5.9. Эластичное соединение («зебра»)

Это разъемное соединение с нулевым усилием сочленения осуществляется через «островки» эластичного проводящего полимера (резины).

Главный его недостаток - большое электрическое сопротивление (10...100 Ом). Но ряд устройств и не требует малоомных соединений:дисплеи (например, в электронных часах), сенсорные панели, контакты с электростатическими стоками и т.п. Известны эластичные контактные элементы, выполненные в виде шариков (рис. 5.13)

Рис. 5.13. Соединения через токопроводящую резину («зебра»): 1 - монтажная подложка (печатная плата); 2 - держатель токопроводящих элементов; 3 — токопроводящие резиновые элементы; 4 — компонент; 5 — контактное поле компонент; 6 — контактное поле подложки

или вырезанные из многослойных пластин чередующихся слоем саженаполненной и непроводящей резины (рис. 5.14). Эластичные контакты особенно хороши, когда нет гарантий ров¬ности рельефа контактирующих поверхностей, своей эластичностью они компенсируют эти неровности.

Рис. 5.14. Схема изготовления разъема типа «зебра»: многослойная спрессованная структура из чередования слоев токопроводящей резины и непроводящей (2); брусок, вырезанный из многослойного листа резины, — эластичный разъем «зебра»

5.10. Соединения врезанием

Этот вид соединений можно видеть на плоских многопроводных кабелях (рис.5.15), когда к ним нужно присоединить разъем. Ножи этого разъема при надвигании их на кабель прорезают изоляцию проводов плоского кабеля и фиксируются на жилах проводов. Естественно, что шаг ножей разъема должен совпадать с шагом проводов плоского кабеля.

Рис. 5.15. Соединения врезанием разъемов на плоские кабели

5.11. Соединение проводящими пастами

Контактные соединения получают с помощью специальных проводящих паст (контактолов) при их ремонте, замене и монтаже навесных элементов на печатных платах. Способ не получил распространения в серийном производстве ввиду меньшей проводимости этих композиций по сравнению с чистыми металлами и их недостаточной надежностью.

Изготовление электрически проводящих соединений при помощи специальных проводящих паст приобретает все большее значение в электронной промышленности. Проводящие пасты применяют только при ремонте электрических соединений, или при замене компонентов в узле, или там, где невозможен никакой нагрев. В ряде технологий он начал использоваться вместо химической и электрохимической металлизации в макетных работах.

Ряд используемых проводящих компонентов довольно широк (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Классификация наполнителей токопроводящих паст по проводимости

Для металлонаполненных составов применяют преимущественно эпоксидные смолы холодного или горячего отверждения, так как они затвердевают без выделения твердого, жидкого или газообразного вещества. Эпоксидные смолы горячего отверждения могут быть готовыми к употреблению (однокомпонентными) или двухкомпонентными. Смолы холодного отверждения всегда готовятся перед употреблением: смола смешивается с отвердителем. Время отверждения композиций холодного отверждения при комнатной температуре составляет от 20 до 48 ч, горячего отверждения при температуре от 120 до 200 °С — около 10...20 мин.

Из-за короткого времени отверждения и высокой механической прочности преимущественно применяются проводящие пасты горячего отверждения. Проводимость при этом зависит от вида наполнителя, формы частиц и их величины, а также от количества добавляемой металлической части. Чаще применяются серебро и золото. Размер частиц должен быть как можно меньше из-за гомогенного разделения в слое и опасности осаждения после смешивания. Частицы в форме шара являются предпочтительными. Распределение размеров частиц также влияет на увеличение количества точечных контактов, как показано на рис. 5.17. Для более плотной упаковки частиц соотношение диаметров больших сфер к меньшим составляет 6:1. Общая доля наполнителя в композиции составляет 65...85% (масс). Большее количество наполнителя повышает вязкость, ухудшает смачиваемость и затрудняет нанесение пасты. Необходимая добавка отвердителя для затвердевания смолы не воздействует на соединяемые материалы и металлический порошок и не влияет на контакт из-за экзотермической реакции.

Рис.5.17. Классификация наполнителей токопроводящих паст по проводимости

Электрическая проводимость в органических проводящих веществах возникает за счет ионной и электронной проводимости. Для электрически проводящих органических веществ в качестве носителей заряда принимают во внимание только электроны, так как составляющая ионного тока небольшая и, кроме того, ионная проводимость связывается с микроскопическим перемещением материала. В органических соединениях с высокой электрической проводимостью различают две группы:

• низкомолекулярные электрически проводящие вещества (графит, пирографит и соединения графита), а также низкомолекулярные комплексы, несущие заряд;

• высокомолекулярные электрически проводящие соединения, такие как необработанные полимеры, полимеры, замещенные двумя веществами, а также полимерные комплексы, несущие заряд.

Проблема проводящих органических веществ состоит в создании структуры с достаточной подвижностью носителя заряда. Подвижность электронов складывается в органических веществах из двух отдельных процессов: подвижность электронов в молекуле и переход электронов между молекулами.

Из известной в настоящее время группы органических веществ пока только низкомолекулярные комплексы, несущие заряды, имеют свойства, необходимые для металлических клеевых составов. Они растворяются в доступных растворителях или плавятся при доступных температурах (ниже 200°С). Достижимое минимальное удельное сопротивление составляет 10^-2 Ом•см (сравните: у меди удельное сопротивление 1,7 • 10^-6 Ом•см). Поэтому их применение пока еще ограниченно.

Чтобы достигнуть более высокой механической прочности, более высокой электрической проводимости, требуется соответствующая предварительная обработка поверхности соединяемой пары материалов. Состав и технологию применения промышленно изготавливаемых токопроводящих паст постоянно оптимизируют в связи с простотой и удобством их использования. Постоянный контроль наполнителя посредством анализа зернистости, химических и физико-химических параметров обеспечивает необходимый состав и постоянные электрические, механические и температурные свойства пасты. При использовании добавляют только отвердитель. Нанесение пасты можно производить как на контактные площадки печатной платы трафаретной печатью, так и на выводы компонента, например погружением. Оптимальная толщина пасты составляет 0,05...0,15 мм. Соединения изделий следует производить непосредственно после нанесения пасты при приложении легкого давления (200 кПа). Затвердевание, основанное на образовании макромолекул, происходит в сушильном шкафу с постоянной температурой или в печи с циркуляцией воздуха.

Так как переходное сопротивление электрически проводящего соединения по меньшей мере на порядок ниже, чем при пайке мягкими припоями, то проводящие пасты до сих пор не получили широкого распространения. Этот способ применяют главным образом при контактировании чипов на толстопленочную и тонкопленочную монтажную подложку.

Все проводящие пасты, наполненные палладием, серебром или медью хорошо облуживаются и способны образовывать паяные соединения.

В исходном состоянии проводящие пасты представляют собой композиции, в состав которых входят:

• связующее;

• проводящий наполнитель (диспергированные серебро, палладий, медь или др.);

• растворитель, назначение которого довести пасту до нужной вязкости, удовлетворяющей процесс трафаретной печати, т. е. до вязкости, при которой они могут быть продавлены через сетчатый трафарет.

Если пасты наносятся на нагревостойкую подложку, за этим может последовать процесс вжигания. Тогда связующее полностью выгорает, оставляя на подложке металл-наполнитель. Такая технология используется в произ водстве толстопленочных микросхем. В качестве подложек используются керамика, ситаллы, пластины, керамика, спеченная из окиси алюминия и др. В процессе выгорания связующего происходит вжигание металлов в подложку при температурах 750...850 °С с образованием прочной связи с подложкой. Например, проводниковые пасты на основе серебра-палладия:

Сопротивление квадрата пленки, Ом.....................................................0,05

Минимальная ширина проводников и изоляционных зазоров, мм.....0,2

Толщина пленки, мкм ...............................................................................25

Адгезия к подложке из окиси алюминия, Н/см²....................................500

При использовании подложек с органическим связующим, не обладающим большой нагревостойкостью, выжигание связующего невозможно. Возможно лишь его отверждение (полимеризация или пленкообразование за счет испарения растворителя). Такими подложками могут быть стеклоэпоксидные композиции, полиэфирные, гетинаксы, полиимиды. Не исключается использование и нагревостойких подложек. В состав паст входит серебро, способное растворяться в припоях. Для предотвращения этого в состав припоя вводят до 3% серебра (припой ПСрОС 3-58). Нанесенные на подложку и отвержденные токопроводящие пасты способны облуживаться этим припоем и в последующем паяться обычными припоями.

Свойства отверждаемых паст:

Сопротивление квадрата пленки, Ом .............................................0,05

Толщина пленки, мкм.......................................................................30

Адгезия к подложке из стеклотекстолита, Н/см²..........................100

Проводящие пасты активно используются в так называемой сухой технологии печатных плат вместо химической металлизации отверстий. Проводники по этой технологии отделяются от общего массива фольги фрезерованием изоляционных дорожек, а электрическая связь двух сторон платы осуществляется через отверстия, наполненные проводящей пастой.

Ограничение в использовании клеев обусловлено использованием благородных металлов, имеющих минимальное сопротивление контактирования частичек друг с другом. Все другие металлы несут на поверхности окисные пленки, имеющие или полупроводниковую проводимость (медь), или не имеющие проводимости (алюминий).

Тем не менее исследования в области создания проводящих паст, получивших название — контактолы, продвигаются в область использования неблагородных металлов с поиском раскислителей, которые, будучи введенные в связующее, будут предотвращать окисление частичек неблагородных металлов.