Особенности и применение ультразвуковой пайки

Ультразвуковая пайка представляет собой технологию бесфлюсовой пайки, не требующей каких-либо химических компонентов. В основе взаимодействия лежит энергия ультразвука, она позволяет спаивать такие материалы, как керамика, стекло, металлы и композиционные элементы, с трудом поддающиеся пайке стандартными способами.

Обо всех особенностях этой технологии мы расскажем в нашем обзоре.

Ультразвуковая пайка относится к категории низкотемпературных воздействий при помощи погружения заготовок в расплавленный до жидкого состояния припой. Для удаления оксидных пленок из соединяемых поверхностей, а также для улучшения их смачивания припоем используют энергию ультразвука. Такая технология стала эффективной альтернативой химической реакции на основе флюса.

Пайка ультразвуком включает в себя два этапа: предварительное ультразвуковое лужение обрабатываемых поверхностей и непосредственно саму пайку.

УЗ-лужение производят при помощи УЗ-паяльников либо выполняют в специализированных ваннах.

В процессе обработки оксидная пленка снимается со всей поверхности изделия так, чтобы обеспечить максимальное примыкание с расплавленным припоем. После лужения поверхность становится блестящей и чуть шероховатой.

УЗ-пайка металлических изделий из титана, хрома или вольфрама проводится после предварительной обработки в растворе этилового спирта, этиленгликоля и солянокислого гидроксиламина. Это обеспечивает исключительное качество паяного соединения при низких параметрах температуры и времени обработки.

После завершения всех предварительных работ производится непосредственно пайка. Эта процедура не предполагает нагрева соединяемых элементов. Принцип действия заключается в использовании вспомогательного устройства, которое облегчает ход пайки, но при этом никак не влияет на температуру паяемого узла. Ультразвук беспрепятственно проходит через жидкий сплав, но при его попадании на границу твердого металла и жидкости образуется кавитация.

Если все работы выполнены правильно, то прочность пайки доходит до 5 кГ / мм2. Это довольно высокий параметр, именно поэтому при тестировании образцов разрыв чаще проходит по материалу, а не в месте пайки.

Преимущества подобного способа пайки очевидны.

• При точечном подведении ультразвука в расплав энергия УЗ-волн концентрируется в небольшом объеме и тем самым помогает понизить степень окисления припоя в ванной.
• Ультразвуковые колебания, направленные относительно соединяемых поверхностей параллельно, существенно повышают долговечность паяных соединений и обеспечивают максимальную стабильность процессов. Использование УЗ-волн уменьшает интенсивность механического воздействия на поверхности элементов.
• Процесс пайки ультразвуком легко можно автоматизировать, задавая толщину слоя припоя заранее.
• При УЗ-воздействии сводится к минимуму появление сосулек припоя и перемычек, снижается включение фрагментов оксидных пленок и существенно сокращается время работы.

Тем не менее воздействие ультразвука имеет и свои недостатки. Рассмотрим их.

• В частности, во время лужения нейтрализация пленки окислов осуществляется неравномерно, поэтому контакт поверхности с расплавленным припоем происходит точечно. Если при этом жидкий припой имеет низкую растворимость, то выраженного отделения и диспергирования оксидов может и не произойти.
• Серебро, индий и висмут, которые добавляют в состав сплавов для выполнения УЗ-пайки, являются довольно дорогостоящими материалами. А цинк на воздухе формирует большой объём шлака. Именно поэтому при обработке образуются интерметаллиды, они вызывают снижение предела выносливости материала.
• Ультразвуковая активация не может создать защиту обрабатываемой поверхности до начала пайки, а также улучшить характеристики поверхностного натяжения жидкого припоя. Соответственно, УЗ-волны никак не влияют на растекание и последующее капиллярное проникновение припоя.

Для выполнения лужения деталей из алюминия и его сплавов, а также ферритов и керамики легкоплавким припоем без применения флюса используют установку УЗУ-9П. Она состоит из ультразвукового паяльника и генератора. Разрушение оксидной пленки в этом случае происходит непосредственно под слоем расплавленного припоя. В результате металл попросту не успевает соединиться с кислородом из воздуха, и вся поверхность смачивается припоем равномерно. При помощи этой установки можно выполнить лужение выводов резисторов и конденсаторов. Ими сращивают алюминиевые кабели, паяют провода термофар и соединяют выводы корпусов из металлических сплавов.

Для бесфлюсовой пайки электронных элементов легкоплавким припоем необходимо использовать ультразвуковые ванны. Они бывают двух типов: создающие возбуждение всего количества припоя и локально воздействующие ультразвуком. В первом варианте техника позволяет задействовать большую поверхность элемента, а во втором — сконцентрировать УЗ-энергию точечно, в малом объеме, и тем самым снизить окисление припоя.

Для локального ввода ультразвуковых колебаний в расплав припоя используют поршневые излучатели.

Ультразвуковые лампы настольного типа используют для горячего лужения элементов и выводов разного рода электронных компонентов. Ультразвуковые паяльники оптимальны для спаивания деталей. Они незаменимы для металлизации ферритовых и керамических компонентов. Использование современных источников ультразвуковых колебаний делает пайку практичной, надежной и экологически безопасной. Кроме того, техника полностью исключает необходимость применения флюсов.

Бесфлюсовая пайка становится основным условием внутреннего монтажа, а также герметизации электронной аппаратуры. При помощи пайки и ультразвуковой металлизации можно соединить материалы, которые плохо поддаются стандартным способам пайки, — алюминиевые, титановые, магниевые и никелевые сплавы, а также ферриты, стекло, керамику, полиэтилен, пластмассу, мембраны и другие неметаллические материалы.

Об ультразвуковой пайке смотрите в видео ниже.