Физико-химические основы монтажной пайки

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механи-ческого и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Технологические процессы образования межсоединений так или иначе сти-мулируются нагревом (примерно выше 100 °С). Они протекают при плавлении или диффузии в твердой фазе и могут сопровождаться химическими реакциями. Монтажные соединения образуются в процессах пайки и сварки. По способу воздействия на объект производства технологические процессы образования монтажных соединений разделяют на изотропные и локальные. Изотропные – процессы с температурным воздействием на все изделие или поверхность. Локальные – процессы с избирательным воздействием на ограниченной площади (в «точке»). К изотропным относят процессы, выполняемые в однородной среде, например в печах с заданной газовой средой, в ваннах для пайки. К локальным — точечную сварку и пайку, лазерную обработку. В процессе пайки развиваются реакции на границах жидкого, а потом и затвердевшего, припоя и поверхностей спаиваемых деталей. Течение твердофазных реакций определяется двумя механизмами: диффузией и процессами на границе фаз: жидкой (расплавленный припой) и твердой (соединяемые детали).

Процессы на границе раздела. Развитие процессов на границе раздела: припой – спаиваемые поверхности – проходит несколько стадий: адсорбция – адгезия – смачивание – физическое растворение или поверхностные химические реакции – сцепление.

Первая стадия – адсорбция.

Энергия взаимодействия поверхности тела с газовой фазой или разбавлен-ным раствором вызывает избирательное концентрирование одного из ве-ществ (компонента раствора) на поверхности тела или в приповерхностном слое. Такое явление называется адсорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а адсорбируемое вещество – адсорбатом. Обратный адсорбции процесс – процесс отделения от поверхности ранее адсорбированного вещества – называется десорбцией.

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию). При физической адсорбции энергия взаимодействия между адсорбатом и поверхностью не столь значительна, чтобы изменить физико-химическую природу адсорбата, а следовательно, и его свойства. При хемосорбции образуется химическая связь между поверхностью и адсорбируемым веществом. Физическая адсорбция вызывается Ван-дер-ваальсовыми силами и протекает очень быстро, особенно при понижении температуры поверхности. Хемосорбция при низких температурах протекает медленно, но при повышении температуры ее скорость быстро растет подобно поведению химических реакций.

Энергия физической адсорбции соизмерима с теплотой конденсации (испа-рения). Для органических растворителей она составляет 8…15 кДж/моль, для металлов – 10…40 кДж/моль, поэтому физическая адсорбция обратима и энергетическое состояние адсорбированных молекул мало отличается от свободных. Энергия хемосорбции сравнима с теплотой химических реакций (50…400 кДж/моль). Как всякая химическая реакция, хемосорбция сопровождается изменением электронной структуры взаимодействующих молекул. В отличие от обычных химических реакций хемосорбция протекает только в мономолекулярном слое на поверхности раздела фаз. Обычно из растворов сильнее адсорбируются те вещества, которые меньше растворимы в данном растворе. Согласно уравнению Гиббса адсорбируемые вещества снижают поверхностное натяжение растворителя. Вещества, сильно уменьшающие поверхностное натяжение растворителя, называют поверхностно-активными (ПАВ).

Вторая стадия – адгезия.

Адгезия и адсорбция развиваются только на поверхности без образования промежуточных слоев. Расстояние, на котором действуют адгезионные си-лы, не превышает нескольких нанометров. Для адгезии важно обеспечить благоприятные энергетические условия, облегчающие переход от Ван-дер-ваальсовых сил физической связи к более прочным ионным и ковалентным силам химической связи. Последнее требование реализуется при активации атомов и молекул, находящихся на поверхности. Активация осуществляется:

- при нагревании тел;

- химическим растворением и удалением загрязнений поверхности;

- механическим удалением микронного слоя с соприкасающихся

материалов;

- сублимацией загрязнений в вакууме;

- ионно-плазменной очисткой и т.п.

Анализировать факторы, стимулирующие и подавляющие адгезию, без учета природы конкретных материалов подложки и пленки, не представляется возможным, так как характер их взаимодействия зависит не только от параметров состояния (температуры, состава, давления), но и от природы взаимодействующих материалов. Можно лишь провести качественную оценку взаимодействующих поверхностей, исходя из их химической природы. Ориентиром в таких оценках может служить сродство химической основы соединяемых материалов.

Экспериментальное определение силы адгезии основано на том факте, что она равна по значению, но обратна по знаку силе отрыва пленки от подложки. Поэтому силу адгезии рассчитывают по усилию отрыва.

Третья стадия – смачивание.

Смачивание соединяемых поверхностей жидким припоем или расплавом при микросварке проявляется как растекание капель жидкости на твердом теле или как оттекание, когда слой жидкости собирается в капли. Поверхностный слой любого тела обладает избытком энергии (поверхностная энергия). Для атомов, молекул и ионов, находящихся на поверхности раздела фаз, характерно наличие нескомпенсированных сил, т. е. они являются источниками силового поля. Это силовое поле вызывает сжатие поверхностного слоя, возникают силы упругости.

Степень смачивания характеризуется видом и степенью искривления по-верхности жидкости в месте соприкосновения трех фаз: твердой, жидкой и паровой (газовой или атмосферной). Такое искривление называют мениском (рис. 1). Степень смачивания определяет форму капли жидкости на твердой поверхности. Мерой смачивания обычно служит контактный угол (угол смачивания) φ между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости по периметру смачивания (рис. 1, а).

Четвертая стадия – поверхностные реакции

В результате смачивания создаются условия для развития вторичных процессов физического растворения и поверхностных химических реакций, при протекании которых происходит взаимодействие, ведущее к образованию переходной зоны на границе раздела фаз. При физическом растворении взаимодействуют вещества одинаковой природы, смешение происходит только за счет кинетической энергии атомов, ионов, молекул, не претерпевающих изменений.

Поверхностные химические реакции возможны в том случае, когда химическая природа соприкасающихся фаз различна. Поверхностные химические соединения, образуемые в результате этих реакций, не представляют от дельной самостоятельной фазы. Продукты поверхностных реакций можно рассматривать как химические соединения переменного состава. Вступившие в поверхностную реакцию атомы и ионы твердого тела не порывают связей с атомами и ионами собственной кристаллической решетки.

Пятая стадия – сцепление.

Характерным признаком полного сцепления служит образование промежуточного слоя химического или физического происхождения. Образование промежуточного слоя между покрытием и подложкой – характерный признак сцепления. При этом могут возникать две межфазовые границы раздела: покрытие – промежуточный слой и промежуточный слой – подложка. Они бывают размытыми или четко выраженными. Процесс сцепления всегда требует некоторого времени, потому что связан с протеканием поверхностных реакций, растворения и диффузии.

Стадии физико-химического процесса пайки.

Стадии образования соединения: активация металлических поверхностей флюсом, нагрев поверхностей выше точки плавления припоя, вытеснение флюса припоем, растекание жидкого припоя – процесс смачивания, взаимная диффузия припоя и соединяемых поверхностей – образование сплавной зоны, химическое взаимодействие припоя и соединяемых поверхностей (рис. 2). Наличие зон сплавления (диффузионных зон) является признаком образования металлической связи с полными свойствами электрической проводимости по металлу. Отсутствие диффузионной зоны указывает на недостаточную связь, т. е. на наличие «холодной» пайки: электрическое соединение неустойчиво.

λ-характеристики (интенсивность отказов): «Холодные» пайки................................................10-2 ч-1

Обычное паяное соединение................................10-10 ч-1

Соединение с зоной сплавления..........................10-13 ч-1

При правильном выполнении пайки прочность паяного шва всегда больше прочности припоя. Поэтому надо стремиться к минимальным зазорам пайки. В то же время очень узкие зазоры могут быть не заполнены припоем, и в паяном шве останутся пустоты, заполненные коррозионной средой – флюсом с растворенными в нем загрязнениями. Величина паяного зазора сказывается на надежности паяного узла таким образом, что при зазорах менее 0,2 мм заполнение зазора припоем затруднено, а при зазорах более 0,6 мм резко увеличивается частота отказов паек. Оптимальная ширина зазора – 0,3...0,4мм.