Поверхностное натяжение.

Угол смачивания должен быть острый, при отсутствии условий смачивания на поверхность деталей гальваническим способом наносится покрытия из материала, к которому припой имеет острый угол смачивания (серебро).

На прочность соединения влияет шероховатость деталей, чем ниже шероховатость, тем выше смачиваемость.

Пайка деталей связана с их нагревом, т. е. созданием условий, способствующих появлению окисных пленок на поверхностях деталей и припое. Для создания температуры используют водородные или вакуумные печи. Водородные печи обладают преимуществами восстанавливать окислы металла до чисто металлических при повышении температуры, и в них процесс идет быстрее, чем в вакууме, в том случае если не требуются вакуумные плотности, могут применятся другие способы паек и флюсы (предохраняет очищенные поверхности паяемых деталей и обладает травящим свойством). Кислотные флюсы следует применять только в том случае, если не будет от них вредного воздействия на материал в процессе работы и процессе хранения.

Многообразие видов паяемых материалов и условий применения пайки, связанных с характером и видом изделия, вызывают применение большого числа разнообразных способов пайки. Методы пайки отличаются один от другого способом подвода тепла к месту пайки и характером применяемого оборудования.

Припой – это металл или сплав, применяемый при пайке узлов и заполняющий зазор между соединяемыми деталями. 

Различают: низкотемпературные (<450°С), высокотемпературные.

Различные добавки в припои изменяют их свойства:

- литий в серебряный припой улучшает жидко - текучесть и смачиваемость, поэтому легирование припоев используют для расширения их области применения.

- цинк в оловянно-свинцовый припой повышает коррозионную стойкость паяного соединения.

Флюсы – это вещества органического или неорганического происхождения, предназначенные для устранения окисной пленки после предварительной зачистки деталей. Флюсы должны удовлетворять условиям: не образовывать с припоем химических соединений и находится с ним в виде 2 несмешивающихся жидкостей; не вступать в химические соединения с паяемым металлом, сохранять стабильность своего состава в процессе пайки.

По степени воздействия флюсы разделяют:

- некоррозионные (защитные)-канифоль, глицерин, воск, вазелин и их смеси;

 - слабокоррозионные – животные жиры, минеральные масла

- коррозионные – хлористый цинк и его растворы, борная кислота, хлориды.

Для монтажных соединений применяют только некоррозионные флюсы.

Слабокоррозионные и некоррозионные применяют для пайки не коррозионных узлов, остатки флюса удаляют тщательной промывкой и нейтрализуют.

Флюсы могут быть в жидком, твердом, пастообразном состоянии.

При выборе флюса учитываются следующие параметры: тип материала детали, вид припоя и его температура плавления, скорость выполнения пайки.

 

 

Пайка паяльником.

Это наиболее распространенный способ получения паянных швов. Этот способ получил широкое распространение ввиду своей универсальности. Паяльником можно получать разнообразные швы на различных материалах. Разнообразие паяльников соответствует их области применения, можно выделить 2 группы:

- паяльники без постоянного подогрева – нагревание производится периодически в горне, паяльной лампе, газовой горелкой;

- паяльники с непрерывным подогревом – конструкция зависит от источника тела, который обеспечивает непрерывное нагревание рабочего конца паяльника.

В радиопромышленности наибольшее распространение имеют паяльники с электрическим подогревом. Пайка электронагревом производится за счет тепла, выделяемого электрическим током при прохождении его непосредственно через паяемые детали, за счет индукционного нагрева и за счет тепла, выделяемого независимой вольтовой дугой.

 

Пайка пламенем.

Пайка пламенем паяльных ламп и газовых горелок применяется с использованием низкотемпературных припоев на основе серебра, она позволяет производить быстрый нагрев места пайки. При этом происходит выгорание загрязнений, что допускает не очень тщательную очистку паяемых поверхностей от загрязнений, как требуют другие способы пайки. Пламя для нагрева деталей при пайке является технологически гибким источником тепла, позволяющим в широких пределах регулировать тепловую мощность.

 

 

Индукционная пайка.

Вид пайки основан на нагревании индуктированными вихревыми токами металлических деталей, помещенных в магнитное поле контура, по которому протекает переменный электрический ток.

При высоких частотах в проводнике наблюдается поверхностный скин-эффект, заключающийся в том, что плотность переменного тока распределяется по сечению проводника неравномерно, увеличиваясь к поверхности проводника. В результате на поверхности проводника выделяется наибольшее количества тепла, т. е. тепловая энергия, выделяющаяся от вихревых токов, распределяется по сечению изделия неравномерно.

Для индуктивной пайки токами высокой частоты применяют машинные, ламповые генераторы и индукторы. Индукторы изготавливают из медной трубки, по которой циркулирует вода, охлаждающая индуктор. Формы и размеры индукторов зависят от формы и размеров нагреваемых деталей.

Перед пайкой поверхности деталей тщательно зачищают. Окисление металла и припоя при нагреве токами высокой частоты может быть предотвращено путем помещения паяемых деталей в контейнер с защитной атмосферой или под вакуум.

 

Пайка в жидких средах.

Выполняется нагревом паяемых деталей, погружением их в расплавленный припой или флюс. Перед пайкой детали тщательно зачищают. В случае пайки погружением в расплавленный припой на место пайки наносят флюс (используют в основном низкотемпературные припои), а при пайке погружением в жидкий или расплавленный флюс в местах паяемых швов устанавливают припой. \

Недостатки пайки погружением в расплавленный припой являются: сильное окисление припоя ввиду его контакта с воздухом, необходимость применения вибрации для лучшего растекания припоя по поверхности детали. Этот вид пайки относится к групповой, когда одновременно исполняют пайку нескольких швов или деталей.

Пайка погружением в расплавленный флюс также относится к групповым способам. Она применяется для соединения в узел деталей из стали, меди, никеля, алюминия. Припой укладывают так, чтобы во время погружения в расплавленный флюс он не был смыт, для этого детали зажимают в приспособлениях.

Пайка в расплавленной смеси солей производится в специальных ваннах – печах. Расплав соли или флюса выполняет двойное назначение, является теплоносителем и средством защиты от окисления поверхности паяемых деталей. Нагрев деталей при такой пайке – равномерный.

Пайка в вакууме не требует применение флюсов, что повышает коррозионную стойкость паяных узлов. Нагревание при пайке этим способом не может вызвать окисления припоя и паяемых поверхностей.

 

Светолучевая обработка.

Светолучевая обработка, называемая обработкой лучом лазера или лучом оптического квантового генератора, интенсивно внедряется в технологические процессы. Обработка материалов осуществляется концентрированной тепловой энергией, возникающей в результате сосредоточения специально сформированного светового пучка на обрабатываемом участке заготовки. Источником светового излучения служит лазер. Преимуществами этой обработки являются легкость фокусирования и точность направления луча; возможность работы в атмосфере любого состава, в вакууме и защитной среде; отсутствие обрабатывающего инструмента; легкость автоматизации; отсутствие механических воздействий на обрабатываемую поверхность и структурных и химических изменений материала в зоне обработки.  Электронный луч, так же как и лазерный, обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия нагревает его до 6000°С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испаряет, образовав в материале отверстие или углубление. Современная техника позволяет регулировать плотность излучения электронов, а, следовательно, и температуру нагрева металла. Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц.

Созданы конструкции твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров. Их работа основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, резки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов по сплошному контуру, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. Широко используются ОКГ для сварки различных металлов.

 

 

Твердотельный лазер.

Первым реализованным в 1960 году лазером на кристалле рубина в качестве активной среды был твердотельный лазер. Изучение твердотельных лазеров применяется в области обработки материалов (сварка лазерным излучением), измерительной техники. Твердотельный лазер содержит в качестве активной среды кристаллы или стекла, которые активируются ионами металлов или ионами редкоземельных элементов. Эти активные ионы поглощают оптическое излучение в широкой спектральной области. В результате излучательных переходов через различные промежуточные уровни происходит возбуждение долгоживущего уровня. Возбуждение происходит с помощью оптической накачки при использовании подходящих источников света в специальном устройстве. Накачка твердотельных лазеров происходит непосредственно с помощью излучения. Излучение накачки создается в импульсном или непрерывном режиме с помощью ламп различных форм и наполнения газом, а также с помощью лазера. Накачка с помощью лазеров особенно эффективна. В качестве источников накачки для твердотельных лазеров применяются: ксеноновые лампы, криптоновые лампы, ртутные лампы высокого давления, галогенные лампы.

Активные элементы изготавливаются в виде стержней с отполированными торцевыми поверхностями, с нанесенными зеркальными покрытиями и также с обработанной поверхностью для эффективного введения излучения накачки.

Из твердотельных лазеров наибольшее распространение для обработки материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка металла и др.) получили лазеры на рубине, стекле с неодимом и на гранатах с неодимом.

Для механической обработки используют твердотельные лазеры, рабочим элементом которых является рубиновый монокристаллический стержень, состоящий из оксидов алюминия, активированных 0,05% хрома. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме.

 

  

а) схема работы лазера    б) схема фокусировки луча

 

   При включении источника питания 5 лампа накачки 2 облучает стержень из рубина 1 мощным потоком света с широкой полосой частот, который переводит ионы хрома в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться в нормальное состояние, излучая фотоны длиной волны 0,69 мкм. Направление распространения световых волн хаотично, поэтому внутри кристалла остаются те волны, направление которых перпендикулярно поверхности торцов стержня, а остальные выходят за пределы кристалла. Наличие торцевых зеркальных поверхностей 3 и 4 приводит к тому, что при многократном отражении от них усиливаются свободные световые колебания по амплитуде и мощности в направлении оси стержня вследствие стимулирования возбужденными атомами. При этом образуется поток когерентных волн. Движение волн внутри резонатора будет происходить до тех пор, пока мощность светового потока не станет достаточной для выхода через полупрозрачные зеркала 4. Для применения в технологических целях луч лазера фокусируют.

Твердотельные лазеры преимущественно излучают в видимой и ИК-спектральной областях.            

 

 

Газовые лазеры.

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла. Особенности газовых лазеров: они являются источниками атомных или молекулярных спектров. Длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения. Создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни.

Схематическое изображение кадмиевого лазера: 1 — зеркала; 2 — окна для выхода излучения; 3 — катод (слева) и анод (справа); 4 — испаритель кадмия; 5 — конденсатор паров кадмия; 6 — газоразрядная трубка.

 

Трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным. Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается газовым лазером вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью.

В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

 

Метод фотолитографии.

Фотолитография – это метод получения рисунка на тонкой пленке материала, широко используется в микроэлектроники. Для получения рисунка используют свет определенной длины волны. Минимальный размер деталей рисунка – половина длины волны.

Процесс фотолитографии происходит так:

1. На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят пульверизатором тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок, а затем наносят слой фоторезиста (специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом) и после выравнивают слой фоторезиста на центрифуге.

2. Производится экспонирование через фотошаблон (пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем)

3. Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются.

4. Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста.

Сущность метода фотолитографии состоит в следующем. После высушивания эмульсии образуется плотная, прочная пленка. Затем производят экспонирование (засвечивание) образовавшейся пленки через специальный шаблон, позволяющий получить только белые и черные тона. Засвеченные участки светочувствительной пленки приобретают свойство нерастворимости в характерных для нее растворителях.

Разновидности фотолитографии:

- взрывная – для получения рисунка на пленках металла. Рисунок получается путем напыления слоя металла на пластину с проявленным фоторезистом, а при снятии фоторезиста удаляют часть металлического слоя, осевшего на маску.

- инверсионная – для получения профиля изображения с отрицательным наклоном стенок. Получается негативный рисунок на позитивном фоторезисте.

 Основные требования к фотолитографии: высокая разрешающая способность, минимально привносимая дефектность и большая производительность, которые определяются обычно свойствами фоторезистов, параметрами фотолитографического оборудования и чистотой технологических помещений.

 

Скрайбирование .

Скрайбирование - одна из наиболее распространенных лазерных технологий, начавшая активно внедрятся еще с 1970 годов; заключается в нанесении на поверхность пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях рисок, например алмазным резцом, диском, проволокой или лучом лазера. Под рисками образуются напряженные области, по которым после приложения к пластине механического воздействия происходит ломка пластины.

Лазерное скрайбрирование пластин из различных материалов (кремний, сапфир, ситалл, поликор, керамика, стекло, арсенид галлия, тонкопленочные элементы) выполняется для последующего разделения пластины на отдельные элементы по заданному контуру. Процесс осуществляется путем нанесения на поверхность сплошной канавки или прошивки близкорасположенных отверстий. Ширина риски (канавки) при этом может составлять от 20 мкм.

Лазерное скрайбирование обеспечивает целый ряд преимуществ:

- значительно большая точность обработки и разделения пластин на отдельные элементы

- отсутствие микротрещин и сколов, остаточных напряжений - за счет отсутствия механического контакта с режущим инструментом

- отсутствие износа режущего инструмента

- возможность получения надрезов с ровными и чистыми краями без загрязнения микросхем отходами резки

- малая область воздействия и минимальная зона термического влияния

- возможность нанесения более глубоких, по сравнению с механическими методами, надрезов, без приложения усилий к разделяемому материалу.

- экологичность процесса

- 100% повторяемость