10.3.4. Газостаты
Современные газостаты (рис. 10.8) могут с успехом применяться для диффу зионной сварки, особенно деталей сложной формы из однородных и разнород ных материалов, когда обеспечить равномерное давление материалов по со прягаемым поверхностям трудно или невозможно. В большинстве случаев пе ред сваркой детали укладывают в тонкостенные технологические оболочки (конверты) и герметизируют сваркой.
После этого сборку помещают в рабочую камеру газостата и проводят высокотемпе ратурную обработку в течение нескольких часов давлением газа >100 МПа (рис. 10.9). Метод горячей изостатической обра ботки оказался эффективным также для улучшения свойств соединений, выполнен ных диффузионной сваркой. В частности, его можно использовать для залечивания дефектов в виде пустот, что способствует существенному повышению пластичности сварного соединения.
За рубежом газостаты, пригодные для использования при диффузионной сварке, выпускаются фирмами ASEA (Швеция), Conway Pressure Systems Inc. и Autoclave
Рис. 10.8. Схема высокотемпературного газо
стата, используемого |
для диффузионной сварки: |
||||
/ —верхняя пробка; |
2 — станина; |
3 — контейнер; |
|||
4 —термоизоляционный |
колпак; 5 — нагреватель; |
||||
6 —свариваемая |
деталь; |
7 — термонзолятор; |
8 — |
||
нижняя пробка; |
9 — трубопровод |
подачи |
рабо |
||
чего газа |
|
|
|
|
|
Engineers (США), ABRA AG (Швейцария), Kobe Steel (Япония), National Forge Europe (Бельгия). В СНГ подобное оборудование разработано ВНИИметмашем и выпускается Коломенским СПО (табл. 10.2).
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 10.2 |
||
ОСНОВНЫЕ |
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
ГАЗОСТАТОВ |
КОНСТРУКЦИИ |
|
||||
|
ВНИИметмаша - КОЛОМЕНСКОГО СПО [б] |
|
|
|||||
Тип |
Размер |
я* |
г*2 |
Размеры газостата, |
мм |
|||
заготовки, мм |
|
|
|
|
||||
газостата |
|
|
шах» |
шах* |
|
|
|
|
|
диаметр |
высота |
МПа |
°С |
высота*3 |
длина |
ширина |
|
|
|
|
||||||
40X100 |
40 |
100 |
N2 - 200 |
2000 |
1 600 |
(1 600) |
2000 |
1600 |
450 |
50 |
250 |
Аг— 100 |
1500 |
2 260 |
(2 260) |
3750 |
1110 |
ГТС-2000 |
100 |
250 |
N2 — 200 |
2000 |
2 800 |
(2 800) |
2500 |
1500 |
320Х 550 |
320 |
550 |
Аг — 220 |
1220 |
5 485 |
(4 665) |
5520 |
1650 |
ЯО6013 |
340 |
550 |
Аг — 200 |
1500 |
5 790 |
(4 980) |
5520 |
1420 |
ЯО 6015 |
320 |
1000 |
Аг — 200 |
1250 |
6 340 |
(5 530) |
5520 |
1420 |
ЯО 6022 |
1100 |
2000 |
Аг — 200 |
1200 |
12 950 |
(10 750) |
8100 |
5000 |
•* Рт ах |
максимальное давление рабочей среды. ** Гт а х — максимальная тем |
|
пература в рабочем пространстве. |
Общая высота газостата (высота под уровнем пола). |
|
Рис. 10.9. Схема диффузионной сварки с использованием горячего иэоста-
тического |
прессования: |
|
|
1 — сборка |
в контейнере; |
2 — герметизация |
контейнера; 3 •—высокотемпера |
турная обработка в газостате; 4 — сваренный |
узел |
||
10.4. Промышленное |
применение |
|
|
10.4.1. Приборостроение
Характерной особенностью конструкций современных приборов и узлов электронной техники является применение прецизион
ных |
элементов, изготовленных из разнородных материалов, |
в том |
числе неметаллических (стекло, керамика и др.). Техно |
логические возможности диффузионной сварки позволяют ши роко использовать этот процесс в промышленности (7, 8] при создании металлокерамических узлов, катодных узлов, вакуумплотных соединений из разнородных материалов, полупровод никовых систем и др. Большинство известных в настоящее время разработок в области технологии и оборудования для диффузионной сварки сделано именно в приборостроении.
В Таллиннском электротехническом институте НПО «Элект ротехника» создана технология производства выпрямительных
элементов |
силовых |
полупроводниковых приборов и разрабо |
||
таны конвейерные |
системы |
для диффузионной |
сварки УДС-5 |
|
и УДС-б, |
обеспечивающие |
высокую степень |
автоматизации |
|
сварки в условиях непрерывной круглосуточной работы комп лекса.
10.4.2. Крупногабаритные заготовки и полуфабрикаты
Диффузионная сварка находит применение для изготовления крупногабаритных заготовок деталей сложной формы, получе ние которых механической обработкой, методами обработки давлением или литьем невозможно или неэкономично. При этом путем соединения простых по форме элементов, изготов ленных из стандартных полуфабрикатов, можно существенно повысить коэффициент использования металла (КИМ), а в ряде случаев получить сложные заготовки из разнородных материа лов, которые практически невозможно изготовить другими ме тодами сварки. Особенно эффективно такое применение диф фузионной сварки в опытном и мелкосерийном производстве.
Рис. 10.10. Схема диффузионной сварки |
крупногабаритной |
заготовки ребристой па |
||||
нели (4J: |
|
|
|
3 — детали оснастки; |
4 — сборка |
|
/ — внешний |
вид панели; |
2 — составные |
элементы; |
|||
в контейнере; |
5 — сварка с |
использованием открытого |
пресса; |
6 — сваренная |
заготовка |
|
При этом чаще всего используются открытые прессы в сочета нии с герметизированными контейнерами (рис. 10.10).
С помощью диффузионной сварки получают крупногабарит ные толстые многослойные заготовки, из которых затем изго тавливают прокаткой слоистые композиционные листы.
10.4.3. Совмещение сварки с формообразованием
Многослойные тонкостенные конструкции типа панелей из ти тановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы (гофры, соты, ребра и др.) получают методом совме щения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности.
Листовые заготовки сложной панели предварительно сва ривают в необходимых местах в плоском пакете. С этой целью на поверхность листов перед сборкой пакета наносят барьер ное покрытие. Собранный пакет герметизируют по контуру, вакуумируют и осуществляют диффузионную сварку, а затем во внутреннюю полость подается газ или жидкость, заготовка раздувается и принимает форму внутренней поверхности мат рицы (рис. 10.11).
Рис. 10.11. Схема получения многослойной панели методом совмещения диффузионной сварки с формообразованием (SPD/DB-процесс) 19]:
1 — подготовка к сварке; 2 — сварка пакета; 3 — формование панели; .4 — окончатель ная форма детали
10.5. Контроль качества
Основными типами дефектов сварного соединения являются: непровар, т. е. отсутствие соединения в отдельных участках контакта (дефекты 1-го типа), мелкие сферические поры, рас положенные в теле общих зерен, которые образовались в зоне контактирования (дефекты 2-го типа), и плоскоориентирован
ная межфазная граница.
Особенностью дефектов является то, что они располагаются вдоль бывшей поверхности контактирования, а величина рас крытия непроваров и размеры пор, как правило, невелики. Это затрудняет применение традиционных неразрушающих методов для их выявления. Наиболее перспективными методами нераз рушающего контроля являются ультразвуковые методы, а также метод акустической эмиссии.
Гл а в а 11. ТЕРМ ОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА
11.1.Общие сведения
Появление новой отрасли промышленности — микроэлектроники потребовало разработки новых способов сварки — термокомпрессии и сварки косвенным импульсным нагревом (СКИН). Они являются основными методами для при соединения тонких проводников (выводов) к напыленным на полупроводнико вую или керамическую пластинку (подложку) пленкам в полупроводниковых приборах, гибридных и интегральных микросхемах. В данной главе рассмот рены терминология, основные схемы, физические основы процесса, технология, оборудование, промышленное применение и контроль качества. Ряд вопро сов освещен кратко. В этих случаях рекомендуются работы [1—15].
11.1-1. Определения, терминология и основные схемы
Термокомпрессия — это способ соединения металлов с металлами и неметал лами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давле ниях [1—3, 5, 6—8]. По терминологии, которая принята в области сварки (ГОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей.
Термокомпресснонная сварка является наиболее широко применяемым
способом монтажа полупроводниковых микроприборов и |
интегральных схем |
|
в разнообразных корпусах с проволочными |
проводниками |
(выводами). Один |
из соединяемых элементов (обычно вывод) |
при термокомпрессии должен об |
|
ладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.
Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН) [1—3, 5]. В способе СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагре вается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса на грева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность прива р и в а т ь проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плен кам на керамических подложках.
Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифициро ваны по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполне ния соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента [1—3, 6—8].
Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев рабочего столика и инструмента (рис. 11.1).
Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрес
сионной сварке: внахлестку и встык (рис. 11.2). |
При сварке внахлестку |
(рис. 11.2, а) проволочный вывод накладывают на |
металлизированную кон |
тактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контакт ной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную
дюзу |
или непосредственно через |
рабочий |
инструмент. |
При сварке встык |
(рис- |
11.2,6) конец проволочного |
вывода |
(ось вывода |
перпендикулярна пло |
скости контактной площадки) предварительно оплавляют. Диаметр образую-
РНс. 11.1. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:
0 нагрев тоЛько рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инстру мент (пуансон); 2.— присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл по лупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5 — спираль для нагрева