний установлено, что максимального значения (20 МПа) она достигала при амплитуде колебаний 10-12 мкм и времени обработки 15-20 с. При меньших амплитудах колебаний развитие кавитационных процессов не переходит порога смачивания, характерного для расплавов припоев, разрушение окисных пленок происходит не полностью. Амплитуда УЗ колебаний, равная 3±0,5 мкм, является пороговой для кавитационных процессов в расплаве оловянно-свинцового припоя. При амплитуде УЗ колебаний больше 15 мкм возникающие динамические импульсы вызывают деградацию приповерхностных слоев, расплав припоя «пылит» и интенсивно окисляется.
Электрофизические исследования паяных соединений, сформированных при воздействии на расплав УЗ колебаний показали, что переходное электрическое сопротивление снижается на 10-25% в зависимости от мощности и длительности их воздействия [10]. Это обусловлено ускорением диффузионных процессов между компонентами припоя и паяемым материалом и увеличением ширины переходной зоны с 1,5-2 до 5-7 мкм.
Выводы
Установлены закономерности и режимы металлизации керамических и стеклокерамических материалов при воздействии на расплавы припоев УЗ колебаниями: частота, амплитуда и вид колебаний, интенсивность кавитационного давления в расплаве, температурные и временные параметры процесса, составы припоев, обеспечивающие получение прочных и надежных соединений.
При локальном вводе УЗ колебаний в расплав в сочетании с ИК нагревом возможно сконцентрировать УЗ энергию в небольшом объеме и снизить окисление расплава. УЗ колебания, параллельные обрабатываемой поверхности, предпочтительны для повышения прочности паяных соединений, обеспечения стабильности процессов металлизации и уменьшения механического воздействия на обрабатываемые поверхности. Применение УЗ колебаний, параллельных паяемой поверхности, увеличило кавитационное давление в локальном объеме расплава в среднем в 1,4 раза, что способствовало формированию более прочных соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abramov O.V. High-intensity Ultrasonics: Theory and Industrial. Amsterdam: OPA. 1998. 692 p.
2. Faridi H. R., Devletian J.H., Le H.P. New Look at Flux-Free Ultrasonic Soldering // Welding Journal. 2000. № 9. P. 41-45.
3. Kolenak R., Zubor P. Soldering of Ceramic Materials using Ultrasonic Energy // Welding in World. 2005. V. 49. № 9. P. 546-553.
4. Lanin V.L. Ultrasonic soldering in electronics // Ultrasonics Sonochemistry. 2001. № 8. P. 379-385.
5. Зворыкин Д.Б., Прохоров Ю.И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. М.: Энергия, 1980. 176 с.
6. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та. 1980. 280 с.
7. Lystrup A. Measurement of the Ultrasonic Effects in an Ultrasonic Solder Bath // Welding Journal. 1976. V.55. № 10. P.309-313.
8. Lanin V.L. Cavitations Intensity Investigation at Ultrasonic Soldering // Proc. Conf. Ultrasonics International. 2003. 30 June-3 July 2003. Granada, Spain. 2003. P. 154-156.
9. Ланин В.Л. Ультразвуковая пайка и лужение в электронике // Технологии в электронной промышленности. 2009. №7. С. 24-29.
10. Lanin V.L., Bondarik V.M. Electrical resistance of soldering joints at effect of ultrasonic oscillations // Proc. of the 20th Int. Conf. on Electrical Contacts. 19-23 June 2000. Stockholm, Sweden. 2000. P. 205-208.
Поступила 19.05.10
Summary
Local input of the ultrasonic fluctuations parallel to processable surface, in melts in a combination with IR heating allows to concentrate activation energy in small volume, to reduce mechanical influence by processable surfaces, to lower melt oxidation and increase durability of soldering connections.
