Способ лазерной пайки тонких проводников
Реферат
Способ может быть использован в электронике, приборо- и машиностроении. Повышение качества паяного соединения и обеспечение требуемых физико-механических параметров датчиков ускорения из кремния достигается тем, что предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу. Лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого dк выбирают из условия dк = (0,8 - 1,4) dп.н, где dп.н - диаметр пятна нагрева.
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в электронике, приборо- и машиностроении.
Известен способ лазерной пайки провода к облуженной контактной площадке микросхемы [1]. Контактные площадки размещают соосно с лазерным излучением. Припаиваемый провод располагают над контактной площадкой, а над проводом устанавливают конусный держатель, который собственным весом прижимает провод к облуженному слою контактной площадки. Затем проводник и контактную площадку нагревают лазерным излучением. При этом слой полуды на контактной площадке расплавляется и провод под действием конусного держателя утапливается в слое полуды. После отключения лазерного излучения слой полуды кристаллизуется и образуется паяное соединение. Основной недостаток известного способа заключается в снижении качества паяного соединения, получаемого при пайке тонких проводников к контактной площадке, расположенной на поверхности упругих датчиков из кремния. Это обусловлено тем, что при образовании паяного соединения, контактная площадка и поверхность кремния в ее окрестности подвергаются термомеханическому воздействию от неравномерного нагрева лазерным излучением и поджатия держателем. В результате в паяном соединении и кремнии возникают остаточные напряжения и происходят деформации, что снижает качество пайки и ухудшает упругие свойства датчиков ускорений. Известен способ лазерной пайки провода к элементу электроники, принятый за прототип [2]. Прототип включает подготовку провода (удаление окисной пленки и нанесение флюсосодержащего и поглощающего лазерное излучение покрытия) и элемента электроники (нанесение паяльной пасты и нагрев до 120 - 170oC до образования слоя пропоя в виде "подушечки"). Собственно процесс пайки заключается в нагреве проводника с покрытием в течение 0.1 с лазерным излучением. За счет передачи тепла от проводника с покрытием к слою припоя, происходит нагрев последнего и образование паяного соединения. Основной недостаток прототипа состоит в том, что при пайке тонких проводников с диаметром 100 мкм эффективность теплопередачи от покрытия к слою припоя снижается, а это приводит к непропаям и холодной пайке. Чтобы получить качественное паяное соединение, необходимо обеспечить дополнительное поджатие проводника или увеличить мощность лазерного излучения и нагревать слой припоя. А это вызывает деформацию кремниевой подложки в окрестности паяного соединения и остаточные напряжения в паяном соединении, что не только снижает качество пайки, но и оказывает отрицательное действие на упругие свойства чувствительных элементов датчиков ускорений. Предлагаемое изобретение направлено на получение качественного паяного соединения тонкого проводника с кремниевой подложкой. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества паяного соединения и обеспечение требуемых физико-механических параметров датчиков ускорения из кремния. Указанный результат достигается тем, что в способе лазерной пайки тонких проводников и плоской подложки проводник укладывают на плоскую подложку и нагревают импульсным лазерным излучением, предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу, а лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого dк выбирают из условия dк = (0,8-1,4)dп.н, где dп.н - диаметр пятна нагрева. Способ осуществляют следующим образом. Кремниевую подложку с напыленной металлизацией устанавливали в приспособление на предметном столике лазерной установки и позиционировали ее относительно оптической оси фокусирующей оптики лазерной установки. Паяемый конец проводника изгибали в кольцо и облуживали. Слоем припоя заполняли внутреннюю часть кольца таким образом, чтобы поверхность припоя совпадала с плоскостью касания цилиндрической образующей кольца. Затем проводник размещали в специальных струбцинах, чтобы кольцо с припоем лежало в горизонтальной плоскости, и укладывали, не поджимая, на металлизированный слой кремниевой подложки до касания паяемых поверхностей. Включали лазерную установку и фокусировали излучение в центр кольца на поверхность припоя. При воздействии лазерного импульса припой расплавлялся, смачивал металлизированный слой и кристаллизовался с образованием паяного соединения. Внутренний диаметр кольца выбирали из условия обеспечения гарантированного расплавления припоя внутри кольца без выплесков. При уменьшении dк 0.8 dп.н (диаметр пятна нагрева составлял 0.2 мм) массы расплавленного припоя недостаточно для образования паяного соединения, что требует увеличения мощности лазерного изучения, а это вызывает образование выплесков и разрушение подложки. С увеличением dк 0.8 dп.н, необходимо увеличивать мощность лазерного излучения для расплавления припоя, что увеличивает тепловую нагрузку на кремниевую подложку и вызывает в ней недопустимые напряжения деформации. Косвенный нагрев подложки (через слой припоя) и отсутствие механического усилия обеспечивают высокое качество паяного соединения и не вносят дополнительных напряжений в кремнии. Пример выполнения способа. Выполняли пайку импульсным лазером: длина волны = 1.06 мкм; = 3-5 мс; E 10 Дж. В качестве проводников использовали медные и посеребренные провода с 100 и 50 мкм, а подложкой служили кремниевые пластины КЭФ4,5. Проверка механических свойств паяных соединений показала, что прочность на отрыв составляет ~0.4-1.0 кг/мм2. Уровень остаточных напряжений в кремнии в окрестности паяного соединения, определенный поляризационно-оптическим методом, составил ~5-8 кг/мм2. Эта величина находится на уровне значений, обусловленных металлизацией кремниевой подложки, что соответствует требованиям конструкторской документации датчиков ускорений. Наряду с кремнием, были выполнены эксперименты с металлизированной подложкой из керамики. Результаты экспериментов показали, что предлагаемый способ обеспечивает требуемые физико-механические свойства паяных соединений и изделий из керамики в целом. Источники информации 1. Способ лазерной пайки. Патент 4700044 США, МКИ B 23 K 26/00 (НКИ 219-121 LC), опубл. 13.10.1987 г., т 1083, N 2. 2. Способ лазерной пайки. Патент 5484979 США, МКИ B 23 K 26/00 (НКИ 219/121.64), заявл. 22.10.1993 г., опубл. 16.01.1996 г.Формула изобретения
Способ лазерной пайки тонких проводников и плоской подложки, при котором проводник укладывают на плоскую подложку и нагревают импульсным лазерным излучением, отличающийся тем, что предварительно конец проводника изгибают в кольцо и облуживают припоем путем заполнения им внутренней части кольца заподлицо с плоскостью, касательной к кольцу, а лазерное излучение при пайке фокусируют в центр кольца, внутренний диаметр которого dк выбирают из условия dk = (0,8 - 1,4) dп.н, где dп.н - диаметр пятна нагрева.