Электромеханические и твердотельные реле

 

Паста ПЗл-М применяется  для изготовления проводников методом  трафаретной печати на керамике ВК-94-1 при изготовлении гибридных микросборок. Паста ПЗл-Р применяется для формирования методом трафаретной печати электродной системы цветных ГИП переменного тока.

 

Таблица 2.12 –  Технические  характеристики паст на основе серебра  и палладия

Наименование  параметра	ПП-8	ПП-9	ПП-10	ПП-11	ПП-12	ПП-13	ПП-14	ПП-15	ПП-16	ПП-17
Соотношение Ag/Pd	4:1	4:1	4:1	2,1:1	2,8:1	3,3:1	4:1	6:1	10:1	Ag
Толщина возжженного  слоя, мкм	12...18
Уход размеров проводника, мкм	<50			<30
Сопротивление, мОм/кв	<40	<40	<40	<45	<35	<30	<25	<15	<10	<5
Облуживаемость припоем: 62Sn/36Pb/2Ag 63Sn/37Pb	+ -	+ -	+ -	+ +	+ +	+ +	+ +	+ +	+ -	+ -
Количество циклов облуживания: (1 цикл - 10с при t=230oC): 62Sn/36Pb/2Ag 63Sn/37Pb	4...5 -	4 -	4 -	8..10 5...6	7...9 5...6	5...7 4...5	5...6 3...4	4...5 2...3	3...4 -	1...2 -
Адгезия, Н: - начальная  - после 100 час. при 150оС	20-25 17-22	- -	20-25 17-22	20...35 18...31
Облуживаемость на диэлектрике	-	ПД-8- ПД-12	-	ПД-12
Степень перетира, мкм, не более	25			20
Условная вязкость, мм	19-24	18-23	17-22	19 - 22

 

 

Нанесение  паст  можно    производить    двумя  способами: бесконтактным и контактным [65-68].

При бесконтактном способе  подложку, на которую нужно нанести  пасту, устанавливают под сетчатым трафаретом с некоторым зазором; пасту подают поверх трафарета и движением ракеля через  отверстия в трафарете переносят на подложку в виде  столбиков,  копирующих отверстия в трафарете. Столбики, растекаясь, соединяются, образуя рисунок, как на трафарете.

При  контактном    способе    трафаретной    печати    плату устанавливают под  трафаретом  без  зазора.  Отделение  платы  от трафарета осуществляется вертикальным перемещением без скольжения во избежание размазывания отпечатка пасты.

Пасты после нанесения  подвергают термообработке  -  сушке  и вжиганию. Сушка  необходима  для  удаления  из   пасты    летучих компонентов (растворителя). Сушку проводят при температуре 80-150 градусов  Цельсия  в  течении  10-15  минут  в    установках    с инфракрасным нагревом. Вжигание производят в печах конвейерного  типа  непрерывного действия с постепенным повышением  температуры  до  максимальной, выдерживанием при ней и последующим охлаждением в соответствии с рисунком 2.9.

Рисунок 2.9 – Профиль  вжигания проводящей пасты

 

Вначале происходит  выгорание  органической  связи  (300-400 градусов Цельсия). Во  второй,  центральной,  температурной  зоне происходит сплавление частиц основных материалов между  собой  с образованием проводящих мостиков  и  спекание  их  со  стеклом  и керамической пастой при 500-1000 градусах Цельсия.

 

 

3. Технические требования к монтажной плате

 

Монтажная плата для разработки мощного твердотельного реле реализована в рамках следующих технических требований:

1 Материал платы –  керамика УП6-3 (М-7) и УП6-5 (К-96);

2 Размер платы –  5,75 ´ 9.00 мм;

3 Толщина платы (по  керамике) – 0,6 мм;

4 Эскиз топологии (позитив:  темные элементы металлизируются) – в соответствии с рисунком 2.10.

 

Рисунок 2.10 – Эскиз  топологии монтажной платы (шаг  сетки 0,25 мм)

 

5 Требования к металлизации:

- верхний слой (с топологическим  рисунком) - толщина покрытия 20-50 мкм  – под ультразвуковую разварку;

- нижний слой (сплошной) – толщина покрытия 10-20 мкм под  пайку;

- адгезия – не меньше 5 Н / мм2 (по нижнему слою допускается  отклонения в меньшую сторону);

- допускается корректировка  размеров проводящих элементов  по конструкторско-технологическим ограничениям изготовителя.

 

 

4. Монтаж компонентов на плату

 

С целью снижения контактных сопротивлений и обеспечения  теплопроводности от кристалла к подложке и корпусу все присоединения тепловыделяющих элементов выполняются посредством пайки.

Поскольку все элементы конструкции чувствительны к механическим повреждениям и не имеют конструктивно монтажных выводов посадка и последующая пайка кристаллов выполняется на припойную пасту с последующим нагревом для образования паяных соединений.

Припойные пасты находят широкое применение при технологии монтажа на поверхность печатных плат [69-74]. Припойные пасты в своем составе имеют порошкообразный припой, флюс и органические наполнители.

Основным компонентом припойных паст является припой. В объеме пасты припой находится в виде взвешенных частиц, оплавляемых при пайке и образующих паяное соединение. На свойства пасты влияет как состав припойного сплава, так и размеры и форма частиц, их процентное содержание.

В припойных пастах наиболее широкое распространение получили оловянно-свинцовые припои. Среди них 63Sn/37Pb, 60Sn/40Pb, 50Sn/50Pb, 10Sn/90Pb, 5Sn/95Pb. Эти сплавы обладают низкой стоимостью, в особенности 5Sn/95Pb.

Однако сплавы с большим  содержанием свинца обладают высокой  температурой плавления. Такие сплавы применяются для покрытия выводов. При пайке компонентов на плату высокая температура плавления может привести к перегреву ИМС.

Сплавы 50Sn/50Pb, 10Sn/90Pb обладают значительной разницей температур ликвидус - солидус (соответственно, 33 и 16 °С), что может привести к трещинам и пористости паяного соединения. Кроме того, сплавы, близкие к эвтектике, обеспечивают лучшее смачивание и большую скорость капиллярного подъема. Эвтектическим является сплав 63Sn/37Pb (температура эвтектики 183 °С); сплав 60Sn/40Pb близок к эвтектике, его диапазон кристаллизации составляет 5 °С.

На свойства припойной  пасты значительное влияние оказывают  характеристики частиц припоя. Так вязкость припоя возрастает с уменьшением размера частиц, что является нежелательным. Частицы размером 10 мкм и менее при пайке могут выноситься флюсом за контактные площадки с образованием шариков припоя вне паяного соединения, что приводит к изменению свойств изоляции, а иногда к пробою. Однако увеличение размера частиц ухудшает однородность пасты, в особенности при нанесении через трафарет. Наиболее широко применяются пасты с размером частиц 25…75 мкм.

В настоящее время  для производства порошкообразного припоя наиболее широко применяются методы распыления в инертной газовой среде, эмульгирования в формообразующей жидкости, а также эмульгирование с приложением ультразвука. При распылении наблюдается больший процент частиц с вытянутой и каплеобразной формой. При применении эмульгирования форма частиц ближе к сферической, распределение по фракциям более узкое. Наилучший результат достигается эмульгированием с приложением ультразвука. При этом микроструктура частиц более мелкозернистая, сферичность частиц наибольшая, при получении порошка эвтектических сплавов состав сплава ближе к эвтектике.

Содержание припоя в пасте, как и размеры частиц, влияет на ее вязкость: увеличение доли припоя приводит к росту вязкости пасты, затрудняется ее нанесение через трафарет, возрастают усилия, оказываемые на ракель. При уменьшении количества припоя ухудшается смачивание и растекание пасты при оплавлении. Обычно в пастах содержится 70–90% частиц припоя по весу.

Влияние содержания припоя и размеров частиц на свойства припойной  пасты приведены в таблице 2.13.

 

Таблица 2.13 –  Свойства припойной пасты при различных  размерах частиц и содержании припоя.

Содержание  припоя, % по массе		88			90
Размеры частиц, мкм		75…53	53…38		75…53	53…38		38…25
Вязкость
По методу Брукфильда, сП		600 000	650 000		800 000	900 000		1 000 000
При скорости сдвига   6с-1, П		145	187		208	235		240
Тиксотропный  индекс		0,52		0,56			0,6
Растекание, мм
1 ч, 20° С	площадка 0,7 мм	0,2
	площадка 1,5 мм
0,3 ч,	площадка 0,7 мм	0,5	0,3		0,4	0,3
80 ° С	площадка 1,5 мм	0,4	0,3			0,4
Сила отрыва при приклейке, г/мм2		1,2	1,4		1,1	1,2		1,3

 

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое количество припойных паст на основе припоев широкого применения. Однако влияние порошкообразного припоя на свойства пасты и ее применение настолько велико, что при необходимости получения высококачественных паяных соединений должны использоваться специализированные пасты. Выбор припойного сплава диктуется как покрытием выводов компонентов и контактных площадок, так и технологией нанесения и оплавления пасты. Хотя большинству задач удовлетворяют пасты на основе сплава 62Sn/36Pb/2Ag с частицами сферической формы диаметра 38…75 мкм, в настоящее время невозможно выделить какой-либо сплав как оптимальный для всех возможных случаев.  

 

 

 

3. Конструкция мощного твердотельного реле

 

Конструкция проектируемого мощного твердотельного реле реализуется в двух исполнениях для двуполярного и однополярного включений, электрические схемы которых представлены на рисунке 2.11.

а)

б)

 

Рисунок 2.11 – Исполнения реле: а) для двуполярного включения; б) для однополярного включения

 

Для данных исполнений твердотельного реле реализованы конструкции, представленные на рисунке 2.12.

а)

б)

 

Рисунок 2.12 – Конструкции  реле: а) для двуполярного включения (1 - корпус МСШ4-03, 2 – вывод корпуса, 3 – монтажная площадка подложки, 4 – кристалл ДМОП транзистора, 5 – кристалл фотодиодной матрицы, 6 – арматура ИК светодиода, 7 – монтажная плата); б) для однополярного включения

 

 

 

3.  Анализ параметров конструкции реле

 

1. Исследование опытных образцов реле

 

Для изготовления опытных  образцов реле применена комплектация и материалы, представленные в таблицах 2.14 и 2.15 соответственно.

 

Таблица 2.14 –  Детали опытных образцов мощных МОП реле

№ п/п	Наименование	Шифр
1	Основание корпуса МСШ4-03	-
2	Крышка корпуса МСШ4-0	-
3	Плата монтажная	КЕНС.758771.001
4	Блок арматуры ИК –  диода (Риз = 400¸500 мкВт)	Э33.516008-01
5	Кристалл ДМОП транзистора	КЕНС.757644.065
6	Кристалл фотодиодной  матрицы	КЕНС.757644.061

 

 

Таблица 2.15 –  Материалы  опытных образцов мощных МОП реле

№ п/п	Наименование	Шифр
1	Проволока АК 09ПМ-35	ЯеО.021.159ТУ
2	Проволока АОЦПом  300 А	-
3	Клей ВК-26М	ТУ 1- 596-224-85
4	Клей ТОК-2	ШКФЛО.028.002 ТУ
5	Компаунд СИЭЛ 159-254	ТУ6-02-1-525-86
6	Компаунд СИЭЛ 159-256	ТУ6-02-1-525-86
7	Припой ПОС-61	ГОСТ 21931-76
8	Провод МГТФ 0,5	ТУ 16-505.185-71