Способ лазерной пайки тонких проводников

 

Способ может быть использован в электронике, приборо- и машиностроении. Повышение качества паяного соединения и обеспечение требуемых физико-механических параметров датчиков ускорения из кремния достигается тем, что предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу. Лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого d_к выбирают из условия d_к = (0,8 - 1,4) • d_п.н, где d_п.н - диаметр пятна нагрева.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в электронике, приборо- и машиностроении.

Известен способ лазерной пайки провода к облуженной контактной площадке микросхемы [1].

Контактные площадки размещают соосно с лазерным излучением. Припаиваемый провод располагают над контактной площадкой, а над проводом устанавливают конусный держатель, который собственным весом прижимает провод к облуженному слою контактной площадки. Затем проводник и контактную площадку нагревают лазерным излучением. При этом слой полуды на контактной площадке расплавляется и провод под действием конусного держателя утапливается в слое полуды. После отключения лазерного излучения слой полуды кристаллизуется и образуется паяное соединение.

Основной недостаток известного способа заключается в снижении качества паяного соединения, получаемого при пайке тонких проводников к контактной площадке, расположенной на поверхности упругих датчиков из кремния. Это обусловлено тем, что при образовании паяного соединения, контактная площадка и поверхность кремния в ее окрестности подвергаются термомеханическому воздействию от неравномерного нагрева лазерным излучением и поджатия держателем. В результате в паяном соединении и кремнии возникают остаточные напряжения и происходят деформации, что снижает качество пайки и ухудшает упругие свойства датчиков ускорений.

Известен способ лазерной пайки провода к элементу электроники, принятый за прототип [2].

Прототип включает подготовку провода (удаление окисной пленки и нанесение флюсосодержащего и поглощающего лазерное излучение покрытия) и элемента электроники (нанесение паяльной пасты и нагрев до 120 - 170^oC до образования слоя пропоя в виде "подушечки"). Собственно процесс пайки заключается в нагреве проводника с покрытием в течение 0.1 с лазерным излучением. За счет передачи тепла от проводника с покрытием к слою припоя, происходит нагрев последнего и образование паяного соединения.

Основной недостаток прототипа состоит в том, что при пайке тонких проводников с диаметром ≅ 100 мкм эффективность теплопередачи от покрытия к слою припоя снижается, а это приводит к непропаям и холодной пайке. Чтобы получить качественное паяное соединение, необходимо обеспечить дополнительное поджатие проводника или увеличить мощность лазерного излучения и нагревать слой припоя. А это вызывает деформацию кремниевой подложки в окрестности паяного соединения и остаточные напряжения в паяном соединении, что не только снижает качество пайки, но и оказывает отрицательное действие на упругие свойства чувствительных элементов датчиков ускорений.

Предлагаемое изобретение направлено на получение качественного паяного соединения тонкого проводника с кремниевой подложкой.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества паяного соединения и обеспечение требуемых физико-механических параметров датчиков ускорения из кремния.

Указанный результат достигается тем, что в способе лазерной пайки тонких проводников и плоской подложки проводник укладывают на плоскую подложку и нагревают импульсным лазерным излучением, предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу, а лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого d_к выбирают из условия d_к = (0,8-1,4)•d_п.н, где d_п.н - диаметр пятна нагрева.

Способ осуществляют следующим образом. Кремниевую подложку с напыленной металлизацией устанавливали в приспособление на предметном столике лазерной установки и позиционировали ее относительно оптической оси фокусирующей оптики лазерной установки. Паяемый конец проводника изгибали в кольцо и облуживали. Слоем припоя заполняли внутреннюю часть кольца таким образом, чтобы поверхность припоя совпадала с плоскостью касания цилиндрической образующей кольца.

Затем проводник размещали в специальных струбцинах, чтобы кольцо с припоем лежало в горизонтальной плоскости, и укладывали, не поджимая, на металлизированный слой кремниевой подложки до касания паяемых поверхностей.

Включали лазерную установку и фокусировали излучение в центр кольца на поверхность припоя. При воздействии лазерного импульса припой расплавлялся, смачивал металлизированный слой и кристаллизовался с образованием паяного соединения.

Внутренний диаметр кольца выбирали из условия обеспечения гарантированного расплавления припоя внутри кольца без выплесков. При уменьшении d_к ≅ 0.8 d_п.н (диаметр пятна нагрева составлял 0.2 мм) массы расплавленного припоя недостаточно для образования паяного соединения, что требует увеличения мощности лазерного изучения, а это вызывает образование выплесков и разрушение подложки.

С увеличением d_к ≥ 0.8 d_п.н, необходимо увеличивать мощность лазерного излучения для расплавления припоя, что увеличивает тепловую нагрузку на кремниевую подложку и вызывает в ней недопустимые напряжения деформации.

Косвенный нагрев подложки (через слой припоя) и отсутствие механического усилия обеспечивают высокое качество паяного соединения и не вносят дополнительных напряжений в кремнии.

Пример выполнения способа.

Выполняли пайку импульсным лазером: длина волны λ = 1.06 мкм; τ = 3-5 мс; E ≅ 10 Дж. В качестве проводников использовали медные и посеребренные провода с 100 и 50 мкм, а подложкой служили кремниевые пластины КЭФ4,5.

Проверка механических свойств паяных соединений показала, что прочность на отрыв составляет ~0.4-1.0 кг/мм². Уровень остаточных напряжений в кремнии в окрестности паяного соединения, определенный поляризационно-оптическим методом, составил ~5-8 кг/мм². Эта величина находится на уровне значений, обусловленных металлизацией кремниевой подложки, что соответствует требованиям конструкторской документации датчиков ускорений.

Наряду с кремнием, были выполнены эксперименты с металлизированной подложкой из керамики. Результаты экспериментов показали, что предлагаемый способ обеспечивает требуемые физико-механические свойства паяных соединений и изделий из керамики в целом.

Источники информации 1. Способ лазерной пайки. Патент 4700044 США, МКИ B 23 K 26/00 (НКИ 219-121 LC), опубл. 13.10.1987 г., т 1083, N 2.

2. Способ лазерной пайки. Патент 5484979 США, МКИ B 23 K 26/00 (НКИ 219/121.64), заявл. 22.10.1993 г., опубл. 16.01.1996 г.

Формула изобретения

Способ лазерной пайки тонких проводников и плоской подложки, при котором проводник укладывают на плоскую подложку и нагревают импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу, а лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого d_к выбирают из условия d_k = (0,8 - 1,4) • d_п.н, где d_п.н - диаметр пятна нагрева.