Способ ультразвуковой пайки и лужения

Союз Советск нкСоцналнстнческнкРеслублнк ОП ИСАНИ ЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУОпубликовано 30.12.81. Бюллетень48Дата опубликования описания 05.01,82 ло делам иэоеретеиий и открытий(54) СПОСОБ УЛЪТРАЗВУКОВОИ ПАИКИ И ЛУЖЕНИЯИзобретение относится к пайке и лужению изделий из труднопаяемых материалов, например алюминия и его сплавов, с применением энергии ультразвуковых колебаний и может быть использовано для ультразвуковой бесфлюсовой пайки подложек микроэлектронных приборов, лужения корпус ных, коммутационных и других деталей радиоэлектронной аппаратуры. Известен способ ультразвуковой пайки и лужения изделий из алюминия и его сплавов, заключающийся в нагреве паяемых изделий и подаче ультразвуковых колебаний в жидкий припой с частотой, соответствующей резонансной частоте преобразователя, например 22 кГц, Подача ультразвуковых колебаний в припой осуществля 15 ется путем погружения в последний наконечника ультразвукового паяльника, который в процессе пайки или лужения перемещается вдоль паяемой поверхности 1.К недостатку известного способа следует отнести низкую производительность процес са пайки, поскольку скорость перемещения ультразвукового паяльника по паяемой поверхности невысока (0,8 в 1,6 см/с), трудность пайки и лужения хрупких изделий, например, подложек интегральных схем ввиду опасности их разрушения.Наиболее близким к предлагаемому способу пайки и лужения является способ бесфлюсовой пайки изделий из алюминия и его сплавов, при котором изделия погружают в расплавленный припой, подают ультразвуковые колебания, а в ванну вводят дополнительные колебания частотой, приводящей к резонансным колебаниям паяемых деталей, для чего к основному источнику ультразвуковых колебаний подключают дополнительный генератор 12.Недостатками способа являются необходимость применения дополнительного источника колебаний. Как следствие, существующий способ пайки применим только для простых металлических деталей ввиду того, что резонансные колебания паяемых деталей могут привести к их разрушению,Необходимо отметить и сложность в управлении процессом пайки.Цель изобретения - повышение производительности процесса пайки и лужения, улучшение качества паяных изделий.Поставленная цель достигается тем, что операцию возбуждения ультразвуковых колебаний после нагревания паяемого изделия и подачи припоя осушествляют в самом паяемом изделии, причем возбуждают их в режиме бегущей волны при постоянной амплитуде и переменной частоте, которую изменяют в пределах от 1;,= -д до44 сщ У. Игде С скорость распростра нения ультразвуковых колебаний в изделии; Х - длина волны; п - целое нечетное число, равное 3, 5 и 7.На фиг. 1 изображена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - график распространения ультразвуковых колебаний в случае бегущей волны.Магнитостриктор 1 жестко соединен с концентратором 2. Контакт концентратора 2 с паяемой деталью 3 может быть осушествлен либо с помощью резьбового соединения, либо путем приложения внешнего статистического давления Р к ультразвуковому инструменту. Для замыкания второй стороны детали используют элемент 4. На поверхность детали нанесен припой 5 и помещена припаиваемая деталь 6.При подаче электрических колебаний от генератора на магнитострикционный преобразователь в системе возникают ультразвуковые колебания.При создании в системе режима бегушей волны, которая реализуется в предлагаемом способе путем возбуждения ультразвуковых колебаний постоянной амплитуды и переменной частоты (фиг. 2), узлов и пучностей амплитуд смещений и циклических напряжений не возникает. В любой момент времени упругая ультразвуковая волна меняет свое местоположение на поверхности изделия, и поэтому по каждому сечению и в каждой точке поверхности пройдет многократно максимум амплитуды, обеспечивая, тем самым, процессы разрушения окисных пленок и равномерное качественное смачивание поверхности изделия одновременно по всей ее площади.В то же время циклические напряжения, будучи равномерно распределенными по поверхности изделия, не вызовут никаких изменений в структуре металла, а следовательно, не приведут к явлению усталости.Так как амплитуда смещений А может быть разложена на две составляющие Ах и А (эффект Пуассона), то суммарное значение амплитуды будет иметь направление, обозначенное вектором А. Так как в режиме бегущей волны максимальные значения амплитуды смещений непрерывно изменяют свое местоположение на поверхности детали, то это под действием составляющей А вызовет перемещение жидкого припоя по всей плошади детали.При предлагаемом способе становится возможным бесфлюсовая пайка детали 3, жестко связанной с ультразвуковым преоб 5 о 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 разователем, и детали 6, не связанной с источником ультразвуковых колебаний, а контактирующей только с поверхностью жидкого припоя 5 под действием некоторого статического давления Р или собственного веса.Развитие кавитационных явлений в жидком припое при наложении на него ультразвуковых колебаний постоянной амплитуды и переменной частоты создают более благоприятные условия для смачивания припоем всей паяемой поверхности деталей 3 и 5 и обеспечивают получение непрерывного и однородного паяного шва. При этом деталь 6 может быть выполнена из хрупкого материала, например керамики, стеклокерамики, ситалла, феррита и других материалов. Амплитуда ультразвуковых колебаний зависит от конкретных размеров паяемых поверхностей, материала изделий и может быть выбрана в пределах 5 - 15 мкм.Проведенные эксперименты по бесфлюсовому ультразвуковому лужению поверхностей корпусов БИС и микросборок, а также ультразвуковой пайки подложек интегральных схем на основание корпуса показали высокую эффективность предлагаемого способа.Пример 1. Бесфлюсовое ультразвуковое лужение корпусов микросборок, выполненных из алюминиевого сплава Д 16 с гальваническим покрытием олово-висмут толщиной 6 мкм, осуществляют оловянно-свинцовым припоем ПОС 61. В качестве источника ультразвука используют промышленный генератор УЗГ-0,4. Ультразвуковой излучатель с собственной резонансной частотой 44,0 кГц жестко соединен с корпусом микросборки. Г 1 ри постоянной амплитуде ультразвуковых колебаний Г 5 мкм процесс лужения осушествляют при 220+ 5 С в течение 13 с. В процессе лужения частота ультразвуковых колебаний изменяется от Гщ ----- до4 С,Фс"5 1 щах = - х- -3-, где С - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале изделия, 6,26 10 З м/с; Х - длина волны, равная 0,139 м, что соответствует 36,0 и 60 кГц и достаточно для обслуживания всей поверхности основания корпуса.После проведения операции всю поверхность основания корпуса размером 110 Х Х 48 мм равномерно о 6 луживают припоем. При ручном облуживании паяльником той же поверхности требуется времени 35 с.Пример 2. Осуществляют ультразвуковую лайку подложек интегральных схем, паяемая поверхность которых имеет золотое покрытие толщиной 6 мкм. В процессе пайки к подложкам прикладывается внешнее давление величиной до 50 г. Пайка осуществляется оловянно-индиевым припоем ПОИпри 130 С в течение 5 с. Частота ультразвуковых колебаний изменяется в пределах от 1 щ,д -- 40 кГц до Гща -- 45 кГц.Паяный шов непрерывный и однородный893426 Формула изобретения Х авитель ГА. Бойка1151 СостТехред Тираж осударственно ам изобретени ва, Ж - 35, Р атент, г. Уж ТеслинКорректор Е. РошПодписноеета СССРрытийнаб., д. 4/5Проектная, 4 Редактор А. Власенко Заказ 11334/14 ВНИИПИ Г по дел 13035, Моск Филиал ППП Пго ком ит й и от аушская город, у Результаты испытаний при повторной разборке показывают, что вся поверхность подложки смочена припоем.Эффективность способа заключается в увеличении производительности процесса ультразвуковой пайки и лужения по сравнению с процессом пайки ультразвуковым паяльником в 3 и более раза за счет одновременной обработки всей паяемой поверхности, а также в повышении выхода годных микроэлектронных узлов за счет улучшения качества паяных соединений и исключения непосредственного жесткого акустического контакта ультразвукового инструмента с микроэлектронными приборами, что исключает вероятность повреждения последних. 15 Способ ультразвуковой пайки и лужения изделий преимущественно из алюминия и его сплавов, включающий нагрев паяемого изделия, подачу припоя и возбуждение ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса и улучшения качества паяных изделий, ультразвуковые колебания возбуждают в изделии в режиме бегущей волны при постоянной амплитуде и переменной частоте, которю изменяют в пределах от 1 й 1 п= ли до 1 вах= -- , где4 С.С - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале изделия, Х - длина волны, п - целое нечетное число. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Применение ультразвука в промышленности. Под ред. А. И. Маркова М., Машиностроение, 1975, с. 155 в 156.2. Патент США2991933,кл. В 23 К 1/06, 16,11.76 (прототип).