Физико-химическое содержание процесса пайки.

Пайкой называется процесс соедине­ния материалов в твердом состоянии путем введения в зазор легкоплавкого металла — припоя, взаимодействую­щего с основными материалами и об­разующего жидкую металлическую про­слойку, кристаллизация которой при­водит к образованию паяного шва. Из определения следует, что:

– пайка происходит при температу­рах, существенно меньших темпера­тур плавления соединяемых мате­риалов, что уменьшает их перегрев;

– возможно соединение как металли­ческих, так и неметаллических ма­териалов;

– в зоне контакта должен образовываться промежуточный слой, состоящий из припоя и продуктов его взаимодействия с паяемыми материалами.

Для образования качественного пая­ного соединения необходимо:

– подго­товить поверхности соединяемых де­талей;

– активировать материалы и при­пой;

– удалить оксидные пленки в зоне контакта;

– обеспечить взаимодействие на межфазной границе раздела;

– соз­дать условия для кристаллизации жид­кой металлической прослойки.

Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механическую, хими­ческую или электрохимическую очи­стки от оксидов, загрязнений органи­ческого и минерального происхожде­ния, а также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или по­вышающих прочность и коррозион­ную стойкость паяных соединений.

Удаление продуктов коррозии и ок­сидных пленок механическим спосо­бом проводят с помощью режущего инструмента (напильника, шлифо­вального круга, шабера), а также наж­дачной бумаги, проволочной сетки. Для повышения производительности при обработке протяженных или сложнопрофилированных изделий применяют гидроабразивную очистку с помощью струи жидкости или вра­щающихся щеток из синтетического материала с добавлением в моющий состав абразивных частиц. Образова­ние шероховатой поверхности после механической обработки способствует увеличению растекания припоя, так как риски на поверхности являются мельчайшими капиллярами.

Удаление поверхностных пленок, препятствующих смачиванию расплав­ленным припоем, осуществляется как химическими, так и электрохимическими способами. Химическое обез­жиривание деталей проводят в 5 %-м растворе щелочи или в органических растворителях (ацетон, бензин, спирт, четыреххлористый углерод), спирто-бензиновых и спиртофреоновых сме­сях путем протирки, погружения, рас­пыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне.

Для ультразвукового обезжирива­ния используют ванны УЗВ 1-0,1, УЗВЗ-0,16, УЗВ-0,4, работающие на частотах 18–22 кГц в докавитационном режиме, который обеспечивает получение интенсивных микропотоков в моющей жидкости, что гарантирует высокое качество очистки мелких де­талей и ускоряет процесс в 5–10 раз.

Толстые слои оксидных пленок уда­ляют травлением, в растворах кислот или щелочей. Состав раствора опреде­ляется видом металла, толщиной ок­сидной пленки и требуемой скоро­стью травления. Электрохимическое травление ускоряет процесс растворе­ния оксидных пленок и проводится при плотности тока 2–5 А/дм². После травления детали тщательно промыва­ют в нейтрализующих растворах.

Очищенные детали необходимо не­медленно направлять на сборку и пай­ку, так как паяемость меди сохраняет­ся 3–5 сут, а серебра 10–15 сут. По­этому для обеспечения межопераци­онного хранения деталей и компонен­тов ЭА на их поверхности наносят ме­таллические покрытия, которые улуч­шают процесс смачивания припоем и сохраняют паяемость в течение дли­тельного времени. В качестве таких покрытий используют легкоплавкие припои (ПОС61, ПОСВ 33 и др.), сплавы олова с висмутом или нике­лем, золото, серебро, палладий и дру­гие металлы, которые наносят погру­жением в расплав, гальваническим или термовакуумным осаждением, а также плакированием. При первом методе погружение производят в рас­плавы припоев после предварительного флюсования. Гальванические по­крытия благородными металлами на­носят толщиной 3–6 мкм, остальны­ми – 6–9 мкм. Пленки, полученные термовакуумным осаждением, отлича­ются высокой равномерностью, отсут­ствием окисления покрытия, однако имеют малую толщину (0,1–1,0 мкм). Плакирование осуществляется совме­стной прокаткой паяемого металла и металла покрытия; при этом обеспе­чивается равномерная толщина по­крытия (100–150 мкм). После выпол­нения подготовительных операций или межоперационного хранения кон­тролируется пригодность деталей к пайке путем оценки паяемости.

Активация паяемых поверхностей необходима для физико-химического взаимодействия атомов основного ме­талла и припоя. При этом с поверхно­сти взаимодействующих металлов должны быть удалены оксидные плен­ки, а атомы должны достичь требуе­мого уровня энергии активации. При температуре пайки, когда все атомы возбуждены, скорость реакции взаи­модействия определяется уравнением:

 

 

где N₀ – число контактирующих ато­мов на поверхности основного метал­ла;

N – число атомов, вступивших в химическую связь;

γ – частота собст­венных колебаний атомов (для метал­лов 1·10¹³c^-1)

Q – энергия акти­вации для образования химической связи;

k – постоянная Больцмана (1,381·10 ^-23-Дж/К);

Т_п – температура пайки, К.

Проинтегрировав последнее уравне­ние при Т_п = const и следующих на­чальных и конечных условиях: t=0, N=0, t=t_n, N=N_n, получим время пайки, в течение которого прореаги­рует N_п атомов металла:

 

 

Следовательно, тепловая энергия активации Q оказывает решающее влия­ние на скорость взаимодействия ато­мов основного металла и припоя. По­скольку главным фактором образования паяного соединения является тепловая активация паяемых поверхностей, то ее характер определяет классифика­цию способов нагрева (рис. 3.4).

 

 

Рис. 3.4. Классификация способов нагрева при пайке

 

Существуют три способа переноса энергии в форме теплоты: теплопро­водностью, конвекцией и излучением. Перенос теплоты при пайке паяль­ником осуществляется за счет тепло­проводности паяльного жала, которое служит аккумулятором теплоты, вы­деляемой нагревателем. Взаимосвязь температуры жала Т_ж и нагревателя Т_н следующая:

 

где ch – косинус гиперболический;

α– коэффициент теп­лоотдачи с поверхности жала;

П – пе­риметр поперечного сечения жала;

λ – коэффициент теплопроводности стержня;

S – площадь поперечного сечения;

L – длина жала.

Скорость нагрева па­яльником зависит от тем­пературы жала и количе­ства теплоты, аккумулиро­ванного жалом (4–8 кДж). Удельная мощность, вы­деляемая в зоне пайки деталей паяльником, не превышает 1·10⁴ Вт/м².

Пайка расплавленным припоем осуществляется путем контакта паяемых деталей с обширной по­верхностью расплава, ак­кумулирующего значитель­но большее количество теплоты, чем паяльник, поэтому удельная мощность при этом достигает 10⁶ Вт/м², что со­кращает время пайки.

При газопламенном нагреве пламя горелки является конвективным теплообменным источником нагрева. Удель­ный тепловой поток:

 

 

где α – коэффициент теплоотдачи ме­жду пламенем горелки и нагреваемым материалом детали;

Т_пл – температура пламени;

Тд – температура детали.

 

Для газопламенной пайки, сварки, резки мелких деталей с высокой тем­пературой плавления применяют ап­параты с водородной микрогорелкой, в основу работы которых положен принцип электролиза воды электриче­ским током. Аппарат представляет со­бой настольный переносной прибор, состоящий из электролизера, смесите­лей, дополнительного смесителя, па­нели управления, горелки. Для увели­чения проводимости в дистиллирован­ную воду добавляют химически чис­тый едкий калий. В результате прохо­ждения электрического тока из рас­твора выделяются водород и кисло­род. В смесителе после прохождения через водный затвор смесь насыщает­ся парами бензина (спирта или ацето­на) и поступает в горелку. Управление электролизом воды осуществляется с помощью электронного регулятора мощности. Горелка формирует необ­ходимый факел пламени и снабжается быстросъемными наконечниками. При газопламенном нагреве возможны пе­режог деталей, окисление припоя вследствие неравномерности темпера­турного поля в зоне нагрева.

Более перспективны бесконтактные способы нагрева паяемых деталей раз­личными видами излучений. При пай­ке излучением высокой частоты (ВЧ) в деталях индуцируются токи, которые проходят главным образом в поверх­ностном слое толщиной δ и разогрева­ют детали до необходимой температу­ры. Глубина проникновения токов ВЧ:

 

 

где ρ, μ – соответственно удельное электрическое сопротивление и маг­нитная проницаемость металла;

f – частота тока.

Поскольку глубина проникновения зависит от частоты, то для толстостен­ных деталей (2–5 мм) применяют низ­кочастотный нагрев (66 кГц), для тон­костенных – ВЧ-нагрев (440; 1760 кГц). Скорость нагрева пропорциональна , удельная мощность в зоне на­грева составляет 10⁶–10⁸ Вт/м².

Технологической оснасткой при ВЧ-пайке является индуктор, пред­ставляющий собой катушку из не­скольких витков полой медной труб­ки, по которой в процессе нагрева интенсивно прокачивается охлаждаю­щая жидкость – вода. Витки индук­тора располагаются вблизи нагревае­мых деталей (рис. 3.5), при этом КПД нагрева:

 

 

где ρ_1, ρ₂ – удельные электрические сопротивления индуктора и детали соответственно.

 

 

Рис. 3.5. Схема нагрева токами ВЧ:

1,4- детали; 2 - припой; 3 - индуктор; D_н, D_д - диаметр индуктора и детали

 

КПД индуктора тем выше, чем больше значения ρ₂ и μ для нагревае­мого металла (для сталей η = 0,7– 0,8; для медных сплавов 0,5 – 0,6). Мощ­ность, выделяемая при высокочастот­ном нагреве в детали, рассчитывается по формуле:

 

 

где U_эф – эффективное напряжение на индукторе;

cosφ – коэффициент мощности, зависящий от расстояния h и магнитной

проницаемости μ;

n – число витков индуктора;

R_Д – элек­трическое сопротивление детали.

 

При заданной номинальной мощ­ности ВЧ-установки, постоянных зна­чениях коэффициента мощности, КПД нагрева и числа витков индукто­ра, которое ограничено размерами зо­ны нагрева, повышение эффективно­сти ВЧ-нагрева может быть достигну­то за счет снижения электрического сопротивления изделия, определяемо­го по формуле

 

 

где L_H – средняя длина зоны нагрева;

b – ширина зоны нагрева.

 

Эффективность нагрева повышает­ся, если в зоне нагрева образовать электрический короткозамкнутый кон­тур с малым удельным электрическим сопротивлением, расположенный вдоль паяемого соединения и выполненный в виде локального покрытия (медного, серебряного) толщиной 20 – 30 мкм либо специальной оправки.

Воздействие СВЧ -излучения мощ­ностью 5– 10 Вт на атмосферу рабоче­го газа (аргона) приводит к его иони­зации, что дает возможность получать плазменный стержень тлеющего раз­ряда диаметром 0,1– 10 мм с темпера­турой до 1000 °С. СВЧ-излучение от магнетронного генератора непрерыв­ного действия мощностью 5–10 Вт возбуждают в волноводно-коаксиальном тракте, в который подают аргон с небольшой добавкой водорода со ско­ростью 1–5 л/мин. С помощью плаз­менного стержня практически безы­нерционно можно вести пайку планарных выводов микросхем к кон­тактным площадкам плат. Недостат­ком метода является значительный градиент температур, как по длине стержня, так и в радиальном направ­лении.

Инфракрасное (ИК) излучение при­меняют для бесконтактного нагрева деталей в различных средах: на возду­хе, в контролируемой атмосфере, в ва­кууме. Зависимость интенсивности излучения I от температуры и длины волны источника устанавливает закон Планка:

 

где С₁, С₂ – постоянные Планка: С₁ =0,374· 10 ^–5 Вт, С₂ = 1,439·10 ^-2 м·К;

λ– длина волны излучения;

Т– аб­солютная температура.

Инфракрасное тепловое излучение находится в диапазоне длин волн 0,76– 1000 мкм, однако наибольшая эффективность (75 %) приходится на коротковолновый поддиапазон 0,75– 3,0 мкм. Падающее на паяемую по­верхность ИК-излучение вследствие поглощения незначительно проникает в глубь металла, частично отражаясь от его поверхности. Отражательная способность гладких поверхностей чистых металлов зависит от их удель­ного электрического сопротивления и температуры поверхности:

 

 

Для полированных поверхностей из серебра, алюминия коэффициент от­ражения составляет 95 %, поэтому они используются для изготовления рефлекторов ИК-установок. Неотра­женная часть излучения поглощается рефлектором, и в установках преду­сматривают его водяное или воздуш­ное охлаждение (рис. 3.6).

 

 

Рис. 3.6. Схема ИК-нагрева:

1 - рефлектор; 2 - ИК-лампа; 3 - маска; 4 - деталь

 

В качестве источников ИК-энергии используются галогенные кварцевые лампы мощностью 500–2000 Вт. Га­логенные (йодные, галоидные) лампы изготавливаются из кварцевого стекла и имеют вольфрамовую спираль с ра­бочей температурой порядка 3000°С и сроком службы 2000–5000 ч.

 

Рис. 3.7. Типы отражателей ИК-излучения

В процессах пайки широкое приме­нение получили два вида ИК-нагрева: локальный сфокусированный и пре­цизионный рассеянный. Для локаль­ного нагрева целесообразны отражате­ли эллиптической формы, фокусирую­щие излучение источника, помещенного в ближнем фоку­се рефлектора, на объ­ект нагрева в дальнем фокусе (рис. 3.7, а)

Для прецизионного нагрева используют параболи­ческие (рис. 3.7, б) ли­бо овально-цилиндри­ческие с сопловыми насадками рефлекторы (рис. 3.7, в).

Суммарный поток энергии от параболи­ческого рефлектора:

 

где Е_пр ,Е_отр – прямое от источника и отраженное от рефлектора излучение соответственно.

Поскольку профиль параболическо­го рефлектора описывается уравнением

где l/2 – расстояние от лампы до рефлектора, то прямое излучение в плоскости, перпендикулярной к оси лампы,

где I – интенсивность излучения ис­точника, Вт/м²;

R – радиус источни­ка;

h– расстояние до объекта.

Излучение, отраженное рефлекто­ром, определяется выражением:

 

 

где k – коэффициент отражения.

При длине волны λ_max =1,1мкм спектральная интенсивность излуче­ния достигает 50–60 Вт/(ср · мкм), где ср – стерадиан, а облученность равна (1,0–1,4)·10⁴ Вт/м².

К достоинствам пайки ИК-излучением следует отнести: бесконтактный подвод энергии к паяемым деталям, точную регулировку времени и темпе­ратуры нагрева, локальность нагрева в зоне пайки. Недостатки процесса – затруднение при флюсовой пайке (ис­паряющийся флюс загрязняет лампы и рефлекторы), отсутствие серийно выпускаемого оборудования.

Оптическое излучение в диапазоне длин волн 0,7–10,6 мкм, генерируе­мое различными типами лазеров, яв­ляется удобным, надежным и эконо­мичным видом бесконтактного нагре­ва. В технологии пайки используют лазерные установки, основным эле­ментом которых является оптический квантовый генератор (ОКГ), создаю­щий мощный импульс монохромати­ческого когерентного излучения. Пай­ка лазерным излучением не требует вакуума и позволяет соединять изде­лия из разнотолщинных элементов. В процессах пайки используют как не­прерывное, так и импульсное лазер­ное излучение.

Процессы пайки ЭРЭ и микросхем на печатные платы с помощью лазер­ного излучения, получаемого от твер­дотельного ОКГ на алюмоиттриевом гранате (АИГ) мощностью до 125 Вт с λ=1,06 мкм, отличаются высокой производительностью. Средняя плот­ность потока излучения в случае круг­лой формы луча с гауссовой кривой распределения определяется следую­щим образом:

 

где Р – падающая мощность излуче­ния;

V – скорость перемещения пла­ты;

D – диаметр луча на плате.

Для качественной пайки выводов микросхем к контактным площадкам печатных плат необходимо, чтобы плотность потока излучения составля­ла 1,95–2,0 Дж/мм². Перемещение пе­чатной платы со скоростью 8 мм/с обеспечивает производительность про­цесса 400–440 паек в минуту. Про­цесс пайки может быть легко автома­тизирован путем применения коорди­натного стола и системы ЧПУ, осуще­ствляющей управление столом и мощ­ностью излучения. Лазерное излучение не влияет на электроизоляционные свойства диэлектриков, если средняя плотность потока не превышает 3,4 и 2,8 Дж/мм² для материалов СФ-2-50 и ФТС соответственно.

Для низкотемпературной пайки за рубежом используют установки мно­готочечной пайки с голографическим делением луча (рис. 3.8). В этом слу­чае луч лазера, генерируемый ОКГ 1, с помощью телецентрической оптики 2 сначала расширяется до значитель­ного диаметра, а затем направляется как плоскопараллельный поток на голограмму 3.

 

Рис.3.8. Схема лазерной пайки.

 

Отражаясь от плоского зеркала 4, лучи направляются на уча­стки пайки 5 с высокой степенью ло­кальности. Для каждого процесса пай­ки необходима специальная голограм­ма, содержащая информацию о том, на какое количество элементарных лучей должен быть разложен пучок и в каких точках сфокусирован каждый из них.

Для пайки легкоплавкими припоя­ми изделий электронной техники дос­таточна мощность 5 Вт, выделяемая в зоне протекания процесса. Одним им­пульсом промышленного лазера мощ­ностью 20–50 Вт можно осуществлять пайку одновременно в нескольких точках. При использовании лазерных установок целесообразно применять в качестве припоев покрытия, которые, оплавляясь, образуют соединения.

В обычном состоянии поверхность металлов покрыта оксидными пленка­ми. Нагрев основного металла и рас­плавленного припоя приводит к тому, что их активность снижается вследст­вие взаимодействия с кислородом воз­духа и ростом оксидных пленок на поверхности. Удаление оксидных пле­нок в процессе пайки является необ­ходимым условием получения качест­венных паяных соединений. Класси­фикация способов удаления оксидных пленок приведена на рис. 3.9.

 

Рис.3.9. Классификация способов удаления оксидных пленок.

Константа равновесия реакции окисления металла К_р зависит от дав­ления паров кислорода в окружающей среде при данной температуре:

 

где , , – давление па­ров металла, кислорода и оксида соот­ветственно.

Уменьшив парциальное давление кислорода и увеличив температуру среды, можно сместить равновесие ре­акции в сторону разложения (диссоциации) оксида. Однако полное раз­ложение оксидов металла (например, олова, меди) происходит при очень низком давлении (10 ^-6 – 10 ^-8 Па) и температуре 600 – 700 °С.

При нагреве металлов в активных (восстановительных) газовых средах, в качестве которых используют азотно-водородную смесь или добавку оксида углерода, происходит восстановление оксидов металлов активными компо­нентами газовых сред.

Недостатком такого процесса явля­ется взаимодействие водорода с рас­плавленным припоем, что приводит в ряде случаев к появлению водородной хрупкости, образованию пор, трещин и других дефектов.

Суть механического удаления оксид­ных пленок с паяемой поверхности заключается в их разрушении под сло­ем жидкого припоя с помощью режу­щего или абразивного инструмента; при этом припой защищает паяемую поверхность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический контакт. В качестве режущего и абра­зивного инструмента используют ме­таллические щетки, сетки, а в качестве материалов – порошки из твердых материалов, асбест, вводимые в при­пой в мелкоизмельченном виде. Не­достатки метода – низкая производи­тельность, неравномерность удаления оксидных пленок, загрязнение припоя частицами абразива.

Самым распространенным спосо­бом удаления оксидов в процессе пай­ки является флюсование. Флюс как хи­мический реагент имеет два основных назначения: очистить поверхность ме­талла от оксидов; уменьшить поверх­ностное натяжение припоя и угол сма­чивания. Типичные представители ак­тивных флюсов содержат в качестве растворителя воду или спирты, актива­торами являются неорганические и ор­ганические кислоты либо их соли, на­пример соляная или фосфорная кисло­та, неорганические соли (ZnCl₂, NH₃CI, SnCl₂, CuCl и др.). При взаимодейст­вии хлористого цинка и воды образу­ется соляная кислота, которая раство­ряет оксиды на поверхности металла:

 

ZnCl₂ + Н₂О → Zn(OH)Cl + HC1,

CuO + 2НС1 → CuCl₂ + Н₂О.

 

В результате образуется хлористая медь, которую ввиду ее хорошей рас­творимости в воде необходимо удалять с поверхности детали. Поскольку флюс на основе хлористого цинка об­ладает высокой активностью, его ос­татки оказывают коррозионное воздей­ствие и должны тщательно удаляться.

Самофлюсование заключается в том, что в состав припоев вводят раскислители (бор, фосфор, литий, калий, на­трий), обладающие восстановительны­ми свойствами:

 

МеО + Р = РО + Me.

 

Примером являются припои систем Cu-P, Cu-Mn-Ni-B (ВПр4), кото­рые используются при пайке сталей в нейтральных газовых средах или ва­кууме.

Ультразвуковое удаление оксидных пленок основано на введении упругих механических колебаний частотой 18 – 45 кГц в расплавленный припой и создании в нем кавитации, а также ряда сопутствующих явлений: звуко­вого давления, микро- и макропото­ков. Кавитацией называется явление возникновения, развития и захлопы­вания газовых полостей в жидкой сре­де. Реальные жидкости и расплавы со­держат нерастворимые примеси, на поверхности которых в трещинах и углублениях могут находиться нерастворенные пузырьки газа размером 10^-6 –10^-7м. При введении в расплав УЗ-колебаний интенсивностью 10⁴ Вт/м² эти зародыши кавитации начинают пульсировать с частотой колебаний. Их количество увеличивается за счет образования разрывов в жидкой среде при интенсивностях ультразвука более 2·10⁴Вт/м².

Динамика развития кавитационной полости размером 1·10 ^-5 м в ультра­звуковом поле при различных интен­сивностях ультразвука показана на рис. 3.10.

 

 

Рис.3.10. Динамика кавитационной полости в рас­плаве припоя

 

При захлопывании пузырька сконцентрированная в ничтожно ма­лом объеме кинетическая энергия трансформируется частично в силовой импульс и частично в тепловую энер­гию. Из центра захлопнувшегося пу­зырька распространяется ударная сфе­рическая волна, давление в которой на расстоянии, равном 10R₀ (по рас­четным данным), составляет 150 Па, а температура – 1000 °С и выше. Захло­пывание кавитационных полостей и создание микропотоков в расплавлен­ном припое приводят к удалению ок­сидных пленок с поверхности металла, что позволяет осуществлять пайку и лужение труднопаяемых металлов: алю­миния, магния и никеля, тугоплавких металлов и сплавов на их основе.

При распространении УЗ-волн на­ряду с переменным ультразвуковым давлением Р_уз возникает однонаправ­ленное давление звукового излуче­ния – радиальное давление, которое проявляется при падении волны на препятствие и на поверхности «жид­кость – газ» вызывает вспучивание или фонтанирование жидкости:

 

где k – коэффициент отражения;

/ – интенсивность звукового давления;

с–скорость звука в среде.

 

Генерация упругих механических колебаний УЗ-частоты осуществляется магнитострикционными и пьезоэлек­трическими преобразователями с час­тотой колебаний 22 и 44 кГц и ампли­тудой колебаний 10–25 мкм. Преоб­разователи встраиваются в ванны и паяльники, излучающие поверхности которых изготавливаются из кавитационно-стойких материалов (нержа­веющие стали, титановые сплавы). Электрическая мощность установок для УЗ-пайки не превышает 0,4–2,5 кВт. Время пайки или лужения со­ставляет 5–10с, скорость перемеще­ния излучателя паяльника (0,8– 1,6)·10^-2 м/с, а оптимальный зазор ме­жду торцом излучателя и паяемой по­верхностью 0,2–3,0 мм (рис. 3.11).

 

 

 

Рис.3.11. Схема ультразвуковой пайки:

1 - оксид; 2 - припой; 3 - излучатель паяльника;

4 - кавитационный пузырек; 5 - шлак; б – металл.

 

С помощью УЗ-металлизации уда­ется соединять непаяемые материа­лы – керамику, стекло, ферриты и др. Однако это требует специальных при­поев, объективного контроля режимов процесса (амплитуды и частоты коле­баний), а также специальных мер про­тив повышенного окисления припоя.

Плазмохимический способ заключает­ся в использовании энергии потока ускоренных ионов активных газов, получаемых в вакууме при ионно-плазменном или магнетронном рас­пылении. Воздействие ионного луча на поверхность металла приводит к испарению оксидной пленки в зоне обработки. Недостатком является не­обходимость высокого вакуума, слож­ного технологического оборудования, что ограничивает применение метода.

Взаимодействие на границе основ­ной металл – жидкий припой связано с процессами смачивания и растека­ния припоя по паяемой поверхности. Процесс смачивания основного ме­талла припоем состоит в замене меж­атомных связей, возникших между металлами в твердой фазе, на метал­лическую связь атомов на границе раздела между ними. При этом взаимодействие сил поверхностного натяже­ния определяет контактный угол сма­чивания θ (рис. 3.12).

 

Рис. 3.12. Схема равновесия сил поверхностного натяжения:

1 - газ; 2 - припой; 3 - основной металл.

 

Условию равно­весия капли на поверхности отвечает минимум свободной поверхностной энергии Е_П, под которой понимают избыток энергии поверхностных ато­мов вследствие несбалансированности сил связи в решетке. При этом изме­нение поверхностной энергии описы­вается уравнением Юнга:

 

( 3.1)

 

Из этого выражения следует, что:

 

(3.2)

 

Величина служит параметром для количественной оценки степени смачивания:

– полное смачивание при: ; ;

– ограниченное смачивание при: ;

– несмачивание при:

 

 

Рис. 3.13. Схема равновесия сил поверхностного натяжения во флюсовой среде:

1 - газ; 2 - флюс; 3 - припой; 4 - основной металл.

 

 

Работа сил адгезии W_a связана с об­разованием межфазной границы с энергией вместо единичных по­верхностей с энергиями и :

 

(3,3)

 

Для преодоления сил сцепления частиц внутри самой жидкости (сил когезии) необходимо затратить работу сил когезии по образованию двух еди­ничных поверхностей жидкости с энергиями т. е.

(3.4)

 

С учетом выражений (3.1) и (3.4) можно формулу (3.2) привести к виду:

 

 

Жидкие металлы и сплавы облада­ют более высоким поверхностным на­тяжением, чем неметаллические жид­кости. Так, для припоя типа ПОС 61 σ_1,2 = 0,5 Н/м, что на порядок превы­шает поверхностное натяжение воды. В этом случае образование связи под действием сил Ван-дер-Ваальса не мо­жет обеспечить смачивание. Для вы­полнения при пайке условия смачива­ния на межфазной границе должны образовываться высокоэнергетические межатомные связи химической приро­ды с большой работой сил адгезии W_a (металлические, металлоковалентные и др.). Реальные пути улучшения сма­чивания заключаются в применении защитных газовых сред (снижение σ_1,2) и более тщательной очистке кон­тактирующих поверхностей твердой и жидкой фаз от оксидных пленок (сни­жение σ_2,3 ).

При рассмотрении условий равно­весия системы припой –основной ме­талл во флюсовой среде (рис. 3.13) вместо σ_1,2 вводят σ_2,4 (межфазное на­тяжение на границе флюс – основной металл). При этом σ_2,4 < σ_2,1, σ_3,4 < σ_1,3 , а уравнение для краевого угла имеет вид:

 

Для реализации условия смачива­ния в данном случае необходимо вы­теснение припоем прореагировавшего флюса по мере удаления оксидной пленки с поверхности основного ме­талла, что выполняется при σ_2,3 < σ_3,4 . При достаточном химическом сродст­ве компонентов основного металла и припоя энергия σ_2,3 мала, а работа W_a велика. В этом случае реализуется второе условие смачивания: W_a > σ_2,4 .

Растекание припоя по поверхности основного металла происходит в ре­зультате взаимодействия сил поверх­ностного натяжения и сопровождается сближением жидкой и твердой фаз. Коэффициент растекания определяет­ся из условия разности работ сил ад­гезии и когезии:

 

 

При смачивании и растекании при­пой заполняет зазоры между соеди­няемыми деталями, образуя мениски вблизи вертикальных стенок и прояв­ляя тем самым капиллярные свойства. Разность давлений, действующих на искривленную поверхность жидкости, называют капиллярным давлением р_к, которое определяется уравнением Ла­пласа:

 

(7.5)

 

где р₁, p₂ – давление жидкости для выпуклой и вогнутой поверхностей со­ответственно;

R₁, R₂ – радиусы кри­визны рассматриваемого элемента по­верхности.

Для выпуклой поверхности р_к счи­тают положительным и направленным внутрь жидкости, для вогнутой по­верхности р_к отрицательно и направ­лено наружу от поверхности жидко­сти. При малом диаметре D капилляра свободная поверхность жидкости име­ет форму сферы (рис. 3.14) радиусом:

 

Подставив значение радиуса мени­ска в уравнение (7.5), получим:

 

 

 

Рис.3.14. Схема подъема жидкости в капилляре.

 

Разность давлений р₁ – p₂ уравнове­шивается столбом расплавленного при­поя высотой h:

 

(3.7)

Из уравнений (3.6) и (3.7) видно, что высота подъема припоя в капил­ляре круглого сечения прямо пропор­циональна его поверхностному натя­жению и смачивающей способности и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности припоя:

 

Отличие расплавов припоев от обычных жидкостей состоит в том, что жидкий припой представляет со­бой систему, состоящую из несколь­ких компонентов, и в процессе его растекания происходит физико-хими­ческое взаимодействие компонентов и основного металла, дополнительное растворение элементов основного ме­талла в припое, взаимодействие с га­зовыми и флюсующими средами. При вытеснении припоем флюса из капил­ляра высота подъема припоя будет определяться выражением:

 

 

В горизонтальном капилляре ши­риной h для припоя с вязкостью η время затекания t на длину капилляра l определяется следующим образом:

 

 

На втором этапе физико-химиче­ского взаимодействия припоя и ос­новного металла главную роль играют процессы диффузии. Теоретически процесс диффузии при постоянной температуре и стационарном во вре­мени потоке вещества описывается первым уравнением Фика:

 

где m – количество диффундирующе­го вещества;

D – коэффициент диф­фузии;

С– концентрация вещества;

х – координата.

 

Минус указывает на то, что процесс диффузии идет в на­правлении уменьшения концентрации вещества.

В реальных условиях скорость диф­фузии – величина переменная во вре­мени, поэтому процесс диффузии опи­сывается вторым уравнением Фика:

 

где С_х – скорость изменения концентрация диффунди­рующего вещества.

 

Коэффициент диффузии зависит от температуры:

 

 

где D₀ – коэффициент, зависящий от типа кристаллической решетки;

Q – энергия активации диффузии;

R – универсальная газовая постоянная: R = 8,31 кДж/(кмоль·град);

Т– абсо­лютная температура.

Для практических целей решение второго уравнения Фика имеет вид:

 

 

где С_x – концентрация диффундирующего веще­ства на глубине х от по­верхности;

С₀ – концентрация элемента на поверхности;

Ф – интеграл функции ошибок Гаусса.

 

На скорость процесса диффузии помимо температуры оказывает влия­ние состояние металла. Наклеп, со­провождающийся искажением кри­сталлической решетки и появлением вакансий, увеличивает диффузию по границам зерен и вдоль дислокации, что приводит к увеличению диффузи­онной зоны. Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить меха­ническую прочность соединений, одна­ко образование интерметаллидных со­единений в спае типа Cu₃Sn, AuSn₂ при глубокой взаимной диффузии ком­понентов вызывает снижение прочно­сти паяных соединений (рис. 3.15).

 

 

Рис. 3.15. Зависимость прочности паяных соеди­нений

от ширины диффузионной зоны

 

Процесс кристаллизации при пайке сопровождается затвердеванием жид­кой металлической прослойки рас­плавленного металла, находящегося в зазоре. При этом изменение энтропии системы ΔS равно разности энтропии жидкого и твердого состояний:

 

где Q_пл – скрытая теплота плавления;

Т_к – температура кристаллизации.

 

Основными особенностями кри­сталлизации при пайке являются:

– неравновесность процесса, т. е. от­сутствие выравнивания состава в жидкой фазе, что приводит к выде­лению в паяном шве наряду с легкоплавкими тугоплавких фаз повышенной хрупкости;

– влияние основного металла, которое проявляется в эпитаксиально-ориентированной кристаллизации зерен припоя вблизи поверхности основ­ного металла;

– ярко выраженная ликвация в пая­ном шве – появление зональных неоднородностей, дендритных обра­зований, отличающихся меньшей прочностью;

– зависимость характера кристаллиза­ции от объема припоя в зазоре.

Для получения надежных паяных соединений применяют эвтектические припои с узкой зоной кристаллиза­ции, а также уменьшают время кри­сталлизации, что способствует получе­нию мелкозернистой структуры спая. В результате физико-химического взаимодействия припоя и основного металла образуется паяное соединение с определенной структурой. Паяный шов включает зону сплавления (при­пой) и образовавшиеся диффузион­ные зоны на границе между припоем и основным металлом (рис. 3.16).

 

 

Рис.3.16. Структура паяного соединения:

1,5 - соединяемые детали; 2,4 - зоны диффузии; 3 -припой

 

 

Конечная структура и состав паяного соединения зависят от природы взаи­модействующих металлов, их химиче­ского сродства, времени и температу­ры пайки. Различают следующие спаи:

– бездиффузионный, в котором сущест­вующими методами анализа не удается обнаружить зоны диффузии; такой спай образуется между метал­лами со слабым химическим сродством, низким коэффициентом взаимной диффузии, малым временем пайки и ограниченной температу­рой (например, соединение Fe – Sn);

– растворно-диффузионныйь в котором реагирующие компоненты образуют твердые растворы или промежуточные фазы (интерметаллиды, например Аu–Sn, Ag–Sn и др.);

– контактно-реакционный, который во­зникает при контакте металла с полупроводником; в результате образу­ется эвтектический сплав с низкой температурой плавления (Аu–Si).