Лекция 4

Бездиффузный спай обеспечивает создание соединения без изменения физико-химических свойств паяемого металла, поэтому он имеет наибольшее значение при соединении чистых металлов, полупроводников с металлами, то есть при создании соединений, в которых необходимо обеспечить сохранение физических свойств материалов в зоне спая. Например, при пайке полупроводников с металлами механизм взаимодействия припоя с монокристаллическим кремнием носит локальный, дислокационный характер, взаимодействие начинается в местах выхода на поверхность физических микродефектов, образующих активные центры. С увеличением температуры пайки или времени выдержки бездиффузионный спай превращается в растворно-диффузионный.

Смачивание, растекание, заполнение сборочного зазора припоем, химическая эрозия паяемого металла, образование прослоек химических соединений на границе паяного шва с паяемым металлом, развитие пористости в шве, охрупчивание паяемого металла под действием расплава припоя, температура распайки паяного шва.

Характеристика и условия образования спаев

Лекция 3

Спай– переходной слой, который образуется в результате смачивания при температуре пайки и последующего физико– химического взаимодействия на границе раздела разнородных фаз: твердого паяемого металла, расплава припоя и газовой среды.

Физико-химическое взаимодействие паяемого металла и расплава припоя - это многостадийный процесс, который сопровождается изменением состава и свойств жидкой и твердой фаз.

Основные характеристики совместимости паяемого металла и припоя при пайке следующие:

Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.

Для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности паяемого металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов и условий пайки, требований к свойствам паяных соединений и учитывая физико – химические, технологические, конструкторские и эксплуатационные факторы, возможное создание таких спаев: бездиффузионного; растворно-диффузионного; контактно-реакционного; диспергированного; спая сращивания; металло-неметаллического.

Условием образования бездиффузионного спая является сокращение времени контакта жидкого и твердого металлов до значений, меньших периода ретардации диффузионных процессов :

Тn=Тсм; τ_n‹ τ_р,

где Тn и Тсм – соответственно температура пайки и смачивания припоем паяемого металла; τ_n– длительность контакта твердого и жидкого металлов при пайке; τ_р– период ретардации.
Смачивание паяемого металла припоем создает условие для растворно-диффузионных процессов по границе взаимодействия. Скорость процесса взаимодействия между паяемым металлом и припоем зависит от интенсивности переноса входящих в их состав компонентов в зону спая.

Растворно-диффузионный спай образуют металлы с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии, либо с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, образующие эвтектики или химические соединения. Условия образования растворно-диффузионного спая:

Т_пл.пр.‹ Тn ‹ Т_пл.ом;τ_р ‹ τ_n‹ τ_u.k,

где Т_пл.пр, Т_пл.ом – температуры плавления соответственно припоя и паяемого металла. τ_u.k – длительность изотермической кристаллизации во всем объёме зоны сплавления.

При образовании растворно-диффузионных спаев возможно появление непрерывных и ограниченных твердых растворов, эвтектик и интерметаллидных соединений.

Характер взаимодействия паяемого металла и припоя зависит от условий и режима пайки, следствием чего является исключительно большое разнообразие строения, структур и свойств растворно-диффузионных спаев.

Растворение паяемого металла в расплаве припоя создает условия для выделения избыточной фазы при затвердевании расплава, поэтому признаком растворно-диффузионного спая является наличие прикристаллизованного слоя определенного состава.

Спай, который образуется при диффузионной пайке в результате изотермической кристаллизации, называется спаем сращивания.

Образование спая сращивания происходит при развитии растворно-диффузионных процессов. Условия образования спая сращивания:

Т _пл.пр.‹ Тn _.‹ Т_пл.ом; t_n › t_uk

При изотермической кристаллизации при температуре пайки образуется прослойка постоянного состава в результате выделения из расплава зоны сплавления на поверхность паяемого металла твердой фазы; этот вид спая создает непрерывную структурную связь в зоне шва.

В результате протекания диффузионных процессов при значительной выдержке при температуре пайки при определенном пересыщении расплава компонентами паяемого металла происходит выделение из него твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация.

Дальнейшая выдержка при температуре пайки ведет к диффузионному выравниванию состава образовавшихся в шве сплавов. Продолжительность образования спая сращивания возможно рассчитать с учетом природы взаимодействующих материалов.

Сокращение времени образования спая сращивания может быть достигнуто при термоциклировании. Действие термоциклирования обусловлено интенсификацией диффузионных процессов, ускорение диффузии в твердой фазе возможно при скоростном нагреве, создании дефектной структуры поверхностных слоев паяемых металлов. Для исключения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают выше температуры плавления интерметаллидов.

Контактно-реакционным спаем называется прослойка сплава переменного состава, образующаяся на границе с основным металлом в результате контактного плавления.

Контактно-реакционный спай образуется:

- при пайке разнородных металлов, образующих эвтектические сплавы или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус; при определеном сочетании паяемых металлов процесс идет без припоя и при температуре ниже точек плавления взаимодействующих металлов;

- при пайке металлов, образующих с прослойкой третьего металла ограниченные твердые растворы с эвтектикой или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус.

Условия образования контактно-реакционного спая:

Т_k.n.min≤ T_n‹ T_{пл.о.м ;}τ_р‹ τ_n

Т_k.n.min– температура плавления наиболее легкоплавкой в данной системе эвтектики или твердого раствора.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов спай может иметь эвтектический состав, либо быть твердым раствором.

В практике пайки стремятся максимально ограничить толщину прослойки второго металла при соединении однородных металлов, поскольку образующаяся при контактном плавлении эвтектическая составляющая хрупкая. С этой целью для нанесения второго металла часто используют гальваническое покрытие или термовакуумное напыление - уменьшение прослойки способствует увеличению прочности соединения.

Минимальная толщина прослойки зависит от способности контактирующих металлов образовывать жидкую фазу, от температуры пайки, от свойств оксидной пленки на поверхности металлов.

Направление процессов при формировании контактно-реакционного спая прямо противоположно направлению процессов, протекающих при формировании растворно-диффузионного спая. Увеличение времени выдержки приводит не к исчезновению жидкой фазы, как это имеет место при образовании растворно-диффузийного спая и спая сращивания, а к возрастанию ее количества.

Диспергированный спай образуют металлы с отсутствием взаимной растворимости. При определенном перегреве ( в 4-5 раз) припой приобретает свойства поверхностно-активного вещества (ПАВ), под влиянием адсорбционного эффекта поверхностная энергия паяемого металла понижается до неизмеримо малых величин, в результате адсорбционного понижения прочности поверхности паяемого металла под действием перегретого расплава припоя происходит ее диспергирование на частицы коллоидных размеров; при длительных выдержках зазор может полностью перекрываться дисперсными частицами, в результате в спае образуется непрерывная структурная связь.

Условия образования спая:

Т_см≤ T_n‹ T_{пл.о.м ;}t_р‹ t_n ‹ t_{непрер.структ. связи}

Изменение количества жидкой фазы в шве при образовании диспергированных спаев может быть только в результате диффузии атомов припоя по границам зерен и блоков и дефектам структуры. Одновременно в результате адсорбционного понижения прочности основного металла под действием расплава припоя происходит его диспергирование. Размер дисперсных частиц определяется физико-химическими свойствами основного металла и расплава.

Металло-неметаллический спай – переходная зона, которая образуется при пайке в процессе взаимодействия неметалла (керамики, графита) с металлом (припоем).

Технологические процессы пайки металлов и неметаллических материалов используют при пайке металлов с керамикой, стеклом, кварцем, полупроводниками, графитом. Процессы получения спая между металлами (припоями) и оксидными системами неметаллических материалов можно разделить на три группы:

Первая группа включает технологические процессы, при которых спай получается в результате введения расплавленного припоя непосредственно на поверхность неметаллического материала; в качестве добавок к металлическим припоям используют химически активные к кислороду металлы – Ti, Zr, Al, Si, Мп. При применении металлических припоев в соединении паяемого металла с неметаллом образуется два вида спаев: металлический, между паяемым металлом и припоем, и металло-неметаллический, между припоем и неметаллическим материалом.

Вторая группа включает технологическиепроцессы соединения металлов с неметаллами при предварительном нанесении на неметаллический материал металлического слоя. В этом случае перед пайкой на поверхность стекла или керамики путем вжигання (серебра, платины), металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слоя металла. После этого процесс пайки принципиально ничем не отличается от обычного, применяемого при соединении металлов.

Третья группа технологических процессов обеспечивает соединения металлов с неметаллами путем применения переходных слоев из стекла, глазури, эмали. Стеклоприпои представляют собой смеси окислов металлов с определенным коэффициентом температурного расширения. Основными факторами, определяющими получение прочного спая, является природа сил связи и характер химического взаимодействия.