Разработка автомата герметизации транзисторов



Рис.1.12 Виды рельефа свариваемых поверхностей корпусов:а, б *-- полый, в, г -- сплошной

Рис.1.13 Способы увеличения контактного сопротивления касанием фланца ножки:а-наклонным фланцем баллона, б-торцом баллона,1,3-верхний и нижний электроды,2-баллон,4-ножка.

Контактную сварку по контуру на конденсаторных машинах по тепловому воздействию на корпус можно отнести к разряду низкотемпературных. Длительность сварочного импульса при этой сварке настолько мала (20--80 мс), что выделяемая теплота не успевает распространиться в глубь тела корпуса, а преимущественно отводится в электроды, которые обычно выполняют из меди или медных сплавов с высокой теплопроводностью.

К достоинствам контактной сварки по контуру на конденсаторных машинах относятся: точная дозировка энергий; хорошая воспроизводимость процесса; слабый общий нагрев свариваемых изделий вследствие кратковременности процесса сварки и резко выраженной локализации нагрева свариваемых металлов, что особенно важно при герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем, для которых общий нагрев корпуса не допускается выше рабочей температуры прибора.

Герметизация достигается правильно выбранным режимом и строгим соблюдением технологического процесса. Необходимый режим сварки может быть подобран регулированием емкости конденсаторов, коэффициента трансформации сварочного трансформатора и усилия сжатия электродов. Суммарная толщина отбортовки корпусов без рельефа должна быть от 0,4 до 0,8 мм. Правильный выбор материала электродов и оптимальной площади электродного контакта также важно для качества сварного соединения. Для герметизации корпусов контактной конденсаторной сваркой по контуру в отечественной промышленности применяют несколько моделей одно- и многопозиционных сварочных машин (табл. 14).

Наиболее ответственными элементами в конденсаторных сварочных машинах являются электроды, которые должны обладать высокой электро- и теплопроводностью при достаточной твердости и износостойкости. Форма и размеры контактных поверхностей электродов должны обеспечивать надежный подвод электрической энергии и передачу давления к свариваемым деталям корпусов.

Электроды для контактной конденсаторной сварки могут быть комбинированными и некомбинированными (рис. 1.14, а, б). Основание / комбинированного электрода изготовляют из меди Ml, M2 или МЗ, а рабочую часть (наконечник 2) -- из сплава эльконайт ВМ (20--30% Си и 70--80% W). Для обеспечения минимального теплового сопротивления комбинированного электрода наконечник припаян к основанию серебряными припоями.



Рис.1.14 Электроды и фиксатор для ¦; контактной сварки: а -- комбинированные, б -- не-комбинированные; -- основание, 2 -- наконечник, 3 -- фиксатор

Материалом некомбинированных электродов служит бронза марок БрБ2, БрХБ или специальные сплавы, обладающие повышенной стойкостью (например, НБТ, представляющий собой сплав меди, никеля, бериллия и титана). Для повышения механической прочности бронзу термически обрабатывают (закаливают и отпускают) и она приобретает свойства, необходимые электродным материалам, при этом превосходит эльконайт по электро- и теплопроводности и лишь незначительно уступает ему в твердости. Твердость рабочих поверхностей электродов должна быть не ниже НВ 240, а чистота этих поверхностей -- не ниже 7--10-го класса, при этом на поверхности не допускаются забоины, вмятины, заусенцы и другие дефекты.

Номинальные размеры рабочих частей электродов, предназначенных для герметизации корпусов, определяются сопрягаемыми размерами свариваемых деталей.

Материалом фиксаторов 3 для центровки электродов (рис. 1.14) служит латунь ЛС59-1. Детали корпуса полупроводниковых приборов и микросхем, подлежащие сварке, целесообразнее изготовлять из материалов в сочетаниях, приведенных ниже.

Чистота поверхности свариваемых деталей должна быть не ниже 5-го класса. На свариваемых поверхностях, не допускается трещин, расслоения, раковин, глубоких рисок, выходящих за пределы половины допуска на толщину материала деталей. Лучшее качество сварки получается на деталях корпусов, предварительно покрытых тонким слоем -никеля (3--9 мкм) химическим или гальваническим способом. Детали из никеля и нержавеющей стали применяют без покрытия. Поверхность свариваемых деталей должна быть чистой и обезжиренной без загрязнений и следов коррозии.

I Технология герметизации контурной контактной сваркой I заключается в подборе режима сварки, сборке деталей корпусов вместе с электродами в специальное приспособление (рис. 1.15), которое служит для строгой центровки сварочных электродов и самого процесса сварки. После сварки и снятия усилия сжатия приборы освобождают из приспособления и помещают в тару.

При каждой смене электродов, в начале работы и после определенного (экспериментально устанавливаемого) количества сварок следует проверять их внешний вид и параллельность по отпечатку. Чтобы получить отпечаток, складывают вдвое копировальную бумагу, внутри которой помещают кусок белой бумаги. Сложенную бумагу кладут между электродами в приспособление для сварки и нажимают кнопку сварочной машины, создавая тем самым давление, затем вынимают бумагу и проверяют на ней качество отпечатка. Он должен быть равномерным, четким и замкнутым но псом у кругу. В этом случае считается, что электроды установлены параллельно и пригодны для работы.



Рис. 1.15.Сварочное приспособление для герметизации корпусов контурной контактной сваркой:

1 -- наконечник, 2, Я -- верхний и нижний электроды, 3, 9 -- верхняя и нижняя втулки, 4 -- стакан, 5 -- наружная обойми, 6--герметизируемый корпус, 7 -- распорная втулка, 10 -- пружина,11--кольцо, 12 -- штифт

Внешний вид свариваемых деталей проверяют с помощью лупы. Прожоги, выплески, непровары, наплывы металла и смещение свариваемых деталей, приводящие к отклонению от размеров, не допускаются. Основные виды дефектов при герметизации приборов контактной сваркой и способы их устранения приведены в табл. 15.

Шовная (роликовая) сварка применяется для герметизации прямоугольных корпусов интегральных микросхем. По природе она близка к точечной сварке, поскольку в ней из отдельных точек образуется сварочный шов, необходимый для обеспечения герметичности корпуса. Обычно ток подается в виде импульсов, паузы между которыми можно регулировать, изменяя расстояние между точками. Для герметичности шва точки должны перекрывать одна другую. При шовной сварке для соединения деталей корпусов используют вращающиеся ролики, к которым подведен сварочный ток и приложено давление сжатия. Ролик можно рассматривать в качестве электрода с распределенным рабочим участком.:

Цикл герметизации состоит из следующих операций. Корпус микросхемы 3 с предварительно прихваченной крышкой укладывают в гнездо поворотного столика 4 каретки (рис. 10). При прохождении столика каретки под вращающимися роликами 2 происходит сварка двух сторон корпуса микросхемы 3. По достижении кареткой крайнего положения столик с корпусом микросхемы поворачивается на 90°, а ролики раздвигаются на необходимую величину. Каретка движется в противоположном направлении, и при прохождении столика микросхемой под роликами происходит сварка остальных двух сторон герметизируемого корпуса.

Основными параметрами режима являются мощность источника питания, длительность сварочного импульса, скорость сварки, скважность режима сварки.

Выходная мощность источника питания в импульсе , где b -- ширина поверхности контакта деталей; -- эффективный кпд (для шовной сварки обычно 0,5); длительность сварочного импульса где -- время, по истечении которого начинается интенсивное испарение, приводящее к выплескам и негерметичности; скорость сварки V=bf/(k + 1), где b/(k + 1) -- шаг точек; k -- коэффициент перекрытия сварной точки (обычно 0,5--0,66); / -- частота следования импульсов.

Для герметизации корпусов интегральных микросхем контактной шовной сваркой применяют различные сварочные машины. Наиболее распространены полуавтоматические сварочные машины ПГРС-1М, ПГРС-2 и полуавтомат 10СС900-007, позволяющие герметизировать плоские металлостеклянные и металлокерамические корпуса с выводами, расположенными как параллельно, так и перпендикулярно плоскости основания.



Рис.1.16.Схема герметизаций корпусов роликовой сваркой: а -- схема, б -- варианты включения сварочных роликов,1-каретка, 2-сварочный ролик, 3-микросхема, 4--поворотный столик с посадочным гнездом для микросхемы.

Для увеличения производительности машин шовной сварки целесообразно разделять процесс герметизации на две операции: сборку основания и крышки с предварительной приваркой (прихваткой) их на специальных приспособлениях и непосредственно шовную сварку.

1.3.3 Герметизация сваркой плавлением

С развитием производства интегральных микросхем и новых типов полупроводниковых приборов все чаще применяют способы герметизации сваркой плавлением кромок соединяемых деталей (рис. 108). Это объясняется особенностями конструкции ряда широко распространенных корпусов микросхем -- боковым расположением выводов и наличием стеклоизолятора или керамического изолятора непосредственно под зоной герметизации или вблизи ее, что делает герметизацию сваркой давлением практически невозможной, а при герметизации пайкой требуется нагрев всей микросхемы (температура плавления припоя для герметизации обычно лишь на несколько градусов ниже, чем у припоев, применяемых для напайки компонентов и подложек).

Наиболее распространены следующие способы герметизации сваркой плавлением: аргонно-дуговая, микроплазменная, электронно-лучевая и лазерная.

а) аргонно-дуговая

Рис.1.17 Типовая конструкция корпуса, герметизируемого аргонно-дуговой сваркой: -- крышка, 2 -- основание корпуса, 3 -- сварочный шов

Эта сварка является одним из видов электродуговой сварки, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. В зону дуги подается защитная струя аргона, которая, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования. Герметизация происходит при расплавлении кромок свариваемых деталей корпуса с образованием сварочной ванны и последующего процесса кристаллизации металла шва. В полупроводниковой промышленности для герметизации корпусов применяется аргонно-дуговая сварка неплавящимся электродом (эти электроды служат только для возбуждения и поддержания горения дуги). Ее используют для герметизации металло-стеклянных корпусов со штырьковыми выводами, периметр сварки которых превышает 50 мм, а суммарная толщина кромок отбортовки составляет 0,2--0,6 мм.

Основное преимущество аргонно-дуговой сварки -- возможность Применения местного нагрева деталей корпуса, а недостаток ее -- повышенные требования к точности изготовления оснастки и совмещения свариваемых деталей, а также чувствительность к отклонениям рабочих параметров дуги, т. е. нестабильность ее горения.

Рассмотрим технологический процесс герметизации корпусов аргонно-дуговой сваркой (рис. 1.18). Детали корпусов собирают в кассеты 4 и, предварительно проверяя (внешним осмотром) чистоту поверхности свариваемых кромок, устанавливают на столе (планшайбе) сварочной установки. Конец электрода 5 помещают относительно свариваемых кромок на расстоянии длины дуги. В качестве неплавящегося электрода используют прутки вольфрама, содержащие 1,5--2% тория. Диаметр электрода для импульсного режима зависит от сварочного тока. Конец электрода должен быть заточен на конус с углом от 15 до 30°. К торцовой поверхности свариваемых кромок электрод следует располагать под углом 70°.

Для предупреждения блуждания сварочной дуги по поверхности герметизируемого корпуса используют весьма малые диаметры электродов и очень короткую (до 0,6--0,7 мм) дугу, при этом для получения стабильной глубины проплавления металла допускаемое отклонение длины дуги не должно превышать ±0,1 мм.

Рис.1.18 Схема герметизации корпусов аргонно-дуговой сваркой: 3 -- теплоотводы крышки и основания, 2 -- микросхема, 4 -- корпус кассеты, 5 -- электрод, 6 -- сопло горелки

Основными параметрами технологического режима аргонно-дуговой сварки являются: сварочный ток, скорость сварки, длина дуги, давление защитного газа в рабочей камере.

Сварочный ток и скорость сварки подбирают в зависимости от свариваемых металлов и толщины кромок. Давление защитного газа в сварочной камере должно быть 0,2-10 Па. Передвигая горелку 6 с электродом 5 вдоль кассеты с собранными микросхемами 2, осуществляют сварку в установленном режиме. Перекрытие шва происходит на длине 10--25% от его периметра с плавным снижением тока до минимального.

Кроме технологических режимов, важное значение для качества сварочного соединения имеет подбор материалов, из которых изготовляют детали корпусов. Например, если основание сделано из сплава 29НК, крышку следует изготовлять из сплава 29НК или нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Контроль сварного соединения осуществляется внешним осмотром и проверкой герметичности. Сварные швы должны иметь гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей их длине без видимых дефектов (непроваров, подрезов, пор, трещин, незаплавленных кратеров).

Основные дефекты, обнаруженные при контроле швов сварных соединений, причины их возникновения и способы устранения приведены в табл. 16.

Для герметизации интегральных микросхем аргонно-дуговой сваркой разработан ряд установок (техническая характеристика их приведена в табл. 17), обеспечивающих сварку в наполненных защитным газом камерах в импульсном или непрерывном режиме.

Разновидностью аргонно-дуговой сварки является микроплазменная, применяемая для герметизации корпусов с малой толщиной. Для сварки этим способом используется сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразованием (рис. ПО). Плазменная сварка не имеет тех недостатков, которые присущи аргонно-дуговой: сравнительно большого активного пятна и нестабильности при малых токах.

Плазменная дуга характеризуется высокими скоростями потока плазмы и температурой столба. Для получения дуговой плазменной струи используют специальные плазменные головки, или плазмотроны, в которых имеется неплавящийся вольфрамовый электрод, изолированный от канала и сопла, при этом анодом обычно служит герметизируемое изделие



Рис.1.19 Схема герметизации корпусов микроплазменной дугой: 1 -- электрод, 2 -- плазмообра-зующий газ, 3 -- корпус горелки, 4 -- защитный газ. 5 -- тепло-отвод, 6 -- свариваемые кромки корпуса

Газовая среда в плазмотроне выполняет следующие функции: защищает от окисления и охлаждает вольфрамовый электрод и сопло; обеспечивает получение стабильной плазменной струи с необходимой температурой и скоростью, а также максимальную теплопередачу к герметизируемому изделию.

Газы разделяются на плазмообразующие и защитные. В качестве плазмообразующего газа при микроплазменной сварке обычно используют смесь Аг -- Не или Аг -- Н2, а в качестве защитного -- аргон.

б) герметизация электронно-лучевой сваркой

Сварка электронным лучом по сравнению с другими видами имеет выгодные особенности -- точное регулирование и управление тепловой энергией, локальный нагрев, высокая чистота при сварке благодаря наличию вакуума, которые позволяют успешно применять ее для герметизации микросхем.

Сущность герметизации электронно-лучевой сваркой состоит в формировании непрерывного сварного шва по всему контуру корпуса за счет перекрывающихся сварных точек, образующихся в результате воздействия нагрева до температуры плавления сфокусированного электронного луча на отбортовку вращающегося корпуса (крышки и основания). Нагрев электронным лучом осуществляется вследствие превращения кинетической энергии ускоренных электронов в тепловую при торможении в свариваемых металлических деталях.

В отличие от обычных широко применяемых источников теплоты, производящих нагрев теплопередачи через поверхности металла, высвобождение энергии при электроннолучевой сварке происходит в самом веществе, причем наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на некоторой глубине (порядка 1 мкм), поэтому тепловой источник можно считать поверхностным.

Герметизацию электронно-лучевой сваркой можно выполнять в непрерывном и импульсном режимах, но предпочтительнее в импульсном, так как возможна герметизация с малой зоной термического влияния.

Основными параметрами технологического процесса являются: ускоряющее напряжение, диаметр электронного луча, скорость сварки, длительность и частота следования импульсов (для импульсного режима).

При герметизации корпусов электронно-лучевой сваркой суммарная толщина отбортовки под сварку должна быть 0,4--0,8 мм, необходимая глубина проплавления, обеспечивающая герметичность корпуса,--0,5--0,8 мм, а степень перекрытия сварных точек --50--60% от их диаметра (она определяется их размером и шагом).



Рис.1.20.Электронно-лучевая установка:

1 -- высоковольтный трансформатор, 2 -- выпрямитель, 3 -- электронная пушка, 4 -- катод, S -- анод, 6 -- электромагнитная фокусирующая линза, 7 -- отклоняющая система, 8 -- корпус полупроводникового прибора, 9 -- ходовой винт, 10, 11 -- форвакуумный и диффузионный насосы, 12 -- электродвигатель привода столика, 13 -- столик. 14 -- рабочая камера. 15 -- электронный пучок

Шаг S = V/Tц,

где К --скорость сварки, Тц -- время цикла.

Сварные швы, полученные данным способом, имеют гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей длине. Основным дефектом швов могут быть непровары, образующиеся из-за увеличения зазора между свариваемыми кромками, смещения линии стыка кромок относительно оси луча, несоблюдения технологических режимов.

Способ герметизации электронным лучом применяется реже из-за сложности конструкции установок по сравнению с другими способами, обеспечивающими качественную герметизацию.

Схема установки для герметизации электронным лучом (рис. 111) включает катодный узел 4, фокусирующую линзу 6, размещенную соосно с катодом, анод 5 с отверстием на пути следования луча. Расстояние между катодом и анодом составляет 10--15 см.

Прикатодный фокусирующий электрод и анод 5 имеют форму, обеспечивающую такую конфигурацию электрического поля, которая формирует электроны в узкий пучок (электростатическая фокусировка). Отрицательный потенциал катода 4 обычно составляет от 20 до 200 кВ. Прерывание и регулировка тока луча осуществляются подачей высокого напряжения (около 3 кВ) на прикатодный электрод. Электроды после выхода из анода 5 фокусируются с помощью линзы 6: Сфокусированный электронный пучок 15 направляется на кромки деталей герметизируемых корпусов 8 с помощью отклоняющей системы 7. Для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и микросхем применяют установки с различными техническими характеристиками

в) герметизация лазерной сваркой

Сущность герметизации лазерной сваркой состоит в совместном оплавлении соединяемых материалов под действием интенсивного светового потока (переводом импульсной световой энергии в тепловую) с образованием шва (рис. 112).

Лазерная технология по сравнению с традиционными способами сварки, применяемыми для герметизации, обладает рядом преимуществ. Основное достоинство лазерного излучения как источника теплоты при сварке -- возможность концентрации сравнительно больших энергий на малых поверхностях в короткие промежутки времени, т. е. высокая локальность процесса нагрева. В результате этого можно сваривать металл в непосредственной близости от металло-стеклянных или металлокерамических спаев, проводить герметизацию практически без термического влияния на элементы и компоненты микросхем и структуры полупроводниковых приборов. Как уже указывалось ранее, к преимуществам способа относится возможность легкого фокусирования излучения обычными оптическими системами. Для работы лазерной установки не требуется создания специальных сред (вакуум, защитная атмосфера), а лазерное излучение может проникать сквозь оптически прозрачные вещества (стекло, кварц).

Для герметизации корпусов применяют шовную лазерную сварку, выполняемую как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы лазера, тогда как точечная сварка чаще всего используется при приварке выводов и пайке тонких деталей.

Рис.1.21 Схема герметизации корпусов лазерной сваркой: 1 -- оптическая система, 2 -- свариваемые детали, 3 -- лампа накачки, 4 -- активный элемент

Основными параметрами режима лазерной сварки являются энергия лазерного излучения в импульсе или мощность лазерного излучения, длительность лазерного импульса, диаметр луча, частота следования импульсов и скорость сварки, которые обусловливают обобщенный энергетический параметр -- интенсивность излучения в фокальном пятне:

,

где ,-- энергия лазерного излучения; --диаметр луча; -- длительность лазерного импульса.

Для каждой пары соединяемых металлов существует предельное значение интенсивности излучения в фокальном пятне, выше которого сварка будет сопровождаться значительным испарением металла из зоны нагрева или выплеском части расплавленного металла. Оптимальные условия сварки большинства сочетаний металлов (температура на границе сварочной ванны равна температуре плавления, а в центральной области меньше или равна температуре кипения) обеспечиваются интенсивностью 10s--106 Вт/см2.,

Управление интенсивностью излучения в фокальном пятне осуществляется тремя способами: изменением длительности воздействия излучения на материал, изменением выходной энергии, изменением площади фокального пятна.

Для получения вакуумно-плотного шва при сварке в импульсном режиме степень перекрытия сварных точек должна составлять 50--80% от диаметра сварной точки. Она зависит от их диаметра и шага. Шаг

,

где -- скорость сварки; -- время цикла; -- частота следования импульсов.

Для примера рассмотрим технологический процесс герметизации миниатюрного диода в круглом металлокерамическом корпусе. Он состоит из подготовки к сборке свариваемых деталей и загрузке их в специальное приспособление, обеспечивающее стабильное положение деталей относительно лазерного луча, собственно лазерной сварки и проверки качества сварного шва.

Свариваемые кромки корпуса не должны иметь заусенцев, раковин, царапин, трещин, следов припоя, жировых пятен и других загрязнений, препятствующих получению качественного соединения. Зазор между свариваемыми элементами в зоне сварки должен быть минимальным (не превышать 10--25% от меньшей толщины свариваемых кромок). Он обеспечивается с помощью прижимов при сжатии свариваемых кромок в сварочном приспособлении или предварительной приваркой деталей в одной или двух точках.

После установки режима сфокусированный лазерный луч направляется на свариваемые кромки корпуса и крышки. Круглый корпус диода вращается вокруг оси, перпендикулярной оси луча. Все точки периметра корпуса последовательно проходят под лучом на одинаковом расстоянии.

Внешний вид сварных соединений проверяют осмотром через лупу. При этом не должно быть прожогов, непроваров, выплесков, свищей и пор. Механическая прочность соединения должна быть не менее 0,8 предела прочности свариваемых металлов.

Недостатками герметизации лазерной сваркой являются незначительная глубина проплавления соединения металлов при средних мощностях излучения, выплески испаряемого металла при использовании мощных лазеров, значительные потери энергии лазерного пучка при сварке металлов, обладающих высокими коэффициентами отражения.

Из различных типов оптических квантовых генераторов для герметизации лазерной сваркой используют те, которые могут обеспечить непрерывный и импульсный (с достаточной частотой) режимы работы и сравнительно большую мощность. К ним относят твердотельные на алюмоиттриевом гранате с неодимом и газовые, активная среда которых состоит из смеси диоксида углерода, азота и гелия.



Рис. 1.22.Схема полуавтоматической двухлучевой установки Квант-17.

1--призма полного отражения,2-объектив,3-кассета,4-корпус микросхемы,5-сферическое зеркало,6-активныйэлемент,7-лампа накачки,8-источник питания

Схема специализированной полуавтоматической двухлучевой установки Квант-17 показана на рис, 113. Она предназначена для герметизации одновременной сваркой с двух сторон корпусов микросхем размерами от 10 до 40 мм. Для этого в установке имеются два активных элемента 6, которые расположены соосно и помещены в отдельные камеры с импульсными лампами накачки, подключенными к общему источнику питания 8 последовательно для обеспечения одинаковых излучений, и резонатор, состоящий из двух сферических зеркал 5. С помощью призм полного внутреннего отражения и объективов 2 лазерные лучи с двух сторон направляются на сварочные кромки корпуса 4 микросхемы и фокусируются на них.

Для укладки герметизируемых микросхем служит многоместная кассета 3, которая после сварки двух параллельных сторон корпуса автоматически перемещается с заданной скоростью и поворачивается на 90° для герметизации двух других сторон.

Техническая характеристика установок для герметизации лазерной сваркой приведена в табл. 19.

1.3.4 Герметизация пайкой

Герметизация пайкой первоначально была широко распространена в производстве полупроводниковых приборов, но новые способы герметизации постепенно вытеснили ее, хотя некоторые типы приборов продолжают герметизировать пайкой (маломощные диоды в металлостеклянном корпусе с охватывающим спаем, некоторые конструкции микросхем в плоских металлостеклянных и металлокерамических корпусах).

Сущность процесса герметизации пайкой заключается в соединении металлических или металлизированных поверхностей деталей корпусов с помощью припоя, который при температуре пайки смачивает паяемые поверхности, заполняет капиллярный зазор между ними и, кристаллизуясь, связывает их в монолитную герметическую конструкцию. Активация соединяемых поверхностей в этом случае осуществляется действием флюса. При бесфлюсовых способах пайки роль флюса выполняет газовая среда или специальные компоненты припоя. Прочность соединения, как правило, равна прочности припоя.

К преимуществу герметизации пайкой относят отсутствие значительных давлений и специального инструмента (электроды для сварки), а к недостаткам -- необходимость нагрева всего прибора до значительной температуры (200--350°С) и вредное влияние флюса (остатки флюсов, которые не могут быть полностью удалены, попадая на полупроводниковые структуры, ухудшают стабильность электрических параметров), необходимость работы в атмосфере водорода или дорогостоящего инертного газа, критичность режимов пайки, особенно при герметизации микросхем с наличием юлота на соединяемых деталях.



Рис.1.23 Закладные детали различной формы

1 -- припойные детали с просеченными отверстиями, 2 -- детали с припобным покрытие

В полупроводниковой промышленности применяют в основном два вида герметизации низкотемпературной пайкой: в конвейерных печах и струей горячего газа на специальных установках.

Выбор припоев для герметизации ограничен, так как при проведении этого процесса должны сохраняться все ранее полученные соединения. Обычно используют оловянносвинцовые припои, особенно ПОС-61 и ПСр-2,5. Состав и свойства припоев, используемых для герметизации, приведены в табл. 20.

Широкое применение получили припои в виде закладных деталей (рис. 114), представляющие собой выпускаемые в больших количествах детали одной и той же массы. В зависимости от способа пайки они могут быть офлюсованы, т. е. предварительно покрыты слоем флюса.

Использование для пайки закладных деталей позволяет вводить заранее в паяемый узел определенное количество припоя и флюса, в результате чего получают однородные соединения. В качестве примера рассмотрим герметизацию пайкой в конвейерной печи маломощных диодов в металлостеклянном корпусе и струей горячего газа микросхем в плоском металлокерамическом корпусе. Как указывалось ранее, конвейерные печи просты и надежны по конструкции, обладают достаточно равномерным распределением температуры в рабочем объеме. Рабочий канал печи, выполненный из жаростойких сталей, представляет собой прямонакальный нагреватель.

Движущаяся лента с определенной скоростью проходит непрерывно через печь. Она перемещает загруженные кассеты, установленные с одного конца трубы. Для предохранения паяемых деталей корпусов и припоя от окисления в процессе нагрева рабочее пространство печи заполняют чистым и сухим инертным газом, который выбирают в зависимости от паяемых деталей корпусов и припоя (обычно это азот).

Технологический процесс герметизацией пайкой включает подготовку деталей корпусов к пайке, непосредственно пайку и контроль загерметизированных изделий.

Как указывалось ранее, необходимым условием качественной пайки является тщательная очистка (обезжиривание в различных растворителях) паяемых поверхностей. Для лучшего смачивания паяемых поверхностей припоем используют предварительное золочение их, лужение и другие покрытия.

Пайка осуществляется нагревом в печи собранных в кассеты деталей с заранее вложенным припоем, покрытым флюсом. При этом следует правильно выбирать конструкцию кассеты (рис. 115), которая должна обеспечивать в процессе пайки взаимное расположение деталей с необходимой точностью и определенное давление для контакта, паяемых поверхностей. При загрузке кассеты сначала загружают шайбу 7 припоя в гнездо кассеты 6, затем металлостеклянный баллон 4, держатель 5, далее шайбу припоя в I пробку 2 кассеты, вывод 3 в пробку со стороны шайбы при-I поя, устанавливают загруженную пробку в направляющее I- отверстие кассеты и опускают вывод в верхнее отверстие I баллона до прижима к алюминиевому электроду кристалла, а шайбу -- на торец баллона.

Кассеты обычно выполняют из чистого графита или дру-1 того жаростойкого материала (нержавеющей стали), который не загрязняет арматуру и гарантирует фиксацию деталей относительно друг друга.

Весь узел подогревается в печи до температуры пайки замедленно, поэтому большое значение имеет скорость, с которой подводится теплота. Температура печи должна обеспечить расплавление припоя и перегрев его на 50--60°С В выше точки плавления при определенном времени выдержки. При нагреве припойная шайба расплавляется и образует припойный конус, соединяющий выводы и держатели с облуженными коваровыми втулками.

После пайки детали охлаждают в холодильной камере. При этом не допускается относительное смещение деталей корпусов, поэтому кассеты с арматурой в печи необходимо перемещать медленно.

Способ пайки в конвейерной печи обеспечивает высокое качество паяных соединений.

Преимуществами способа герметизации низкотемпературной пайкой в конвейерной печи являются: отсутствие окисления поверхностей деталей и припоя при нагреве; уменьшение деформации узлов благодаря равномерности их нагрева и жесткости кассет; отсутствие пережогов, коробления, наплывов припоя, требующих зачистки; возможность сборки приборов или микросхем с несколькими паяемыми выводами.

При незначительных объемах выпускаемой продукции целесообразно применять пайку струей горячего газа. Этот способ заключается в нагреве паяемых деталей и расплавлении припоя направленным потоком воздуха или инертного газа (азот, аргон), температура и расход которого тщательно регулируются.

Схема герметизации плоских металлостеклянных и металлокерамических корпусов струей горячего газа показана на рис. 116. Основание микросхем укладывают в одноместную кассету. На основание помещают припойную рамку, покрытую флюсом, и крышку корпуса, которую с помощью приспособления 4 прижимают к основанию, при этом усилие прижима Q =pS, где р--удельная нагрузка (для припоя ПСр-2,5 она составляет 100--200, а для ПОС-61--5-- 10 г/см2); S--площадь крышки.

Кассета в фиксированном положении устанавливается под струю инертного газа 2, который предварительно пропускается через специальные нагреватели, где нагревается до необходимой температуры. В момент установки кассеты начинается автоматический отсчет времени пайки. Под действием струи инертного газа припой плавится и смачивает поверхность (обычно золоченую) основания и крышки, при этом между ними образуется ровная галтель припоя. По истечении определенного времени из-под нагревателя выдвигают кассету и вынимают загерметизированную микросхему, которую охлаждают.

Анализ микроструктуры паяных швов показывает, что они в основном имеют однородную монолитную структуру и плотный контакт с поверхностью крышки и основания корпуса.

Пайка струей горячего газа обладает многими достоинствами. Инертная среда, применяемая при данном способе, предотвращает окисление деталей при высокой температуре пайки. Ход процесса определяется температурой пайки, расходом газа и временем выдержки. Эти параметры легко поддерживаются в заданных пределах, что позволяет получать надежные паяные соединения. Оборудование просто и удобно в эксплуатации.

Рис;.1.24 Схема пайки горячим воздухом или газом: 1 -- нагреватель, 2 -- горячий газ, 3 -- герметизируемая микросхема в сборе перед пайкой, 4 -- приспособление для прижима крышки к корпусу

1.4 Оборудование для герметизации изделий электронной техники

Для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и ИМС применяются установки со следующими техническими характеристиками:

Скорость до 500 мм/с

Емкость загрузки -10 схем,

Производительность до 120 корпусов в час.

Для герметизации изделий методом холодной сварки используется полуавтомат ИО 20.007, который состоит из скафандра, стола, карусели, гидросистемы и электрического блока. Скафандр служит для создания микроклимата при сварке и закрывается оргстеклом

Для герметизации изделий методом пайки с применением флюса используют очень простое оборудование. Оно состоит состоит из скафандра с обеспыленной средой и нагревательным элементом внутри скафандра с регулируемой температурой. Потребляемая мощность при этом не более 1 кВт, производительность сборки и герметизации (одновременно)- 200-300 шт/ч

При контактно-рельефной сварке используют конденсаторные машины, которые имеют малую мощность, поэтому область их применения ограничивается сваркой деталей толщиной до 0.5-0.7 мм из цветных и черных металлов и времени разряда батареи конденсатора от десятков микросекунд до долей миллисекунды.

В настоящее время операции монтажа кристаллов и присоединение выводов выполняется на автоматическом роботизированном оборудовании. Рассмотрим некоторые виды установок.

Автоматы монтажа кристаллов ЭМ-4085А предназначены для присоединения кристаллов интегральных микросхем к корпусам полупроводниковых приборов. Микропроцессорный контроллер осуществляет управление автоматами. Автоматы оснащенным оптикотелевизионной системой автоматического поиска немаркированных кристаллов, а также устройством автомеханической загрузки рамочного носителя с полупроводниковыми пластинами, разделенными на кристаллы. Многомагазинный механизм автоматической подачи корпусов ИС позволяет, не останавливая автоматы, загружать их кассетами с приборами, что обеспечивает непрерывность работы в течении длительного времени. Автоматы оснащены системой диагностики, упрощающей поиск и устранение неисправностей. Имеется встраивания в гибкую производственную систему

Исполнение автоматов зависит от типа обрабатываемого корпуса и метода присоединения ЭМ-4085А (-1;-2).

Технические характеристики ЭМ-40854А

Производительность кристалл/ч

ЭМ-4085А 2000

ЭМ-4085Ф-1 1000

ЭМ-4085-2…..600

Размеры присоединяемых кристаллов:

При захвате с адгезионного носителя с распознаванием годных кристаллов:

ЭМ-4085А, ЭМ-4085-1

ЭМ-4085А-2

При захвате из многоразрядной кассеты без распознования кристаллов до

Максимальный диаметр обрабатываемых пластин 125мм

Автомат присоединения выводов ЭМ-4160 предназначен для автоматического присоединения проволочных выводов из золота к металлизированным контактным площадкам и выводам корпуса интегральных и полупроводниковых приборов методом термозвуковой сварки.

Линейный трехкоординатный шаговый двигатель (привод) для перемещения сварочной головки позволяет увеличить производительность и надежность работы автомата, т.к. все перемещения осуществляются на воздушных подушках. Наличие датчика касания обеспечивает возможность автоматического определения оптимального уровня сварки. Определение положения контактных площадок кристалла производится автоматически.

Технические хаорактеристики ЭМ-4160

Производительность 5000 присоед/ч

Время цикла на выполнение одной перемычки 0.14с

Диаметр присоединяемых выводов 25-40мкм

Погрешность присоединяемых выводов мм

Температура нагрева (регулируемая) 100…400

Рабочая частота ультрозвукового генератора кГц

Установка присоединения выводов ЭМ-42160 предназначена для присоединения аллюминевых выводов увеличенного диаметра к контактным площадкам гибридных интегральных микросхем методом ультрозвуковой сварки. Установкой управляют вручную. Обеспечена возможность присоединения разнообразных по длине, диаметру, уровнем сварки и количество стяжков перемычек.

Технические характеристики ЭМ-4210

Производительность 2000 сварок/ч

Усиление сжатия соединяемых элементов 2…12 Н

Мощность ультрозвукового импульса УЗГ 4…40Вт

Рабочая частота УЗГ кГц

Длительность сварочного импульса 0.01…1с

Диаметр присоединяемых выводов (проволока) 0.125…0.5мм

Однако операции наклейки крышек до сих пор выполняются с использованием ручных приспособлений и малой производительностью, требуя применения большого количества установок и увеличивая себестоимость полевых транзисторов. Поэтому поставлена задача повышения уровня выхода годных и увеличения производительности.

2. Назначение и работа автомата герметизации транзисторов

2.1 Назначение и техническая характеристика установки

Установка предназначена для напрессовки клея на крышку полевых-транзисторов. Установка обеспечивает напрессовку порошкообразного клея на ободок круглой крышки. При этом, при ручной загрузке крышек в направляющую нагревателя, производиться автоматическая загрузка крышек в гнездо карусели, напрессовка клея на крышку и выгрузка готовой крышки с клеевым пояском во фторопластовую кассету.

Установка моет применяться автономно и в составе линии.

Установка изготовлена в и полнении УХЛ категории 4.1 по ГОСТ 15150-89 и предназначена для работы в помещениях класса чистоты 100.000 с допускаемой концентрацией аэрозолей для производственных помещений -350 ч/л размером 0.5 мкм и более, при температуре от 20 до 25 и точности поддержания температуры , при относительной влажности () по ОСТ 11050.067-82.

Питание установки от трехфазной с нулевым проводом сети переменного тока напряжением ()В, частоты () Гц. Нормы качества электрической энергии, по ГОСТ 13109-67.

Установка обеспечивает работу при подаче сжатого воздуха класса 2 по ГОСТ 17433-80 под давлением 0.4-0.6 МПа (4-6 ), осушенного воздуха класса 2 по ГОСТ 11.050.003-83 под давлением 0.1-0.2МПа (1-2 ), подводе вакуума разрешением не менее 380 мм.рт.ст.

Для эксплуатации установка должнпа быть подключена к системе вытяжной вентиляции с расходом воздуха не менее 100 .

Фундамент для монтажа установки не требуеться.

Габаритные размеры установки не более:

Длина-1120мм

Ширина-840мм

Высота-1400мм

Масса установки не более 200 кг.

Производительность установки (КР) отмечены параметры, которые являются критериями работоспособности установки.

Время цикла напрессовки (перевод карусели плюс выстой) (КР) регулируется от 2 до 4 секунд.

Температура нагрева поверхности нагревателя (КР) -(100…200 ).

Допускаемое отклонение температуры рабочей поверхности нагревателя от номинального значения (КР) не более .

Время выхода нагревателя на режим (КР) не более …30 с.

Контроль и регулирование температуры (КР) нагревателя - автоматическое с помощью прибора контроля и регулирования ПРТА-550 в тумбе стола.

Количество одновременно напрессовываемых крышек - 1 шт.

Способ напрессовки - от пневмоцилиндра на позиции напрессовки 4-х позиционной карусели, с предварительным подогревом крышки.

Усилие напрессовки (КР)…300…400 кГс.

Количество загружаемого клеевого порошка в бункер не менее …50 (до для 1000 крышек) и не более…60 .

Количество операторов…1 чел.

Освещение рабочей зоны - местное не менее 1000 лк в соответствии с пунктом 181 “Отраслевые нориы и скусственног освещения предприятий электронной промышленности” Н-743-73.

Уровень шумов в зоне обслуживания не более 75 дБ со средней частотой 1000 Гц.

Максимальная электрическая мощность потребляемая установкой не более …1.2 кВт.

Расход сжатого воздуха, подаваемого в установку, не более. .

Расход сжатого воздуха, подаваемого в установку, не более. .

Время непрерывной работы установки в нормальном режиме не менее …8ч.

Наработка на отказ при доверительной вероятности 0.8 не менее …180ч.

Коэффициэнт готовности не менее …0.9

Среднее время восстановления не более …1ч.

Срок службы до списания не менее…5 лет.

2.2 Описание установки напрессовки клея на крышку полевого транзистора

В основе работы установки лежит принцип напрессовки дозированного порошкового клея на подогретую крышку. Установка состоит из стола, который является несущей частью установки и имеет скафандр с вытяжной системой и встроенный светильник в верхней части скафандра. Под плиней стола закреплен привод с электродвигателем. С приводом соединяется через мальтийский механизм карусель, закрепленная на валу, проходящей через плиту стола. Карусель имеет четыре позиции. Вокруг карусели на плите стола распологаются основные механизмы установки:

-механизм загрузки порошка;

-механизм загрузки крышек;

-пневмоцилиндр;

-механизм выгрузки крышек.

На плите стола закрепляется и направляющая с нагревателем. В глубине скафандра на плите стола свободно без закрепления устанавливается блок пневматический, имеющий штуцера для подвода вакуума, сжатого воздуха и осушенного воздуха, выходящего через заднюю стенку скафандра. В левой части стола размещается тумба с электрооборудованием. На плите стола справа от оператора на подставке закреплен пульт управления. Все механизмы установки имеют отдельный привод от своих двигателей и каждый механизм снабжен разъемом.

Перечень исполнительных механизмов установки и функциональное назначение:

а) двигатель ПЛ-062 привода карусели (М1)

б) двигатель РД-09 привод механизма загрузки порошка (М2);

в) шаговой двигатель механизма выгрузки крышек, служащий для перемещения вакуумной присоски вниз-вверх (для забора крышки) (ШД1);

г)шаговый двигатель механизма выгрузки крышек, служащий для поворота вала с присоской на в вертикальной плоскости (ШД2);

д) электропневматический клапан, служащий для подачи сжатого воздуха в цилиндр напрессовки (ЭК1);

е) электропневматический клапан, служащий для подвода вакуума к присоске в момент захвата и удержании крышки (ЭК2);

ш) электропневматический клапан, служащий для подачи сжатого воздуха в цилиндр механизма загрузки крышек (ЭК3);

з) электромагнит отсекателя, служащий для поштучной выдачи крышек из нагревателя направляющей в механизм загрузки крышек (С1).

Перечень датчиков, место установки, их условное обозначение и функциональное назначение:

а) индуктивный датчик в приводе карусели, служит для управления исполнительными механизмами установки ЭК1, ЭК3, С1 и М1 (Д1)

б) фотодатчик на валу ШД1, информирует что присоска находиться в верхнем положении и служит датчиком оборота ШД1, выключая его через оджин оборот (ФД2);

в) фотодатчик на валу ШД2, служит датчиком 1/2 оборота вала с присоской в вертикальной плоскости (ФД3);

г)фотодатчик на валу с присоской служит, служит датчиком оборота присоски на , т.е. датчиком исходного положения присоски при ее повороте (ФД4);

д) дтчик вакуума, фотодатчик информирующий о захвате крышки присоской механизма выгрузки (Д5);

е)индуктивный датчик в механизме загрузки, датчик положения положения штока пневмоцилиндра загрузки над гнездом карусели (Д6);

ж) индуктивный датчик в механизме загрузки, датчик исходного пололжения штока пневмоцилиндра загрузки (Д7);

з) индуктивный датчик, датчик верхнего полрожния штока пневмоцилиндра напрессовки (Д8);

и) фотодатчик на валу ШД1 механизма выгрузки крышек, информирует,что присоска находится в нижнем положении (ФД9);

к) индуктивный датчик в приводе карусели, информирует о нахождении карусели в процессе выстоя (Д10)

2.3 Устройство и работа установки

Привод соединяется клиноременной передачей с электродвигателем постоянного тока ПЛ-062 (М1). Привод используется для передачи вращения на карусель и управление процессом дозировки порошка в гнездо карусели во время ее выстоя. Привод имеет встроенную предохранительную муфту, соединяемую со втулкой, сидящей на валу червячного колеса четырмя фиксаторами. Предварительный момент может измениться регулировкой пружины фиксаторов, на выходном валу привода закреплен кривошип привода мальтийского креста кулачок для перемещения центрального стержня в гнезде карусели в процессе ее выстоя. В приводе имеются два индуктивных датчика. Для управления работой датчика служат диски.

Карусель имеет четыре гнезда в матрице. В гнезде размещается пуансон внутри которого имеется подпружиненный стержень соединенный с сердечником. Пуансон может перемещаться в отверстии матрицы. В нормальном положении верхний торец стержня находиться одной плоскости с верхней плоскостью матрицы. В сердечнике закрепляется палец. Во время выстоя карусели стержень с сердечником имеют возможность перемещаться вверх толкателя, воздействующим на палец. Толкатель перемещается от кулачка привода. В нижней части пуансона во втулке закрепляется ролик, который в процессе вращения карусели бежит по неподвижному контуру.

На позиции загрузки порошка в гнездо карусели верхний торец пуансона заглублен относительно верхней плоскости матрицы на 1-1.5 мм. Размер заглубления регулируется вращением втулки. Карусель сидит на одном валу с мальтийским крестом и вместе с ним получает периодическое вращение от кривошипа привода. При перемещении гнезда с позиции напрессовки на позицию выгрузки пуансона через ролик от копира перемещается вверх, выталкивая из гнезда крышку с напрессованным кольцом.

Механизм загрузки порошка имеет автономный привод от электродвигателя РД-09 (М2), включаемый и выключаемый кнопкой с пульта управления. Механизм загрузки порошка имеет бункер, в который загружается клеевой порошок. Нижняя часть бункера открыта снизу и скользит по верхней поверхности матрицы карусели при ее вращении, прижимаясь к ней пружиной. Загрузка порошка в кольцевой зазор происходит следующим образом. В начале высота карусели на позиции загрузки порошка стержень в гнезде карусели вместе с сердечником через палец толкателем от кулачка поджимается вверх. Бункер с порошком все время вращается вокруг стержня. Затем стержень опускается вниз вместе с сердечником под воздействием пружины в пуанчсоне при опускапни толкателя. Опускаясь, стержень увлекает за собой порошок в кольцевой зазор в матрице гнезда карусели. Внутри бункера механизма загрузки порошка происходит кольцевой прижим, который через рычаг соединен с тягой связанной с толкателем и отжимается пружинами вниз при опускании толкателя вниз, тяга через рычаг перемещает вниз кольцевой прижим внутри буркепра с порошком. При этом при вращении мбункера и воздействии кольцевого прижима происходит затирание порошкав кольцевой зазор в матрице карусели. Подъем кольцевого прижима осуществляется от кулачка толкателем через тягу рычаг.

.Направляющая служит для подогрева крышек и поштучной выдачи их в механизм загрузки крышек. В направляющую вмонтирован спиральный нагреаватель. Температура нагрева направляющей . Для контроля в правой части направляющей установлена термопара. Для поштучной выдачи крышек служит отсекатель с приводом от электромагнита. Отсекатель установлен на выходе из направляющей в правой ее части. Крышки приборов в направляющую устанавливаются вручную в левой холодной ее части и под наклоном скатываются под собственным весом по пазу нагретой направляющей к отсекателю, который по команде датчика Д7 механизма загрузки и осуществляет выдачу очередной крышки в этот механизм. Время нагрева крышек 30 секунд.

Механизм загрузки представляет собой вибробункер от куда крышки поступают по направляющей в гнездо карусели. На одном валу с каруселью находится механизм с пазами.В момент подачи крышки в гнездо карусели этот паз находится на одном уровне с гнездом

Основным механизмом напрессовки является силовой пневмоцилиндр одностороннего действия с управлением от электропневматического клапана ЭК1. Пневмоцилиндр имеет два поршня, которые работают параллельно. Сжатый воздух в полости к этим поршнем поступает от одного клапана ЭК1. Пневмоцилиндр имеет два поршня, которые работают параллельно. Сжатый воздух в полости к этим поршням поступает от одного клапана ЭК1 через тройник. В механизме имеется датчик верхнего положения штока пневмоцилиндра. Пневмоцилиндр закрепляется на стойке, пололжение которой1 на плите регулируется упором. Плита имеет пазы для регулировки в поперечном направлении, так что шток пневмоцилидра выставляется соосно с гнездом карусели. На штоке пневмоцилиндра закрепляется обрезиненный прижим, который в процессе напрессовки давит на крышку прибора, сидящую в гнезде карускли. На штоке пневмоцилиндра закрепляется также зажим, в котором зажимается фиксатор с размыкателем. Размыкателем при верхнем положении штока пневмоцилиндра замыкает датчик. Фиксатор служит для более точной фиксации карусели на позиции выстоя. При этом при ходе штока певмоцилиндра вниз вначале фиксатор заходит в фиксирующее отверстие карусели и только затем к крышке прибора подходит прижим. В зажиме также закрепляется подпружиненный прижим, который при ходе штока пневмоцилиндра вниз тоже опускается на мкрышкуприбора, но на позиции загрузки крышек, и фиксирует крышки в гнездо карусели, несколько вдавливая в него.

Напрессовка клея производится на крышку прибора, лежащую ободком вниз на клеевом кольце в гнезде карусели. При этом прижим давит сверху на крышку прибора, а снизу пуансон прижимает порошковое кольцо к ободку крышки. Пуансон при этом опирается через ролик на неподвижный копир.

Механизм загрузки крышек находится на противоположной стороне карусели. Механизм выгрузки крышек имеет вакуумную подпружиненную присоску, вращающегося корпуса. Вращающейся корпус имеет сбионированный с ним кулачок и зубчатое колесо. Присоска имеет возможность вертикально перемещаться во втулке вала от кулачка, к которому прижимается ролик, сидящей на присоске. Для предотвращения разворота на присоске имеется другой ролик, который перемещается по пазу фланца вала при вертикальном перемещении присоски. Корпус вращается в подшибниках от шестерни, сидящей на валу шагового двигателя ШД1. Полый вал приводится во вращение от шагового двигателя ШД2 шестерней, находящейся в зацеплениис зубчатым колесом, закрепленным на валу. Вакуум на присоску подается через штуцер и полость в корпусе, соединяющейся с центральной полость вала. В месте соединения ала и полости корпуса имеются уплотнения. На фланце вала закрепляется сбрасыватель. На валу ШД1 имеется диск с прорезью, который вращается в пазах фотодатчиков ФД2 и ФД9. На валу шагового двигателя ШД2 имеется диск управления работой фотодатчика ФД3. На валу закрепляется диск для управления работой фотодатчика ФД4. вакуум на присоске включается электропневматическим клапаном ЭК2. Для контроля вакуума и забора крышки присоской в механизме имеется датчик вакуума Д5 со встроенным фотодатчиком.