Электрод для пайки

 

Использование: радиоэлектронная промышленность , в частности область сборки микросхем и микросборок для пайки выводов и перемычек. Сущность изобретения: электрод для пайки содержит токоподводы 1,2 и U-образный нагреватель, который для контроля паянного соединения за счет измерения температуры выполнен в виде двух элементов из разнородных электропроводных материалов, 3 ,4 образующих между собой соединение 5 на рабочей поверхности нагревателя и обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s В 23 К 3/047

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4745769/08 (22) 05.09.89 (46) 15.08.92. Бюл, N 30 (71) Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (72) Ю.Н.Кузуб (56) Авторское свидетельство СССР

N 260032, кл. В 23 К 3/02, 1968.

Авторское свидетельство СССР

N- 508350, кл. B 23 К 3/02, 1974, Назаров Г;В., Гревцев Н.В, Сварка и пайка в микроэлектронике, M.: Советское радио. c,12 — 14, „„ Ы „„1754360 А1 (54) ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПАЙКИ (57) Использование; радиоэлектронная промышленность, в частности область сборки микросхем и микросборок для пайки выводов и перемычек. Сущность изобретения; электрод для пайки содерайт токоподводы

1, 2 и U-образный нагреватель, который для контроля паяьного соединения за счет измерения температуры выполнен в виде двух элементов из разнородных электропроводных материалов, 3,4 образующих между собой соединение 5 на рабочей поверхности нагревателя и обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, 5 ил.

1754360

30

40

50 ложке 8

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности, в частности к области сборки микросхем и микросборок, и может быть использовано в технологии пайки выводов и перемычек микросхем и микросборок, Наиболее близким к предлагаемому является электрод для пайки давлением с косвенным импульсным нагревом, состоящий из токоподводящих элементов и нагреваемого элемента, изготавливаемого из ниобиевых теплостойких сплавов, жаропрочных сталей или из твердых сплавов. При пайке таким электродом его нагреваемый элемент устанавливают рабочей поверхностью на верхнюю паяемую деталь(проволока, вывод

ИМС и т.п.) нагружают усилием Р, пропускают через нагреваемый элемент электрический ток, разогревают его и соединяемые детали.

Затем под воздействием приложенного усилия сжатия и нагрева произойдет плавление припоя и образуется паяное соединение.

Однако из-за износа рабочих поверхностей электрода для пайки или загрязнения элементов паяного соединения существенно изменяется тепловой режим процесса пайки, что приводит к появлению дефектов в паяном соединении (поры, раковины, трещины и т,п.).

Контролировать тепловой режим формирования паяного соединения при пайке таким электродом невозможно, так как в конструкцию электрода не входят устройства для контроля температуры в зоне пайки.

Таким образом, применение для пайки электрода с токоподводящими элементами и нагреваемым элементом, изготовленным из одного материала, не обеспечивает получение стабильного технологического процесса пайки, а это значит, что в эксплуатацию попадают соединения с дефектами (непропай, поры, трещины и т,п.), которые приводят к отказу в эксплуатации механизмов и машин.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей электрода для пайки и улучшение <ачества паяных соединений за счет контроля температурного режима пайки непосредственно в процессе пайки.

Для осуществления поставленной цели в известном электроде для пайки, состоящем из токоподводов и U-образного нагревателя, нагреваемого проходящим токой, с рабочей поверхностью для пайки, на-" греватель выполнен из составных частей, изготавливаемых из разнородных электропроводящих материалов, обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, Ка фиг,1 представлен электрод для пайки; на фиг,2 — схема получения и контроля паяного соединения с помощью электрода для пайки; на фиг.3 — осциллограммы импульса тока амплитудой Чо и длительностью т для разогрева рабочей части предлагаемого электрода для пайки и осциллограммы импульсов термоЭДС амплитудой Ео, Е1, Ег измеренных на составных частях нагреваемаго элемента электрода для пайки после прохождения разогревающего импульса тока; на фиг.4 — схема калибровки электрода для пайки и контроля паяных соединений при получении зависимости характеризующей изменение амплитуды термоЭДС, измеренной на составных частях нагреваемого элемента электрода, от температуры пайки; на фиг,5 — графическая зависимость, характеризующая изменение термоЭДС Е, мВ, измеренной на токоп роводах электрода для пайки от температуры в зоне пайки.

Графическая зависимость получена при калибровке электрода.

Предлагаемый электрод для пайки и контроля паяных соединений содержит токопроводящие элементы 1, 2, выполненные из различных материалов (например, из сплава Б К-2М и сплава ТМ-20, сплава ВК6-M и стали Х200К80), обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, Кагреваемый элемент предлагаемого электрода для пайки и контроля паяных соединений выполнен составным из отдельных частей 4 и 3, Составные части нагреваемого злемента изготавливаются из материалов, идентичных материалам токопроводов, однако имеют существенно меньшее сечение, чем токоподводы электрода, Такая конструкция обеспечивает преимущественный нагрев нагреваемого элемента электрода по сравнению с er<> токоподводами.

Составные части нагреваемого элемента электрода соединяются сваркой 5 посредине его рабочей поверхности, перпендикулярно к линиям проходящего через нагреваемый элемент разогревающего импульса тока.

При пайке предлагаемый электрод для пайки и контроля паяных соединений устанавливается на поверхность проводника (вывода), 6, который припаивается к контактной площадке 7, расположенной на подПри калибровке предлагаемый электрод для пайки устанавливается на проводник (вывод) 6 предварительно закрепленный пайкой на спае измерительной

1754360 термопары 9, которая располагается на поверхности нагревателя 10, Выполнение составных частей нагреваемого элемента и токоподводов электрода для пайки из разнородных материалов в сочетании обладающих эффектом термоЭДС обеспечивает воэможность контроля температурного режима в процесса формирования паяного соединения с применением установки для пайки, Устройство работает следующим образом.

Электрод для пайки устанавливают рабочей поверхностью с зоной соединения составных частей нагревателя 5 на поверхность привариваемого проводника 6, расположенного на контактной площадке 7 подложки 8.

Необходимое усилие нагрузки Р на электрод и импульс сварочного тока с амплитудой V и с длительностью т обеспечиваются при пайке установкой для пайки.. В процессе пайки при прохождении импульса тока через составной нагреваемый элемент электрода 3 и 4 проводник 6 разогревается (нагрев проводника обеспечивается за счет теплообмена при контактировании рабочей поверхности электрода с поверхностью паяемого проводника), затем припой íà проводнике расплавляется и происходит процесс пайки проводника к контактной площадке 7, расположенной на подложке 8.

Температурный режим пайки оценивается оператором установки для пайки по показаниям регистрирующего прибора, подключенного к токопрсводящим частям 1 и 2 электрода для пайки.

При этом с помощью регистрирующего прибора в процессе пайки измеряется амплитуда термоЭДС на токопроводящих элементах электрода для пайки и контроля паяных соединений, значение которой пропорционально температуре к зоне пайки, так как составные элементы нагревателя с зоной их соединений 5 образуют термопару, измерительный спай которой располо- жен непосредственно в зоне пайки.

Точное значение температуры в зоне пайки оператор определяет по амплитуде

ЭДС, измеренной на токоподводах электрода для пайки и контроля паяных соединений, используя калибровочную графическую зависимость для предлагаемого электрода по типу, приведенной на фиг.б.

Пример. Для проверки эффективности выполнения нагреваемого элемента электрода составным из разнородныхматериалов, обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, составные части электрода были изготовлены из сплава ВК6-M и сплава TM5

20

20, Затем была проведена калибровка электрода по схеме, приведенной на фиг,4.

При калибровке предлагаемый электрод для пайки устанавливался на поверхность проводника 6, который пайкой крепился HB поверхности спая хромель-копель термопары 9, и редварительно установленной на поверхности. нагревателя 10, Хромель-копелевая термопара подключалась ко входу измерительного прибора 11 (микровольтметра типа Â7-34), Микровольтметр 12 (87-34) подключался к токоподводящим элементам электрода для пайки, В процессе калибровки с помощью нагревателя 10 нагревался спай 9 эталонной термопары и проводник 6, прикрепленный (пайкой) к поверхности спая 9 эталонной термопары.

Измеряя при различных температурах

ЭДС на эталонной термопаре и ЭДС на токоподводах предлагаемого электрода для пайки, получали данные, по которым построили калибровочную графическую зависимость, приведенную на фиг.5, 25 Кривая 1 графической зависимости, приведенной на фиг,5, характеризует изме- . нение амплитуды термоЭДС Е, мВ, измеренной на изготовленных из сплава ВК6-М . и сплава TM-20 токоподводящих элементах

30 предлагаемого электрода от температуры поверхности припаиваемого проводника.

Кривая 2 графической зависимости, приведенной на фиг.", характеризует зависимость амплитуды термоЭДС эталонной

35 термопары от температуры ее спая.

Затем на установке ЭМ-429 предлагаемым электродом при различных режимах пайки была проведена серия паек выводов

ИМС . 0,2 мм с контактными площадками

40 Cr — Cu — N; При этом для каждой из паек после прохождения ймпульса разогревающего тока через составной нагреваемый элемент электрода с помощью регистрирующего прибора (светолучевого осциллогра45 фа Н030) была проведена регистрация ЭДС на токоподводящих элементах предлагаемого электрода и получены осциллограммы по типу, приведенных на фиг.3.

Осциллограммы для различных режи50 мов пайки имели исходные значения амплитуд термоЭДС Ео, Е1, Е2.

Дополнительное исследование прочностных свойств полученных паяных соединений (испытания на разрыв, визуальный

55 контроль элементов паяного соединения) после его разрушения показало, что при onтимальном режиме пайки (припой ПОС 60) температура в зойе пайки может доходить до 260 С (Ео = 1,4 мВ), при этом достигается получение паяных соединений максималь1754360 ной прочности без дефектов в объеме припоя, Снижение температуры в зоне пайки ниже 200 С (Ez =0,95 мВ) приводит к появлениюдефектов(поры, трещины, включение флюса в объеме припоя) на границе раздела соединяемых пайкой элементов паяного соединения; что существенно снижает прочность паяных соединений.

Повышение температуры пайки до

300 С (E> = 1,8 мВ также приводит к ухудшению качества паяных соединений, так как при пайке с высокой температурой происходит частичное (или полное) отслоение контэкгных площадок и прочность соединений ухудшается, С учетом проведенных исследований rio оценке качества полученных паяных соединений с помощью предлагаемого электрода была определена область оптимальных температур в зоне пайки и, соответственно, область значений оптимальных амплитуд термоЭДС, измеренных на токоподводящих элементах предлагаемого электрода, после прохождения импульса разогревающего тока.

На фиг.3 область оптимальных амплитуд. термоЭДС показана штриховкой;

Таким образом, по сравнению с прототипом, который нашел широкое распространение в промышленности при сборке (пайке) полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и т.п., предлагаемое техническое решения за счет выполнения нагреваемого элемента электрода для пай5 ки составным иэ разнородных электропроводных материалов, обладающих в сочетании эффектом термоЭДС, обеспечивает следующие технические преимущества: контроль температурного режима

10 формирования пэяного соединения, что обеспечивает проведение технологического процесса пайки, при котором соединения с дефектами будут выявляться непосредственно в процессе пайки; своевременное вы15 явление в процессе пайки износа рабочих поверхностей электрода для пайки, выявление загрязнения элементов паяного соединения.

Формула изобретения

20 Электрод для пайки, содержащий токоподводы и U-образный нагреватель, о т л и- . ч а ю шийся тем, что с целью улучшения качества паяных соединений и расширения функциональных возможностей путем конт25 роля паяных соединений, нагреватель выполнен в виде двух элементов иэ раз- . нородных электропроводных материалов, образующих соединение между собой на рабочей поверхности нагревателя и облада30 ющих в сочетании эффектом термоЭДС, 1754360

E,ì

Составитель Ю.Кузуб

Редактдр А.Долинич Техред М.Моргентал Корректор T.Ïàëèé

Заказ 2Яg Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

113335, Москва, Ж-35, Раушская наб,, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101