Выпуск #5/2015
Е.Борисов, С. Чигиринский, В. Мейлицев
Групповая пайка. Технология компании SST
Групповая пайка. Технология компании SST
Просмотры: 976
Описано оборудование компании SST для монтажа и герметизации компонентов методом групповой пайки. Основное внимание уделено оснастке, изготавливаемой компанией из уникального графита, разработанного ею для космической отрасли.
Теги: carbon component mounting gang bonding tools getter package sealing герметизация корпусов геттер графит монтаж компонентов оснастка для групповой пайки
Пайка как технология монтажа
Как известно, пайка используется не только как способ создания электрического контакта, но и как сборочная технология для монтажа изделий: при установке в корпус кристаллов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) (рис.1а) и т. п., корпусированных устройств и схем на подложках (рис.1б, 1в) – в конструктив модуля, при соединении металла со стеклом в вакуумной технике, производстве предохранителей (рис.1г) и т. д. Кроме того, пайка – один из методов герметизации корпусов электронных компонентов и модулей (рис.1д).
Требования, предъявляемые к оборудованию для таких процессов, в основном одинаковые, но для разных классов изделий акценты могут расставляться по-разному. Так, при сборке силовых устройств первостепенное значение имеет теплоотвод, для чего нужен максимально полный и качественный контакт подложки, на которой собрана схема, с металлическим корпусом устройства. То же самое относится, например, к оптоволоконным передатчикам – они нагреваются, и тепло должно быть передано на корпус, с которого оно рассеется в атмосферу. При сборке модулей с МЭМС-компонентами очень важно позиционирование: акселерометр или гироскоп должны быть сориентированы внутри корпуса абсолютно точно, так как это влияет на достоверность данных, которые они будут вырабатывать в собранной системе. При герметизации совершенно обязательно, чтобы соединение получилось сплошным, достаточно и равномерно прочным. Из вышесказанного вытекают фундаментальные требования к оборудованию, на котором производятся перечисленные работы. Оно должно обеспечивать:
отсутствие пустот в объеме паяного соединения (рис.2а);
смачивание припоем всех поверхностей, на которых он должен быть (рис.2б);
точное позиционирование элементов собираемых устройств.
Первые два требования являются составляющими элементами понятия качества паяного соединения; их выполнение обеспечивается в основном машинами, в которых реализуется процесс пайки. Третье относится к механическому аспекту сборки и зависит преимущественно от оснастки, в этом процессе участвующей.
Для получения высокого качества пайки существует ряд методов. Пустоты в паяном соединении устраняются варьированием давления газовой среды, в которой производится процесс: пайка в вакууме и пайка под давлением. В корпус компонента укладывается преформа припоя, на нее устанавливается кристалл (если речь идет о герметизации, на преформу укладывается крышка, а сама она имеет вид рамки, накладываемой на верхний периметр стенок корпуса). При пайке в вакууме, когда припой начинает оплавляться, в герметичной камере печи создается разрежение, в которое устремляется воздух из полостей, возникших в припое. При пайке под давлением все происходит аналогично, только в момент оплавления припоя в камере создается избыточное давление инертного газа, выдавливающего воздух из пустот или как минимум уменьшающее их объем.
Припой не обязательно должен иметь вид твердой преформы, которая обычно устанавливается пинцетом, механическим или вакуумным. В случае сложного топологического рисунка – например, если пайка производится на керамическую подложку или печатную плату, – это может быть паяльная паста, наносимая любым способом: дозатором, трафаретной печатью, каплеструйным принтером.
Неполное покрытие припоем контактной поверхности (что, в числе прочих дефектов, приводит и к образованию пустот в соединении) может происходить в результате ее окисления и появления органических загрязнений. Для устранения причин таких дефектов существует ряд способов. Один из них, широко применяемый еще со времен "доавтоматической эпохи" электромонтажных технологий, – использование флюса как средства для улучшения смачиваемости контактных поверхностей. Однако этот метод имеет недостатки. Фрагменты флюса, оставшиеся в паяном соединении, сами становятся загрязнением. Более того, при пайке кристаллов флюс может закипеть, и капли, попав на кристалл, сделают собранный компонент негодным. Это приводит к тому, что в рассматриваемых нами процессах флюс можно использовать далеко не всегда.
Другой способ, более безопасный, – активация поверхностей при помощи газообразных агентов. Обычно таковыми являются формер-газ и муравьиная кислота. Формер-газ – это азото-водородная смесь, содержащая, как правило, порядка 5% водорода, который и играет роль активного вещества. Пары муравьиной кислоты при повышенной температуре диссоциируют с образованием того же водорода. Водород, воздействуя на металлизированные поверхности, увеличивает их адгезионные свойства, способствуя тем самым сплошному и равномерному покрытию их припоем.
Вопрос позиционирования и фиксации элементов собираемых устройств следует рассмотреть более подробно, так как именно в оснастке состоит главное "ноу-хау", использованное компанией SST International в линейке оборудования для групповой пайки при корпусировании и герметизации электронных компонентов и устройств.
Материал оснастки – графит
И нагреватели, и фиксирующая оснастка, поставляемая компанией SST International, выполняются из графита. С химической точки зрения графит – вполне определенное вещество, углерод. В физике различают целый ряд его форм с различными свойствами, зависящими от взаиморасположения слоев кристаллической решетки. Тем более велико разнообразие свойств технических графитов, на которые влияют еще и чистота материала, цели, для которых он производится и т. д.
Компания SST International имеет многолетний опыт работы с графитом. Тот материал, из которого она изготавливает оснастку для групповой пайки, изначально создан для космической промышленности. Он подвергается специальной обработке, его состав и технологию производства компания держит в секрете, так как это – одно из ее важных конкурентных преимуществ.
Почему инженеры SST International выбрали именно графит, а специалисты "Остек-ЭК" его рекомендуют?
Этот материал имеет малый удельный вес и прекрасную теплопроводность, он хорошо излучает и поглощает излучение инфракрасного диапазона. Графит нагревается при пропускании электрического тока, при этом он выдерживает температуру до 2000 °С, не деградирует в условиях циклического нагревания и охлаждения, устойчив к термоударам и имеет малый коэффициент теплового расширения (КТР). Графит легок в механической обработке, к нему не прилипает припой, а материал, производимый компанией SST International, ко всему прочему, не выделяет газов при нагревании.
Понятно, что такой набор свойств дает возможность изготавливать из графита и нагреватели, и оснастку, в которую устанавливаются собираемые изделия; в необходимых случаях можно совмещать обе функции в одной детали. Оснастка из графита работает и как конструкция для позиционирования элементов изделия, и как теплопровод, обеспечивающий их максимально равномерный нагрев.
Конечно, у графита есть и недостатки. Он чувствителен к водяному пару и кислороду, при температуре 260°С на его поверхности образуются окись углерода и углекислый газ, которые испаряются, унося с собой углерод, в результате чего толщина детали, изготовленной из графита, уменьшается. Графит хрупок, а при постоянной сборке-разборке оснастки истирается, образуя пыль и мелкие частицы. Наконец, при использовании графита как резистивного нагревателя требуется мощный источник питания и кабели с жилами большого сечения.
Последняя проблема решается просто: вместе с печью компания поставляет необходимые трансформаторы и комплекты кабелей. Для исключения контакта нагретых частей с атмосферой, содержащей кислород и водяной пар, достаточно просто не открывать крышку камеры раньше, чем оснастка охладится до приемлемых значений. Реализуется это ограничение при разработке температурного профиля пайки. Что касается хрупкости, то специалисты не ограничиваются советом привлекать для изготовления оснастки опытных фрезеровщиков, а для манипулирования в цеху – аккуратных операторов. На случай поломки они выдвигают аргумент, который звучит достаточно убедительно: при равной мощности ламповый нагреватель в несколько раз дороже, чем графитовый.
Наконец, пыль и частицы. Компания предлагает радикальный выход: по договоренности с заказчиком она может произвести покрытие графитовых деталей тонким слоем металла. Но, если такой вариант по каким-либо причинам не подходит, то решить вопрос можно проще: оснастку можно отмыть. Все, что для этого необходимо – та или иная отмывочная машина, деионизированная вода, сушильный шкаф с подачей азота, – обычно есть на любом монтажном производстве; а методика предоставляется компанией, и она довольно проста.
Пример № 1: пайка компонентов при установке в корпус
Общая идея понятна из рис.3, на котором показан монтаж пассивных компонентов в корпус типа CQFP с выводной рамкой (рис.3а). Задача – припаять компоненты в точно заданных местах и строго выдержанной ориентации. При расплавлении припоя компонент может как-то повернуться, что всегда нежелательно. Если же при последующей разварке выводов будет использована автоматическая система с блоком технического зрения, то такой дефект становится уже просто критичным.
Для фиксации в нужном положении по чертежам корпуса компонента и чертежам устанавливаемых в него элементов изготавливаются графитовые вкладки с вырезами, соответствующими форме элементов (рис.3б). Вкладки послойно (на данном фото – два слоя) укладываются внутри рамки, в их вырезах размещаются преформы припоя, на них ставятся компоненты – сборка готова для отправки в печь. Благодаря малому КТР графита неподвижность элементов в процессе пайки гарантирована.
На рис.4 представлена сборка комплекта изделий в оснастке для групповой пайки. Изделие в данном случае – арсенид-галлиевый кристалл и три керамических подложки, припаянные к общему основанию. Требуемая конфигурация составных частей показана на рис.4а; на рис.4б – элементы, уложенные в ячейку плиты-основания и зафиксированные графитовыми вставками. Кристалл накрыт накладкой; это делается в тех случаях, когда нужно прижать кристалл к подложке для более надежной фиксации, а также для уменьшения пустот в паяном соединении. Разумеется, повреждение кристалла недопустимо, поэтому накладка имеет выступы-ножки, опирающиеся на свободные от топологического рисунка края кристалла.
Таким образом организуется позиционирование элементов изделия в каждой из ячеек графитовой плиты-основания для групповой пайки (рис.4в). Стоит обратить внимание на продольные пазы, отфрезерованные на дне каждой ячейки – они облегчают операции установки и извлечения компонентов.
Полная картина подготовки мультисборки перед размещением ее в печи показана на примере пайки одиночного арсенид-галлиевого кристалла на коваровую подложку. Сборка элементов изделия и оснастки в отдельной ячейке плиты-основания показана на рис.5. Подложка укладывается на дно углубления, сделанного в плите (рис.5а). Сверху на нее устанавливается вставка с вырезом по форме кристалла (рис.5б), и в этот вырез укладывается преформа припоя (рис.5в). Кристалл помещается в вырез (рис.5г) и прикрывается сверху накладкой (рис.5д, на фото накладка частично сколота для лучшего отображения сути процесса).
На рис.6 показана завершающая фаза подготовки. Плита-основание с ячейками накрыта верхней плитой-теплопроводом, обеспечивающей максимально равномерный прогрев изделий (рис.6а). В ней проделаны отверстия для стержней, выполняющих роль грузов – тех самых, ради которых мы накрывали кристалл накладкой; к ним мы еще вернемся ниже. Отверстия размещены таким образом, чтобы каждый из стержней нажимал на определенное место той накладки, для нагружения которой предназначен. На фото отверстия имеют разный диаметр, потому что в данном случае оснастка изготовлена для одновременной пайки компонентов нескольких типов, требующих разного усилия прижатия. Вид такой "многотиповой" плиты-основания показан на рис.6б. Наконец, на рис.7 показан вид собранного компонента: арсенид-галлиевый кристалл на коваровой подложке.
Пример № 2: герметизация корпусов
Суть процесса очевидна: бездефектно припаять к корпусу керамическую крышку. Участники процесса "со стороны изделия" – корпус, преформа припоя и крышка. С точки зрения оснастки эта задача в большинстве случаев более проста, чем предыдущая: обычно, кроме обязательных нижней и верхней плит, нужна всего одна вкладка-рамка.
В плите-основании фрезеруется гнездо по форме корпуса (рис.8а), он помещается в гнездо (рис.8б). Оснастка в данном случае имеет вид рамки (рис.8в), внутренний периметр которой соответствует размерам крышки; рамка устанавливается в гнездо поверх корпуса (рис.8г). Внутрь рамки, на верхнюю стенку корпуса, кладут преформу припоя (рис.8д) и затем – крышку, которая, таким образом, оказывается жестко зафиксированной относительно корпуса (рис.8е).
Групповая пайка крышек на корпуса также производится в "многоместных" платах-основаниях (рис 9а). Собранная же конструкция – об этом мы еще не говорили – состоит из трех плит (рис.9б). В нижней ее части – плита-основание, собранная с плитой-теплопроводом, который в данном случае является одновременно нагревателем. К этому узлу на стойках крепится третья плита, играющая роль кондуктора для стержней-грузиков, которые нужны в этом процессе для прижатия крышек в ходе пайки; на фото установлен только один из них.
Пример № 3: пайка с геттером
Для некоторых компонентов необходим более высокий вакуум, чем тот, который может быть достигнут в вакуумной печи. В таких случаях применяется геттер – вещество, способное поглощать молекулы из среды даже с очень низким давлением. Геттер обычно наносится напылением на крышку, иногда – на стенки корпуса прибора.
Сложность при работе с геттером состоит в том, что он требует активации, как правило, термической, причем нагреть геттер надо до значительно более высокой температуры, чем температура плавления припоя. Активировать геттер надо непосредственно перед герметизацией, то есть в одном цикле работы печи.
Здесь требуется особое техническое решение. Во-первых, во время активации крышки с геттером должны быть достаточно удалены от корпусов с припоем, а по ее окончании они должны быть сближены до полного контакта. Во-вторых, зона высокой температуры на время активации должна быть отделена от объема, в котором находятся подготовленные к пайке корпуса.
Инженеры компании SST International реализовали эти требования следующим образом.
При работе с геттером в плите-основании располагаются не корпуса, а крышки (может быть и по-другому, в зависимости от конструкции компонента). Выкладываются они вверх внутренней стороной, на которую нанесен геттер (рис.10а). Для размещения корпусов предназначена верхняя плита, они помещаются в нее в перевернутом положении – вверх выводами (рис.10б). Плита с корпусами поднята над плитой с крышками (рис.10в) при помощи специальных приводов; над ней монтируется плита-кондуктор для нагружающих стержней и устанавливаются сами стержни (рис.10г) – они должны быть подготовлены, ведь активация и пайка производятся в одном цикле печи. Это – положение оснастки для проведения активации геттера. По окончании активации нижняя плита охлаждается, и после этого приводы сближают плиту-основание и плиту-теплопровод в рабочее положение для пайки (рис.10д).
Для защиты корпусов от высокой температуры в зоне активации геттера между верхней плитой и плитой-основанием выдвигаются заслонки, не пропускающие высокотемпературное инфракрасное излучение. На рис.11а в рабочей камере машины видна плита-основание с гнездами для крышек; на рис.11б она закрыта заслонками, блокирующими ИК-излучение. Вид полностью собранной оснастки, установленной в камеру машины, показан на рис.11в.
Основные модели линейки вакуумных печей SST International
Механизмами перемещения оснастки для обеспечения режима активации оборудованы печи SST модель 3150 (рис.12а), это является одной из основных их характерных особенностей. Помимо этого, данная модель является самой высоковакуумной в линейке SST: газовую среду в ней можно разредить до давления 10–7 торр (торр – внесистемная единица давления, практически равная 1 мм рт. ст.). Можно создать и избыточное давление, но сравнительно небольшое – до 1,2 ат. Модель 3150 отличается сверхточной настройкой величины давления процессного газа, для подачи которого имеет две линии. Размер рабочей зоны 130 × 130 мм, плита-основание одновременно выполняет функции нагревателя, максимальная температура – до 1000°С.
Более бюджетный вариант – модель 3130 (рис.12б). Вакуум, которого можно достичь в ее камере, невысок – до 5 ∙ 10–2 торр, зато избыточное давление можно довести до 5 ат. Рабочая зона ненамного больше, чем у предыдущей модели – 150 × 150 мм, нагреватель так же совмещен с плитой-основанием и может разогревать зону до столь же высокой температуры. Линий процессного газа тоже две, но в дополнение – отдельный модуль подачи паров муравьиной кислоты. Модель оборудована флюсоуловителем. Имеет СЕ-сертификацию.
Наиболее востребованной моделью от SST является 5100 (рис.12в). Эта машина обладает самой большой рабочей зоной – 305 × 305 мм, ее диапазон давлений – от 5 ∙ 10–2 торр до 4 ат. Линий процессного газа у этой модели три, имеется модуль подачи паров муравьиной кислоты и флюсоуловитель.
Важная особенность этой модели – система боковых нагревателей (рис.13а), обеспечивающая равномерность нагрева ±1%. Кроме того, у нее, в отличие от предыдущих типов, горизонтальный нагреватель не совмещен с плитой-основанием. Он выполнен в виде отдельного узла (рис.13б), отнесенного на небольшое расстояние от плиты-основания; нагрев последней происходит за счет ИК-излучения нагревателя.
Модель 5100 наиболее популярна у заказчиков, так как комплекс ее возможностей, как правило, достаточен для выполнения с хорошей производительностью большинства задач по монтажу и герметизации изделий распространенных типов, форм и размеров.
Как работать с SST International?
Для предоставления максимально гибкого выбора путей решения задач заказчика компания SST International и ООО "Остек-ЭК", ее представитель в России и странах СНГ, предлагают несколько вариантов взаимодействия с производителем оборудования. SST International может изготовить по документации заказчика всю необходимую оснастку. Это удобно, но не во всех случаях. Если, например, предстоит производить малыми партиями большую номенклатуру продукции, то можно заказать требуемое количество заготовок для плат-оснований и обрабатывать их под свои изделия на собственном механическом производстве.
Кроме того, компания оказывает услуги по обучению и отработке технологического процесса. Ее лаборатория расположена в Калифорнии, в пригороде Лос-Анжелеса, где представлены все типы ее оборудования, и потенциальный заказчик может привезти свои заготовки и отработать процесс совместно со специалистами производителя. Другой вариант – просто отправить в компанию заготовки и документацию. Инженеры SST International детально отработают режимы пайки и представят отчет, в котором будут отмечены все особенности технологии и тонкости работы с оборудованием применительно к конкретным изделиям заказчика.
В свою очередь, сотрудники Остека, помимо организации поставок оборудования и оснастки, предлагают широкий спектр услуг – от предварительного консультирования при выборе оборудования до наладочных работ на площадке заказчика и помощи в преодолении сложных технических ситуаций в ходе повседневной эксплуатации техники. ⦁
Как известно, пайка используется не только как способ создания электрического контакта, но и как сборочная технология для монтажа изделий: при установке в корпус кристаллов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) (рис.1а) и т. п., корпусированных устройств и схем на подложках (рис.1б, 1в) – в конструктив модуля, при соединении металла со стеклом в вакуумной технике, производстве предохранителей (рис.1г) и т. д. Кроме того, пайка – один из методов герметизации корпусов электронных компонентов и модулей (рис.1д).
Требования, предъявляемые к оборудованию для таких процессов, в основном одинаковые, но для разных классов изделий акценты могут расставляться по-разному. Так, при сборке силовых устройств первостепенное значение имеет теплоотвод, для чего нужен максимально полный и качественный контакт подложки, на которой собрана схема, с металлическим корпусом устройства. То же самое относится, например, к оптоволоконным передатчикам – они нагреваются, и тепло должно быть передано на корпус, с которого оно рассеется в атмосферу. При сборке модулей с МЭМС-компонентами очень важно позиционирование: акселерометр или гироскоп должны быть сориентированы внутри корпуса абсолютно точно, так как это влияет на достоверность данных, которые они будут вырабатывать в собранной системе. При герметизации совершенно обязательно, чтобы соединение получилось сплошным, достаточно и равномерно прочным. Из вышесказанного вытекают фундаментальные требования к оборудованию, на котором производятся перечисленные работы. Оно должно обеспечивать:
отсутствие пустот в объеме паяного соединения (рис.2а);
смачивание припоем всех поверхностей, на которых он должен быть (рис.2б);
точное позиционирование элементов собираемых устройств.
Первые два требования являются составляющими элементами понятия качества паяного соединения; их выполнение обеспечивается в основном машинами, в которых реализуется процесс пайки. Третье относится к механическому аспекту сборки и зависит преимущественно от оснастки, в этом процессе участвующей.
Для получения высокого качества пайки существует ряд методов. Пустоты в паяном соединении устраняются варьированием давления газовой среды, в которой производится процесс: пайка в вакууме и пайка под давлением. В корпус компонента укладывается преформа припоя, на нее устанавливается кристалл (если речь идет о герметизации, на преформу укладывается крышка, а сама она имеет вид рамки, накладываемой на верхний периметр стенок корпуса). При пайке в вакууме, когда припой начинает оплавляться, в герметичной камере печи создается разрежение, в которое устремляется воздух из полостей, возникших в припое. При пайке под давлением все происходит аналогично, только в момент оплавления припоя в камере создается избыточное давление инертного газа, выдавливающего воздух из пустот или как минимум уменьшающее их объем.
Припой не обязательно должен иметь вид твердой преформы, которая обычно устанавливается пинцетом, механическим или вакуумным. В случае сложного топологического рисунка – например, если пайка производится на керамическую подложку или печатную плату, – это может быть паяльная паста, наносимая любым способом: дозатором, трафаретной печатью, каплеструйным принтером.
Неполное покрытие припоем контактной поверхности (что, в числе прочих дефектов, приводит и к образованию пустот в соединении) может происходить в результате ее окисления и появления органических загрязнений. Для устранения причин таких дефектов существует ряд способов. Один из них, широко применяемый еще со времен "доавтоматической эпохи" электромонтажных технологий, – использование флюса как средства для улучшения смачиваемости контактных поверхностей. Однако этот метод имеет недостатки. Фрагменты флюса, оставшиеся в паяном соединении, сами становятся загрязнением. Более того, при пайке кристаллов флюс может закипеть, и капли, попав на кристалл, сделают собранный компонент негодным. Это приводит к тому, что в рассматриваемых нами процессах флюс можно использовать далеко не всегда.
Другой способ, более безопасный, – активация поверхностей при помощи газообразных агентов. Обычно таковыми являются формер-газ и муравьиная кислота. Формер-газ – это азото-водородная смесь, содержащая, как правило, порядка 5% водорода, который и играет роль активного вещества. Пары муравьиной кислоты при повышенной температуре диссоциируют с образованием того же водорода. Водород, воздействуя на металлизированные поверхности, увеличивает их адгезионные свойства, способствуя тем самым сплошному и равномерному покрытию их припоем.
Вопрос позиционирования и фиксации элементов собираемых устройств следует рассмотреть более подробно, так как именно в оснастке состоит главное "ноу-хау", использованное компанией SST International в линейке оборудования для групповой пайки при корпусировании и герметизации электронных компонентов и устройств.
Материал оснастки – графит
И нагреватели, и фиксирующая оснастка, поставляемая компанией SST International, выполняются из графита. С химической точки зрения графит – вполне определенное вещество, углерод. В физике различают целый ряд его форм с различными свойствами, зависящими от взаиморасположения слоев кристаллической решетки. Тем более велико разнообразие свойств технических графитов, на которые влияют еще и чистота материала, цели, для которых он производится и т. д.
Компания SST International имеет многолетний опыт работы с графитом. Тот материал, из которого она изготавливает оснастку для групповой пайки, изначально создан для космической промышленности. Он подвергается специальной обработке, его состав и технологию производства компания держит в секрете, так как это – одно из ее важных конкурентных преимуществ.
Почему инженеры SST International выбрали именно графит, а специалисты "Остек-ЭК" его рекомендуют?
Этот материал имеет малый удельный вес и прекрасную теплопроводность, он хорошо излучает и поглощает излучение инфракрасного диапазона. Графит нагревается при пропускании электрического тока, при этом он выдерживает температуру до 2000 °С, не деградирует в условиях циклического нагревания и охлаждения, устойчив к термоударам и имеет малый коэффициент теплового расширения (КТР). Графит легок в механической обработке, к нему не прилипает припой, а материал, производимый компанией SST International, ко всему прочему, не выделяет газов при нагревании.
Понятно, что такой набор свойств дает возможность изготавливать из графита и нагреватели, и оснастку, в которую устанавливаются собираемые изделия; в необходимых случаях можно совмещать обе функции в одной детали. Оснастка из графита работает и как конструкция для позиционирования элементов изделия, и как теплопровод, обеспечивающий их максимально равномерный нагрев.
Конечно, у графита есть и недостатки. Он чувствителен к водяному пару и кислороду, при температуре 260°С на его поверхности образуются окись углерода и углекислый газ, которые испаряются, унося с собой углерод, в результате чего толщина детали, изготовленной из графита, уменьшается. Графит хрупок, а при постоянной сборке-разборке оснастки истирается, образуя пыль и мелкие частицы. Наконец, при использовании графита как резистивного нагревателя требуется мощный источник питания и кабели с жилами большого сечения.
Последняя проблема решается просто: вместе с печью компания поставляет необходимые трансформаторы и комплекты кабелей. Для исключения контакта нагретых частей с атмосферой, содержащей кислород и водяной пар, достаточно просто не открывать крышку камеры раньше, чем оснастка охладится до приемлемых значений. Реализуется это ограничение при разработке температурного профиля пайки. Что касается хрупкости, то специалисты не ограничиваются советом привлекать для изготовления оснастки опытных фрезеровщиков, а для манипулирования в цеху – аккуратных операторов. На случай поломки они выдвигают аргумент, который звучит достаточно убедительно: при равной мощности ламповый нагреватель в несколько раз дороже, чем графитовый.
Наконец, пыль и частицы. Компания предлагает радикальный выход: по договоренности с заказчиком она может произвести покрытие графитовых деталей тонким слоем металла. Но, если такой вариант по каким-либо причинам не подходит, то решить вопрос можно проще: оснастку можно отмыть. Все, что для этого необходимо – та или иная отмывочная машина, деионизированная вода, сушильный шкаф с подачей азота, – обычно есть на любом монтажном производстве; а методика предоставляется компанией, и она довольно проста.
Пример № 1: пайка компонентов при установке в корпус
Общая идея понятна из рис.3, на котором показан монтаж пассивных компонентов в корпус типа CQFP с выводной рамкой (рис.3а). Задача – припаять компоненты в точно заданных местах и строго выдержанной ориентации. При расплавлении припоя компонент может как-то повернуться, что всегда нежелательно. Если же при последующей разварке выводов будет использована автоматическая система с блоком технического зрения, то такой дефект становится уже просто критичным.
Для фиксации в нужном положении по чертежам корпуса компонента и чертежам устанавливаемых в него элементов изготавливаются графитовые вкладки с вырезами, соответствующими форме элементов (рис.3б). Вкладки послойно (на данном фото – два слоя) укладываются внутри рамки, в их вырезах размещаются преформы припоя, на них ставятся компоненты – сборка готова для отправки в печь. Благодаря малому КТР графита неподвижность элементов в процессе пайки гарантирована.
На рис.4 представлена сборка комплекта изделий в оснастке для групповой пайки. Изделие в данном случае – арсенид-галлиевый кристалл и три керамических подложки, припаянные к общему основанию. Требуемая конфигурация составных частей показана на рис.4а; на рис.4б – элементы, уложенные в ячейку плиты-основания и зафиксированные графитовыми вставками. Кристалл накрыт накладкой; это делается в тех случаях, когда нужно прижать кристалл к подложке для более надежной фиксации, а также для уменьшения пустот в паяном соединении. Разумеется, повреждение кристалла недопустимо, поэтому накладка имеет выступы-ножки, опирающиеся на свободные от топологического рисунка края кристалла.
Таким образом организуется позиционирование элементов изделия в каждой из ячеек графитовой плиты-основания для групповой пайки (рис.4в). Стоит обратить внимание на продольные пазы, отфрезерованные на дне каждой ячейки – они облегчают операции установки и извлечения компонентов.
Полная картина подготовки мультисборки перед размещением ее в печи показана на примере пайки одиночного арсенид-галлиевого кристалла на коваровую подложку. Сборка элементов изделия и оснастки в отдельной ячейке плиты-основания показана на рис.5. Подложка укладывается на дно углубления, сделанного в плите (рис.5а). Сверху на нее устанавливается вставка с вырезом по форме кристалла (рис.5б), и в этот вырез укладывается преформа припоя (рис.5в). Кристалл помещается в вырез (рис.5г) и прикрывается сверху накладкой (рис.5д, на фото накладка частично сколота для лучшего отображения сути процесса).
На рис.6 показана завершающая фаза подготовки. Плита-основание с ячейками накрыта верхней плитой-теплопроводом, обеспечивающей максимально равномерный прогрев изделий (рис.6а). В ней проделаны отверстия для стержней, выполняющих роль грузов – тех самых, ради которых мы накрывали кристалл накладкой; к ним мы еще вернемся ниже. Отверстия размещены таким образом, чтобы каждый из стержней нажимал на определенное место той накладки, для нагружения которой предназначен. На фото отверстия имеют разный диаметр, потому что в данном случае оснастка изготовлена для одновременной пайки компонентов нескольких типов, требующих разного усилия прижатия. Вид такой "многотиповой" плиты-основания показан на рис.6б. Наконец, на рис.7 показан вид собранного компонента: арсенид-галлиевый кристалл на коваровой подложке.
Пример № 2: герметизация корпусов
Суть процесса очевидна: бездефектно припаять к корпусу керамическую крышку. Участники процесса "со стороны изделия" – корпус, преформа припоя и крышка. С точки зрения оснастки эта задача в большинстве случаев более проста, чем предыдущая: обычно, кроме обязательных нижней и верхней плит, нужна всего одна вкладка-рамка.
В плите-основании фрезеруется гнездо по форме корпуса (рис.8а), он помещается в гнездо (рис.8б). Оснастка в данном случае имеет вид рамки (рис.8в), внутренний периметр которой соответствует размерам крышки; рамка устанавливается в гнездо поверх корпуса (рис.8г). Внутрь рамки, на верхнюю стенку корпуса, кладут преформу припоя (рис.8д) и затем – крышку, которая, таким образом, оказывается жестко зафиксированной относительно корпуса (рис.8е).
Групповая пайка крышек на корпуса также производится в "многоместных" платах-основаниях (рис 9а). Собранная же конструкция – об этом мы еще не говорили – состоит из трех плит (рис.9б). В нижней ее части – плита-основание, собранная с плитой-теплопроводом, который в данном случае является одновременно нагревателем. К этому узлу на стойках крепится третья плита, играющая роль кондуктора для стержней-грузиков, которые нужны в этом процессе для прижатия крышек в ходе пайки; на фото установлен только один из них.
Пример № 3: пайка с геттером
Для некоторых компонентов необходим более высокий вакуум, чем тот, который может быть достигнут в вакуумной печи. В таких случаях применяется геттер – вещество, способное поглощать молекулы из среды даже с очень низким давлением. Геттер обычно наносится напылением на крышку, иногда – на стенки корпуса прибора.
Сложность при работе с геттером состоит в том, что он требует активации, как правило, термической, причем нагреть геттер надо до значительно более высокой температуры, чем температура плавления припоя. Активировать геттер надо непосредственно перед герметизацией, то есть в одном цикле работы печи.
Здесь требуется особое техническое решение. Во-первых, во время активации крышки с геттером должны быть достаточно удалены от корпусов с припоем, а по ее окончании они должны быть сближены до полного контакта. Во-вторых, зона высокой температуры на время активации должна быть отделена от объема, в котором находятся подготовленные к пайке корпуса.
Инженеры компании SST International реализовали эти требования следующим образом.
При работе с геттером в плите-основании располагаются не корпуса, а крышки (может быть и по-другому, в зависимости от конструкции компонента). Выкладываются они вверх внутренней стороной, на которую нанесен геттер (рис.10а). Для размещения корпусов предназначена верхняя плита, они помещаются в нее в перевернутом положении – вверх выводами (рис.10б). Плита с корпусами поднята над плитой с крышками (рис.10в) при помощи специальных приводов; над ней монтируется плита-кондуктор для нагружающих стержней и устанавливаются сами стержни (рис.10г) – они должны быть подготовлены, ведь активация и пайка производятся в одном цикле печи. Это – положение оснастки для проведения активации геттера. По окончании активации нижняя плита охлаждается, и после этого приводы сближают плиту-основание и плиту-теплопровод в рабочее положение для пайки (рис.10д).
Для защиты корпусов от высокой температуры в зоне активации геттера между верхней плитой и плитой-основанием выдвигаются заслонки, не пропускающие высокотемпературное инфракрасное излучение. На рис.11а в рабочей камере машины видна плита-основание с гнездами для крышек; на рис.11б она закрыта заслонками, блокирующими ИК-излучение. Вид полностью собранной оснастки, установленной в камеру машины, показан на рис.11в.
Основные модели линейки вакуумных печей SST International
Механизмами перемещения оснастки для обеспечения режима активации оборудованы печи SST модель 3150 (рис.12а), это является одной из основных их характерных особенностей. Помимо этого, данная модель является самой высоковакуумной в линейке SST: газовую среду в ней можно разредить до давления 10–7 торр (торр – внесистемная единица давления, практически равная 1 мм рт. ст.). Можно создать и избыточное давление, но сравнительно небольшое – до 1,2 ат. Модель 3150 отличается сверхточной настройкой величины давления процессного газа, для подачи которого имеет две линии. Размер рабочей зоны 130 × 130 мм, плита-основание одновременно выполняет функции нагревателя, максимальная температура – до 1000°С.
Более бюджетный вариант – модель 3130 (рис.12б). Вакуум, которого можно достичь в ее камере, невысок – до 5 ∙ 10–2 торр, зато избыточное давление можно довести до 5 ат. Рабочая зона ненамного больше, чем у предыдущей модели – 150 × 150 мм, нагреватель так же совмещен с плитой-основанием и может разогревать зону до столь же высокой температуры. Линий процессного газа тоже две, но в дополнение – отдельный модуль подачи паров муравьиной кислоты. Модель оборудована флюсоуловителем. Имеет СЕ-сертификацию.
Наиболее востребованной моделью от SST является 5100 (рис.12в). Эта машина обладает самой большой рабочей зоной – 305 × 305 мм, ее диапазон давлений – от 5 ∙ 10–2 торр до 4 ат. Линий процессного газа у этой модели три, имеется модуль подачи паров муравьиной кислоты и флюсоуловитель.
Важная особенность этой модели – система боковых нагревателей (рис.13а), обеспечивающая равномерность нагрева ±1%. Кроме того, у нее, в отличие от предыдущих типов, горизонтальный нагреватель не совмещен с плитой-основанием. Он выполнен в виде отдельного узла (рис.13б), отнесенного на небольшое расстояние от плиты-основания; нагрев последней происходит за счет ИК-излучения нагревателя.
Модель 5100 наиболее популярна у заказчиков, так как комплекс ее возможностей, как правило, достаточен для выполнения с хорошей производительностью большинства задач по монтажу и герметизации изделий распространенных типов, форм и размеров.
Как работать с SST International?
Для предоставления максимально гибкого выбора путей решения задач заказчика компания SST International и ООО "Остек-ЭК", ее представитель в России и странах СНГ, предлагают несколько вариантов взаимодействия с производителем оборудования. SST International может изготовить по документации заказчика всю необходимую оснастку. Это удобно, но не во всех случаях. Если, например, предстоит производить малыми партиями большую номенклатуру продукции, то можно заказать требуемое количество заготовок для плат-оснований и обрабатывать их под свои изделия на собственном механическом производстве.
Кроме того, компания оказывает услуги по обучению и отработке технологического процесса. Ее лаборатория расположена в Калифорнии, в пригороде Лос-Анжелеса, где представлены все типы ее оборудования, и потенциальный заказчик может привезти свои заготовки и отработать процесс совместно со специалистами производителя. Другой вариант – просто отправить в компанию заготовки и документацию. Инженеры SST International детально отработают режимы пайки и представят отчет, в котором будут отмечены все особенности технологии и тонкости работы с оборудованием применительно к конкретным изделиям заказчика.
В свою очередь, сотрудники Остека, помимо организации поставок оборудования и оснастки, предлагают широкий спектр услуг – от предварительного консультирования при выборе оборудования до наладочных работ на площадке заказчика и помощи в преодолении сложных технических ситуаций в ходе повседневной эксплуатации техники. ⦁
Отзывы читателей
