Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица

Зависимость скорости прошивки материала от мощности генератора

Скорость прошивки, мм/с

Резонансный режим

Нерезо-

нансный

режим

Материал

Режим

гене-

рато-

ра

δ, мм

1 2 3 4 5 5

2.5. Контрольные вопросы

1. Что такое ультразвук?

2. Как преобразовать электрические сигналы в механические?

3. Что такое размерная ультразвуковая обработка?

4. Как влияет зернистость абразива на скорость прошивки и чистоту

обработки?

5. Механизм ультразвуковой обработки материалов.

6. Чем определяется производительность процесса прошивки?

2.6. Литература

1. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и струк-

тура сталей и сплавов.- Новосибирск: Наука, 1996.- 182 с.

2. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль ма-

териалов. Справ.изд. /Под ред. В.Н. Волченко.- М.: Металлургия, 1991.-

750 с.

3. Коваленко В.С. Технология и оборудование электрофизических и

электрохимических методов обработки

материалов.- Киев: Вища шк.,

1983.- 176 с.

4. Голямина И. П. Ультразвук: Маленькая энциклопедия.-

М.:Совэнциклопедия,1979.- 400 с.

5. Бутурович И.Х, Гончаров Б.Ф. Электрофизические и электрохи-

мические методы размерной обработки: Уч. пособие.- Л.: ЛПУ, 1980.-

73 с.

6. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофи-

зические и электрохимические методы

обработки материалов. Учеб.

Пособие (в 2-х томах). Т. 1. Обработка материалов с применением инст-

румента/ Под ред. В.П. Смоленцева.- М.: Высш. шк., 1983.- 247 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ МИКРОСВАРКА

ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Физика и техника ультразвуковой сварки

Главная задача любого вида сварки состоит в получении прочного

соединения свариваемых материалов. Прочность соединения обеспечи-

вается образованием химических связей между атомами соединяемых

образцов. Атомы на поверхности материалов имеют ненасыщенные свя-

зи. Поэтому, если сблизить поверхности двух тел на расстояние дейст-

вия межатомных сил, составляющих (2 - 4) Å, то образуется прочная

химическая связь, что обеспечивает

соединение материалов в единый

монолит. Проблема состоит в том, что реальная поверхность металлов

имеет неровности, она покрыта загрязнениями, состоящими из оксидов,

адсорбированных газов и органических пленок.

Таким образом, чтобы осуществить процесс сварки, необходимо уда-

лить с поверхности металлов чужеродные атомы и добиться плотного

контакта свариваемых деталей на атомном уровне. Такую

поверхност-

ную обработку материала при минимальных энергетических затратах

осуществляет ультразвук. Поэтому ультразвуковая сварка относится к

числу наиболее эффективных и экономичных видов сварки.

Для получения неразъемного соединения при сварке ультразвуком

детали в области требуемого соединения предварительно сжимают, а

затем к зоне контакта с помощью специального инструмента подводят

ультразвуковые колебания с частотой (15-70) кГц

В результате этого в тонких слоях контактирующих поверхностей

создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные плен-

ки и производящие своеобразную шлифовку соприкасающихся мате-

риалов. Тонкие поверхностные слои металлов нагреваются в результате

трения. Металл в этих слоях размягчается и под действием сжимающего

усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на

расстояние действия межатомных сил,

между ними возникает прочная

связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые

материалы обеспечивают минимальные изменения их структуры, меха-

нических и других свойств. Например, при сварке меди температура в

зоне контакта не превышает 600

С, а при сварке алюминия 200-300

С.

Принципиальная схема аппарата для УЗ-сварки состоит в следую-

щем. Высокочастотный генератор (1) служит для преобразования энер-

гии низкой частоты (50 Гц) в выходную энергию высокой частоты (15 –

70 кГц). Питание от высокочастотного генератора с плавной настройкой

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

частоты подводится к магнитострикционному преобразователю (2), яв-

ляющемуся источником ультразвуковых колебаний, концентратору

(трансформатору) амплитуд колебаний (3) и инструменту (4). Длина ин-

струмента и концентратора обычно равна целому числу полуволн ульт-

развуковых колебаний. Колеблющийся в осевом направлении концен-

тратор имеет на конце рабочий инструмент. Свариваемые заготовки (5)

помещаются между инструментом и опорой (6). Возникающее под

дей-

ствием статического усилия Р и ультразвука трение обуславливает в

итоге образование соединения.

Рис. 1. Схема ультразвуковой сварки: 1 - высокочастотный генератор (15-70

кГц), 2 - магнитострикционный преобразователь, 3 - концентратор, 4 - инстру-

мент, 5 - свариваемые образцы, 6 – опора, Р- сжимающее давление.

1.1. Ультразвуковая сварка в микроэлектронике

В технологическом процессе сборки больших интегральных схем

ключевой операцией является обеспечение электрического соединения

контактных площадок кристалла с печатными проводниками монтаж-

ной платы. Эти процедуры осуществляются с помощью внутренних

проволочных перемычек методами микросварки.

Между материалами проволоки, площадок кристалла и платы должен

быть прочный электрический контакт с низким переходным сопротив-

лением. Этим требованиям

удовлетворяют золотая и алюминиевая про-

волоки. Физические свойства алюминия и золота приведены ниже.

Алюминий Золото

Температура плавления,

С………………… 660 1063

Теплопроводность, Вт/м

К ………………... 230 292

Коэффициент температурного расширения,

-6.

С ………………………………………… 25,3 14,2

Удельное сопротивление при 20

С, 10

-8

Ом

м………… 2,7 2,3

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Диаметр применяемой проволоки зависит от размеров контактных

площадок. Качественное соединение получают при использовании про-

волоки с ровной и гладкой поверхностью и оптимальными механиче-

скими характеристиками. Обычно применяют микропроволоку диамет-

ром (25-50) мкм.

Выводы присоединяют термокомпрессией, односторонней контакт-

ной сваркой и ультразвуковой микросваркой. В последнем случае обес-

печивается наименьшее тепловое и

механическое воздействие, поэтому

ультразвуковая микросварка имеет преимущественное использование

при сборке больших интегральных схем. Ультразвуковое присоедине-

ние выполняют при нормальной или повышенной температурах, этого

добиваются повышением температуры столика установки. Такой про-

цесс называется термозвуковой сваркой.

Последовательность операций УЗ-микросварки показана на рис.2.

Рис.2. Соединение проводящих дорожек микросхемы с помощью ультра-

звуковой сварки.

а) - подготовка устройства к сварке – формирование шарика; б) - первая свар-

ка; в) - вторая сварка; г) - обрыв проводника.

1, 6 - контактные площадки, 2 - керамический капилляр, 3 - микропроволока, 4 -

зажимные губки, 5 - катушка, 7 - электрод для создания искры.

В качестве микроинструмента (2) используется керамический капил-

ляр с рубиновым наконечником, через который пропускается золотая

или алюминиевая проволока. На конце микропроволоки (3) создают

шарик с помощью искрового разряда через электрод (7), при этом пло-

щадь контакта значительно увеличивается, что приводит к существен-

ному улучшению качества сварки.

б) в) г)

а)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Капилляр с оплавленной проволокой под действием усилия Р (рис.1)

прижимается к контактной площадке и на него подается импульс ульт-

развуковых колебаний длительностью в несколько миллисекунд. Под

действием ультразвука инструмент совершает эллипсообразные движе-

ния по контактной площадке, обеспечивая деформацию и нагрев свари-

ваемых материалов. Ультразвуковой нагрев контактной области дости-

гает (600-800)

С что стимулирует диффузию атомов, и образование

прочного соединения.

Первая операция сварки состоит в оплавлении конца проволоки с об-

разованием шарика (рис.2-а) Микроинструмент (2) совмещается с кон-

тактной площадкой кристалла (1) и осуществляют первую сварку

(рис.2- б). Затем капилляр совмещают с контактной площадкой (6) мон-

тажной платы и осуществляется вторая сварка (рис.2-

в). Микропрово-

локу зажимают в губках (4) и обрывают у второго сварного соединения

(рис.2-г). Перемычка выполнена. Обратным движением губок микро-

проволоку протягивают через капилляр и оплавляют с помощью искро-

вого разряда до образования шарика. Установка готова для выполнения

следующего цикла сварки.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- Овладеть способами ультразвуковой микросварки.

- Освоить принципы действия и конструкцию установки для ультра-

звуковой микросварки “УЗИМ-1”.

- Получить навыки работы на установке.

- Изучить эффективность ультразвуковой сварки в зависимости от

температуры монтажной платы.

2.2. Экспериментальное оборудование

Лабораторная работа проводится на промышленной установке для

ультразвуковой микросварки “УЗИМ-1” (рис. 3).

Основные технические параметры установки:

Рабочие частоты УЗ-генератора – (15-30) кГц.

Амплитуда УЗ-колебаний – (0,5-2) мкм.

Усилие прижатия микроинструмента – (0,1-0,2) Н.

Длительность УЗ-импульсов – (1-100) мсек.

Рабочая температура столика – (150 - 200)

С.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Рис. 3. Блок – схема установки «УЗИМ-1»: 1- генератор электрических им-

пульсов, 2 - ультразвуковой генератор УЗГ-16-1, 3- монтажный стол, 4 - задатчик

температуры рабочего столика, 5 - блок питания, 6 - блок управления.

Подготовка установки к работе

1. Включить кнопку «Сеть»на блоке питания.

2. На блоке УЗ-генератора установить мощность и длительность

ультразвуковых импульсов.

На блоке электроискрового генератора установить необходимый

режим формирования импульса напряжения для оплавления проволоки.

На блоке задатчика температуры установить температуру рабоче-

го столика в пределах (100-200)

С.

Установить на катушку бобину с проволокой с подачей сверху.

Привести рычаг «Работа-обслуживание» в положение «Обслужи-

вание».

Протянуть свободный конец проволоки в петлю механизма за-

жима и в капилляр.

Разжать губки механизма зажима с помощью двукратного нажа-

тия кнопки пантографа.

Пропустить проволоку через губки, а так же между валиком и

щеткой механизма подтягивания.

10.

Подтянуть винтом щетку к валику до касания проволоки (не за-

жимать!), протянуть проволоку до задания минимального натяжения.

11.

Отмотать катушкой проволоку таким образом, чтобы конец про-

волоки выходил из капилляра на (1,5-2,5) мм.

12.

Нажать кнопку «Позиционирование».

13.

Опустить рычаг «Работа-обслуживание» в положение «Работа».

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

14.

Нажать кнопку «Искра» на электроискровом генераторе, при

этом визуально контролировать процесс образования шарика на капил-

ляре.

Работа на установке

С помощью рычага «Прицеливание» и ручки пантографа опреде-

лить место сварки.

Нажать кнопку «Сварка» на ручке пантографа.

Перевести ручкой пантографа микроинструмент в новое положе-

ние, в соответствие с п.2 произвести вторую сварку.

После окончания работы на блоке питания нажать кнопку «Пита-

ние выключено».

Определение прочности сварного соединения

Количественно качество сварки определяется по величине уси-

лия отрыва проволоки от места сварки (Р

от

). Сварка считается удовле-

творительной, если Р

от

≈ Р

, где Р

есть усилие разрыва микропроволоки.

Процедура определения Р

осуществляется с помощью грамметра в со-

ответствии с рис.4.

Рис.4 Схема измерения усилия отрыва проволоки от места сварки

2.3. Порядок работы

1. Включить установку и задать необходимый режим работы.

Произвести сварку контактных площадок при температурах

,Т

Качество сварки оценить по усилию отрыва проволоки от платы с

помощью грамметра.

2.4. Оформление результатов работы

Результаты работы представляются в виде таблицы.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица

Эффективность УЗ-сварки в зависимости от температуры

подложки

Температура

подложки

Усилие отрыва

проволоки (Н)

Качество сварки

(удовл.-неудовлетв.)

2.5. Контрольные вопросы

1. Физика УЗ-сварки.

Какие преимущества имеет УЗ-сварка?

Области применения УЗ-сварки.

4. Что такое термозвуковая сварка?

2.6. Литература

1. Казаков Н.Ф., Осокин А.М., Шишкова А.П. Технология метал-

лов и других конструкционных материалов.- М.: Металлургия, 1975.-

686 с.

Панов Е.Н. Технология изготовления БИС.- М.: Высшая школа,

1989.- 78 с.

Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обра-

ботки материалов.- М.: Машиностроение, 1982.- 400 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Основы электрохимической обработки (ЭХО) материалов.

Электрохимическими называются методы обработки металлов, ос-

нованные на использовании явлений электролиза (явлений, имеющих

место при прохождении электрического тока через растворы электроли-

тов):

•

электролитическое рафинирование (электрофорез) - перенос ма-

териала с одного электрода на другой

•

растворение анода в электролите - переход металла из металличе-

ского состояния в различные неметаллические соединения – соли, гид-

роокиси, окислы

•

электроэкстракция - осаждении на катоде металла электролита.

Основополагающим звеном для понимания электрохимических про-

цессов является

ряд напряжений металлов или «вытеснительный ряд»,

или «ряд активности», характеризующий способность каждого металла

переходить в раствор в виде ионов, а так же восстанавливаться из ио-

нов до металла на электроде. Металлы можно расположить в ряд, кото-

рый начинается с химически активных и заканчивается наименее актив-

ными благородными металлами (рис. 1).

Количественной величиной определяющей протекание окислитель-

но-восстановительных реакций является нормальный электродный по-

тенциал. Принято считать, что водород обладает нулевым потенциалом.

Таким образом, все металлы, стоящие в ряду левее водорода могут вы-

теснять его из растворов кислот. А металлы, стоящие в ряду напряже-

ний после водорода, легко выделяются при электролизе. Если в

раство-

ре присутствуют ионы разных металлов, то при равной их концентра-

ции, прежде всего, будут восстанавливаться ионы, стоящие правее в

указанном ряду, т.е. имеющие меньший отрицательный нормальный

потенциал.

Восстановительные свойства усиливаются

Окислительные свойства усиливаются

ис. 1 Ряд напряжений металлов

Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H

)

Cu Hg Ag Pt Au

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

В электролитах имеет место электролитическая диссоциация – рас-

пад молекул растворённого вещества на положительно и отрицательно

заряженные ионы под воздействием растворителя. Поэтому, в отличие

от металлов, обладающих электронной электропроводностью, в элек-

тролитах наблюдается ионная электропроводность (электролиты явля-

ются проводниками второго рода). ЭХО может протекать в электроли-

тах различного состава, в

том числе неагрессивных электролитах – вод-

ных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др.

В электролите молекулы соли NaCl распадаются на ионы Na

и Cl

вокруг которых в результате поляризации образуется многослойная

сфера из огромного числа молекул воды, т.е. образуются сольваты или

«гидратная шуба», которая затрудняет движение ионов в электролите.

Если в сосуд с электролитом (электролизёр) поместить электроды

(рис. 2), присоединённые к электрическому источнику энергии, то в

нём начнёт протекать ионный ток, причём положительно

заряженные

ионы (катионы) будут двигаться к

катоду (это в основном металлы и

водород), а отрицательно заряжен-

ные ионы - анионы (хлор, кислород,

ОН группы и т.д.) – к аноду.

В результате этого, между

электродами (анодом и катодом)

образуется разность потенциалов

(ϕ

- ϕ

). Это явление аналогично

возникновению контактной разно-

сти потенциалов между двумя ме-

таллами, с той лишь разницей, что в

электролите контактная разность

потенциалов обусловлена диффузи-

ей ионов, а не электронов.

Если приложить внешнее электрическое поле, потенциал которого

превышает разность потенциалов (ϕ

- ϕ

), то в электролите будет про-

текать электрический ток, величина которого зависит от типа элект-

ролита и величины напряжения внешнего электрического поля.

У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные

частицы, оседающие на электроде. У катода катионы присоединяют

электроны и также нейтрализуются, оседая на нём. Таким образом,

электрический ток

во внешней цепи представляет собой движение

электронов от анода к катоду. В результате нейтрализации анионов и

катионов раствор обедняется, т.е. уменьшается концентрация молекул

катионы

, K

, Cu

, NO

, SO

−

анионы

ОН

ис. 2. Электролитическая ванна