Разработка газоразрядного экрана (стр. 7 из 7)
рис. 6
Сварка ультразвуком относится к высокоскоростному процессу пластической деформации, соизмеримому с процессом листовой прокатки или ковки (2-5 м/сек). такие процессы сопровождаются выделением большого количества тепла, приводящего к росту температуры контактирующих тел.
4.2. Оценка напряжений в сварных соединениях бескорпусных БИС.
Качество и эксплуатационная надежность сварных узлов при монтаже лепестковых выводов на кристалл и на подложку ГИС будут предопределяется их конструктивным исполнением, методом монтажа и уровнем напряжений, возникающих в сварных или паянных соединениях.
Рассмотрим конструктивное исполнение присоединения кристалла с точки зрения возникающих в нем напряжений.
В случае присоединения кристалла с балочными выводами напряжения в выводах (лепестках) определяются по формуле
sл=Ел/lл*(bкр*aкр*DTкр+2*lл*aл*DTл-l*aп*DTп)
Где sл - напряжения растяжения в лепестке; Ел - модуль Юнга материала лепестка; aкр, aл, aп - коэффициенты линейного расширения материала кристалла, лепестка и подложки при монтаже и эксплуатации. См. рис 7
рис. 7
1 - кристалл ; 2 - лепестковые выводы
4.3. Конструктивное исполнение сварных узлов.
При монтаже лепестковых выводов на кристалл от конструктивного исполнения и правильного выбора размеров в большой степени будет зависеть эксплуатационная надежность изделий.
При сварке лепесткового вывода к кристаллу БИС, одним из вариантов может быть схема, представленная на рис. 8 В этом случае алюминиевый вывод закреплен на полиимидных рамках (внутренней и внешней частью относительно сварного соединения).
При такой конструкции имеются ограничения минимального размера " l ", который выбирается исходя из относительного допустимого удлинения материала вывода при растяжении ( Dl ). В этом случае оценка минимального размера " l ", проводится по формуле:
dП + 0,5*dAl
l МИН = --------------
D l *(2+D l)
где : l МИН - минимальная длина вывода;
dП , dAl - толщина пленки и алюминия;
D l - относительное удлинение материала вывода.
При монтаже лепестковых выводов,жестко закрепленных в полиимидной рамке, групповой импульсной пайкой на столбиковые выступы кристалла, расчетная формула выглядит так :
lЛ ³ (EЛ * bкр /2)*(aкр*DTкр)/((2*tСР*hСМ/sл)-EЛ*aЛ*DTЛ
где : EЛ , tСР , aЛ - модуль упругости, допустимое напряжение
среза, коэффициент линейного расширения материала вывода;
hСМ , sл - высота столбика и толщина вывода;
DTкр , DTЛ - температура нагрева кристалла и лепестка
bкр - размер кристалла.
рис. 8
1 - алюминиевый вывод; 2 - внутренняя полиимидная рамка;
3 - кристалл; 4 - наружная полиимидная рамка.
Рассмотрим зависимость прочности сварного соединения от Æ сварного инструмента и расстояния от КП до защитного кольца.
На рис. ... приведены зависимости P=f(l) для случаев использования сварочных инструментов с рабочим торцом Æ100, 130 мкм. Согласно рисунку 9 при l=30 мкм (Æ100) прочность стабилизируется, однако, окончательная стабилизация прочности наступает при l=40-50 мкм, т.к. при l=30 мкм имеет место отрыв по месту сварки в 50% случаев, из-за напряженного состояния узла.
При размере торца сварочного инструмента Æ130 мкм при l=30 мкм еще сказывается эффект "подреза", и превышение средней прочности сварных соединений при l=60 мкм объясняется увеличением зоны взаимодействия.
рис. 94.4. Расчет оптимальной рабочей длины балки в зависимости от толщины полиимида и толщины фольги.
4.5. Технологические рекомендации по выполнению сварных узлов бескорпусных БИС.
Прочностные характеристики и уровень надежности сварных и паянных соединений зависят в большей степени от правильного выбора сварного или паянного соединения, уровня и характера деформирования зоны сварки, сочетания соединяемых материалов.
При сварке плоских выводов на контактные площадки кристаллов БИС прочность соединения зависит от характера деформации. Наиболее высокой прочностью обладает сварное соединение с ребрами жесткости. Такой вид наиболее оптимален при ограниченной ширине вывода. Вид сварной точки с оптимальным соотношением размеров, выполненной ультразвуковой сваркой, показан на рис.11.
рис. 11
LСОЕД = (2..4)dЛ ;
BК = dЛ
RК = 0,5*dЛ ;
hСОЕД = (0,5..0,7)*dЛ
При монтаже лепестковых выводов на контактные площадки кристалла для снижения механических напряжений, возникающих из-за неравномерного деформирования и возможного смещения защитных полиимидных рамок необходимо проводить сварку выводов в определенной последовательности - рис. 12.
рис. 12
1 - кристалл ;
2 - защитные полиимидные рамки ;
3 - алюминиевые выводы .
I - VIII - последовательность сварки
При ультразвуковой сварке плоских выводов с контактными площадками подложек для получения оптимальной прочности соединения необходимо правильно выбирать размеры инструмента и величину деформации вывода. Оптимальными являются следующие соотношения :
Du = dСОЕД = (0,37...0,4)*bЛ
hДЕФ = (0,4...0,5)* dЛ
С ³ dСОЕД
где : Du - диаметр инструмента;
bЛ - ширина лепестка;
hДЕФ - величина деформации вывода по толщине;
dЛ - толщина лепестка;
С - расстояние от конца вывода до центра точки.
Параметры режима ультразвуковой сварки лепестковых выводов на плату оптимизируются на основе уравнения регрессии для конкретного типоразмера соединения. За оптимальные параметры можно принять : удельное давление 22 - 30 Н/мм2 ; длительность импульса 50 - 60 мс; мощность ультразвуковых колебаний подбирается экспериментально.
Итак, общие технологические рекомендации по сварке выглядят следующим образом :
минимальная длина алюминиевого вывода должна рассчитываться по формуле :
dП + 0,5*dAl
l МИН = --------------
D l *(2+D l)
При УЗС алюминиевого вывода к КП кристалла и подложки сварная точка должна формироваться с ребрами жесткости крестообразной формы за счет специальной конструкции рабочего торца инструмента. При этом ребра жесткости формируются за счет канавок на инструменте с радиусом, равным половине толщины алюминиевого вывода. При сварке на подложку выводов (лепестков) относительно большой ширины диаметр сварной точки должен составлять около 0,4 от ширины вывода, при этом расстояние от центра сварной точки до конца вывода должно быть не меньше диаметра сварной точки.
При одиночной сварке выводов к кристаллу должен реализовываться определенный алгоритм: сначала свариваются выводы с одной стороны кристалла, затем с противоположной, а угловые выводы свариваются в последнюю очередь в такой же последовательности.
При групповой сварке лепестковых выводов к шариковым столбикам на кристалле необходимо обеспечить следующее:
- программирование усилия сжатия (удельного давления) с определенной скоростью нарастания (не более 200 Н/мм2с), оптимизацией максимального значения (до 50-60 Н/мм2) и обязательной промежуточной ступенью нагружения (на уровне 0,4-0,5 от максимального);
- наличие системы взаимной ориентации инструмента и кристалла в процессе нагружения для обеспечения параллельности торца инструмента и поверхности кристалла.