Технологии пайке |

Часть 8

Пятница, 11 Сен 2009

При смачивании серебра в вакууме адсорбированный слой при температуре пайки не образуется, расплав припоя взаимодействует непосредственно с металлом подложки. Поэтому снижения межфазной энергии в результате адсорбции газов на границе твердой и жидкой фаз не происходит.

При применении в качестве подложки неблагородных металлов на границе твердой и жидкой фаз будет протекать взаимодействие окисной пленки с расплавом припоя.

Термодинамическая оценка вероятности взаимодействия окиси и закиси меди с металлами Bi, Pb, Sn и Cd показала, что реакции взаимодействия между окисью и закисью меди и металлами, применяемыми в качестве припоев, возможны, начиная с момента смачивания ими основного металла.

Термодинамическая последовательность взаимодействия выражается в виде ряда Sn, Cd, Pb, Bi, что согласуется и с результатами экспериментов.

При взаимодействии расплава припоя с окисной пленкой на основном металле образование химической связи между атомами металлов и окислами становится возможным, когда атомы металла передают свои электроны ионам кислорода окисла в процессе диссоциации последнего. Процесс диссоциации окислов сопровождается разрывом связей кислород —металл. Кислород, забирая электроны, образует в жидком металле комплексы Ме+, локализуя на себе валентные электроны разорванных химических связей.


Часть 7

Пятница, 11 Сен 2009

Замена воздушной среды вакуумируемого пространства аргоном исключает возможность взаимодействий твердого и жидкого металлов с активными газами атмосферы воздуха и, следовательно, не происходит снижения их поверхностной энергии.

Условия растекания припоев в камере пайки в этом случае не меняются с изменением степени разрежения.

Прочность связи кислорода с металлами увеличивается в направлении Ag—Си—Ni— Fe, поэтому для оценки влияния на процесс растекания припоев устойчивости окисной пленки на основном металле в качестве последнего было исследовано серебро. Окислы серебра в атмосфере воздуха разлагаются уже при 200° С. При более высоких температурах на поверхности серебра не будет окисной пленки, исключается образование и слоя адсорбированного кислорода. Поэтому площадь растекания припоев в камере пайки, предварительно заполненной воздухом, не должна зависеть от степени вакуумирования. Эксперименты показали, что растекание индия и олова по серебру при 500° С не зависит от степени разрежения.

Экспериментальные данные показывают, что влияние на процесс растекания припоев в вакууме оказывает совокупность ряда факторов. Основными из них являются состав паяемого металла и припоя, состав и парциальное давление газов в камере пайки.


Часть 6

Пятница, 11 Сен 2009

Для индия и галлия при растекании по меди имеет место максимум площади растекания, что связано с образованием между основным металлом и припоем растворов. Увеличение площади растекания олова по меди связано с его вторичным растеканием. В вакууме 1-10-2 мм рт. ст. в интервале температур 650— 950° С вторичное растекание по меди имеют не все припои. Если для индия вторичное растекание проявляется отчетливо, то для галлия и олова оно едва заметно, а для свинца, висмута и кадмия совсем не наблюдается. Вторичное растекание, как показали эксперименты, вызывается образованием в процессе взаимодействия припоя с основным металлом сплава, обладающего более высокой способностью растекаться, чем припой в исходном состоянии. Это явление связано с распространением наиболее легкоплавкой фазы припоя по границам зерен основного металла.

Зависимость площади растекания индия по армко-железу имеет тот же характер, что и по меди, но максимальное растекание наблюдается не при 750° С, а при 950° С.

В условиях пайки армко-железа высокотемпературными припоями установленная закономерность изменения площади растекания от степени разрежения сохраняется. Механические испытания образцов из армко-железа, паянных медью, при различных степенях разрежения показали, что при вакууме 10~2 мм рт. ст. свойства не снижаются, а в отдельных случаях наблюдается более высокая прочность соединений.


Часть 5

Четверг, 10 Сен 2009

При снижении температуры пайки указанная зависимость площади растекания от степени вакуумирования сохраняется.

Применение в качестве основного металла армкожелеза не приводит к ее изменению.

Установленная закономерность влияния вакуума на температуру смачивания и интенсивность растекания припоев по основному металлу может быть объяснена своеобразием процесса взаимодействия остаточных газов в камере пайки с основным металлом и расплавом припоя. Известно, что содержащиеся в камере нагрева газы обладают различной, в зависимости от парциального давления, адсорбируемостыо на металлах. При определенном, своем для каждого газа, парциальном давлении достигается максимальная адсорбируемость, соответствующая наибольшему снижению поверхностной энергии твердого и жидкого металлов. При этом давлении происходит наибольшее снижение межфазной энергии на границе основной металл — расплав припоя, отвечающее наименьшей температуре смачивания и максимальной площади растекания припоя.

При постоянной степени вакуумирования увеличение температуры вначале вызывает рост площади растекания. Дальнейшее повышение температуры, особенно в случае образования между основным металлом и припоем растворов, приводит к резкому снижению растекания.


Часть 4

Четверг, 10 Сен 2009

Растекание припоя по основному металлу при пайке в отдельных случаях происходит в две стадии. Первая соответствует быстрому растеканию под действием сил поверхностного натяжения, вторая характеризуется медленным растеканием. Такое вторичное растекание имеет место, например, при пайке меди припоями, содержащими от 30 до 70% олова. Иногда на второй стадии площадь, образованная растекшимся припоем, может несколько уменьшаться или эффект вторичного растекания совершенно прекратится. Данное обстоятельство связано с физико-химическими свойствами взаимодействующей пары и температурой. Природа этого явления связана с образованием между основным металлом и припоем сплава, обладающего более высокой смачивающей способностью, чем припой в исходном состоянии. Так, припой при температуре 250° С имеет характерное вторичное растекание, при 300° С оно полностью отсутствует. На растекание припоев при пайке в вакууме большое влияние оказывает разрежение в камере пайки.

Когда металл и его окисел находятся в конденсированном состоянии, константа равновесия т. е. будет постоянной, если при неизменной температуре металл и окисел представляют собой смесь насыщенных растворов. При ненасыщенных растворах константа равновесия будет функцией концентрации в соответствии с правилом фаз. Из последнего равенства следует, что при постоянной температуре равновесие между металлом и его окислом определяется парциальным давлением кислорода. Если парциальное давление кислорода в зоне пайки будет меньше равновесного при данной температуре парциального давления кислорода, образующегося при разложении окисла, то последний будет удаляться с поверхности основного металла и припоя. Следовательно, с повышением степени вакуумирования при постоянной температуре парциальное давление кислорода в камере пайки будет снижаться, что должно способствовать диссоциации окислов и улучшению условий смачивания основного металла расплавленным припоем.


Часть 3

Четверг, 10 Сен 2009

Следовательно, растекаемость расплавленного припоя по поверхности основного металла определяется его поверхностным натяжением и краевым углом смачивания. Зависимость между краевым углом смачивания и поверхностным натяжением имеет сложный характер. Так, например, для сплавов свинец-олово в интервале 60—80% содержания последнего поверхностное натяжение уменьшается по линейному закону. Краевой же угол смачивания сплавами свинец-олово стали ШХ15 в этом интервале остается приблизительно постоянным.

С повышением температуры пайки для чистого олова площадь растекания остается постоянной, а для сплавов свинец-олово эвтектического состава растет, если перегрев не превышает 40—50° С. Дальнейший перегрев сплава ведет к снижению растекаемости, что связано с усилением взаимодействия между припоем, флюсом, основным металлом и окружающей газовой средой.

Увеличение времени выдержки при температуре пайки до определенного предела ведет к уменьшению краевого угла смачивания. Дальнейшая выдержка не оказывает влияния на его изменение. На растекаемость припоев большое влияние оказывает их компонентный состав. Например, легирование припоев системы медь — золото палладием обеспечивает полное смачивание при меньшем перегреве.


Часть 2

Четверг, 10 Сен 2009

Растекание расплавленного припоя по поверхности основного металла определяется многими факторами. Среди них наибольшее влияние оказывают характер взаимодействия в контакте основной металл — припой, вязкость расплава припоя, жидкотекучесть. Последнее особое значение приобретает, когда припой имеет широкий интервал кристаллизации, а пайка им происходит при температурах, лежащих ниже температуры ликвидуса. Наличие в расплаве в этом случае твердой фазы, строение выпадающих кристаллов, характер их расположения резко меняют жидкотекучесть припоя.

Механизм растекания припоя связан с взаимодействием расплава припоя и его парообразной фазы с основным металлом, с поверхностной диффузией расплавленного припоя, с капиллярным течением последнего и т. д. При растекании указанные процессы имеют место в сочетании, определяемом соотношением физико-химических свойств припоя и основного металла, а также условиями пайки.

Растекание расплава припоя, как и всякой жидкости по поверхности твердого тела, определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя.


Часть 1

Четверг, 10 Сен 2009

Из формулы Лапласа следует, что поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, оказывает добавочное давление по сравнению с тем, которое он испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением обусловлены главным образом все капиллярные явления.

При растекании капли жидкости на плоской поверхности твердого тела условия ее равновесия выражаются в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трех фаз.

Анализ экспериментальных данных, полученных двумя различными методами — методом определения краевого угла и методом определения критического угла наклона поверхности исследуемого металла, при котором капля жидкости начинает скатываться, показал справедливость последнего уравнения.

Как первое, так и второе уравнение капиллярности получены исходя из предпосылки, что равновесие материального объекта рассматривается как равновесие всех приложенных к нему сил.

Поскольку при температуре пайки припои находятся в жидком состоянии, то на них можно распространить первый и второй законы капиллярности. Однако при этом необходимо иметь в виду, что эти законы выведены для жидкостей, не взаимодействующих с твердым телом. В процессе же пайки происходит активное взаимодействие между основным металлом и расплавленным припоем, поэтому капиллярные явления, протекающие при этом, более сложны и лишь приближенно описываются приведенными уравнениями.