§ 2. ЗАЛУЖИВАНИЕ ВЕТВЕЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ

Одним из самых ответственных процессов в технологии изготовления термоохлаждающих приборов является коммутация термоэлементов и как одна из составных частей зтого процесса — залуживание веткой.

Как указывалось выше, добротность термоэлемента определяется величиной

В этой формуле учитывается только удельное сопротивление материала ветвей термоэлемента и предполагается, что все остальные сопротивления в цепи термоэлемента бесконечно малы. В реальных конструкциях к собственному сопротивлению ветвей термоэлемента добавляется сопротивление переходных контактов между полупроводником и коммутационными пластинами холодного и горячего спаев. Нетрудно показать, что в этом случае добротность реального термоэлемента будет определяться соотношением:

где сопротивление в месте контакта полупроводника с коммутационной пластиной площадью длина ветви термоэлемента, см.

Из приведенного соотношения видно, что контактное сопротивление уменьшает величину добротности термоэлемента, а значит, ухудшает рабочие параметры прибора.

Поэтому одной из основных задач техники термоэлектрического охлаждения является изыскание способов соединения полупроводника с коммутационными пластинами с достаточно малыми переходными сопротивлениями. Элементарные расчеты показывают, что величина удельного переходного сопротивления должна быть . Это условие может быть выполнено при непосредственной пайке коммутационных пластин к ветвям термоэлемента. Однако, как известно, процесс пайки всегда сопровождается диффузией припоя в материал спаиваемых деталей. Если при пайке обычных материалов эта диффузия только увеличивает механическую прочность пайки, то в случае пайки полупроводников даже незначительное проникновение припоя в основной материал полупроводника может радикальным образом изменить свойства последнего. С другой стороны, для получения механически прочного паяного необходимо допустить диффузию припоя в полупроводник.

Решение этого вопроса лежит в изыскании соответствующих припоев, которые должны отвечать следующим основным требованиям: 1) не образовывать с материалом полупроводника соединений, обладающих большим омическим сопротивлением; 2) при проникновении в полупроводник не изменять его электрические, механические и тепловые свойства; 3) иметь температуру плавления не выше в расплавленном состоянии хорошо смачивать полупроводник; 5) при температуре плавления быть

жидкотекучим; 6) иметь небольшую разницу в температурах начала и конца плавления (небольшая разница между линиями ликвидуса и солидуса); 7) обладать достаточной прочностью.

Вполне очевидно, что подобрать припой, отвечающий всем перечисленным требованиям, весьма трудно. Однако достаточно близкими свойствами обладают припои на основе висмута. Наиболее хорошо зарекомендовали себя на практике припои, состав и температура плавления которых приведены табл. 15.

Таблица 15 (см. скан) Состав и свойства припоев для залуживания полупроводников

Нанесение слоя припоя на торцовые поверхности ветвей термоэлемента производится электрическим паяльником, снабженным бойком из чистого никеля. Применение никелевого паяльника вместо медного вызвано тем, что медь растворяется в припое, проникает в полупроводник и образует с последним теллуристые соединения, обладающие большим сопротивлением. Температура разогрева паяльника должна быть на 20—30° выше температуры плавления используемого припоя. Более значительный перегрев паяльника недопустим.

Для того чтобы припой хорошо смочил поверхность полупроводника, при пайке необходимо применять флюс. Флюс для пайки ветвей термоэлементов должен удовлетворять следующим требованиям: 1) иметь температуру плавления значительно более низкую, чем температура плавления припоя; 2) в жидком состоянии хорошо смачивать поверхность полупроводника; 3) в жидком состоянии обладать нейтральными или слабо восстанавливающими действиями; 4) не вступать в реакцию с припоем и полупроводником; 5) после пайки легко удаляться. Всем перечисленным свойствам употреблении висмут-оловяиных и в удовлетворяет чистый стеарин, который обычно и употребляется в качестие флюса.

При использовании висмуто-сурьмянистых припоев, имеющих более высокую температуру плавления, лучше применять флюс,

состоящий из 20% нашатыря замешанного на глицерине.

Были проведены эксперименты по залуживанию ветвей ультразвуковым паяльником. Положительных результатов эти опыты не дали, так как полупроводник, будучи довольно мягким, под влиянием ультразвуковых кавитаций разрушается на поверхности, что препятствует сцеплению припоя с полупроводником.

Проводились опыты по предварительной подготовке поверхности полупроводника к пайке путем гальванического осаждения тонкого слоя никеля или железа. Полученные при этом результаты показали отсутствие переходных сопротивлений в местах покрытий. Однако практическая реализация зтого способа коммутации сопряжена со значительными технологическими трудностями.

При залуживании полупроводника чистым висмутом или висмутовыми припоями слой припоя обычно должен иметь толщину Это необходимо для того, чтобы создать своеобразный буферный слой, который должен разделять полупроводник и коммутационную пластину, коэффициенты линейного расширения которых сильно разнятся. Без наличия буферного слоя под влиянием частых температурных ударов, возникающих при включении и выключении термобатареи, в спае возникают микротрещины, увеличивающие переходное сопротивление и соответственно снижающие эффективность термобатареи.