Активация соединяемых металлов и припоя

Нагрев основного металла и расплавление припоя приводят к тому, что их активность снижается вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и образования оксидной пленки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную пленку и защитить поверхности деталей от дальнейшего окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые колебания и т.д.).

Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как ее можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемой поверхности и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляется оксидная пленка. Основными процессами, способствующими удалению оксидов металлов, являются: 1) химическое взаимодействие между флюсом и оксидной пленкой с образованием растворимого во флюсе соединения; 2) химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит постепенный отрыв оксидной пленки от металла и перевод ее в шлак; 3) адсорбционное понижение прочности оксидной пленки под действием расплава припоя и диспергирование (раздробление) ее; 4) растворение оксидной пленки основного металла и припоя во флюсе.

Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образуют в паяном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность соединений. Этого можно избежать, если перейти на бесфлюсовую пайку, которая осуществляется в специальных газовых средах или вакууме.

Газовые среды, применяемые при пайке, разделяются на нейтральные и активные. Наиболее типичными представителями газовых нейтральных сред являются азот, аргон, гелий, криптон, которые защищают паяемый металл и припой от окисления. Активные газовые среды (водород, оксид углерода, азотно-водородная смесь и др.) не только защищают от окисления детали и припой, но также удаляют с их поверхности уже образовавшиеся оксидные пленки. Однако газовые среды могут вступать во взаимодействие с паяемым металлом и припоем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды, нитриды, карбиды), которые ухудшают физико-механические свойства соединений.

При пайке в вакууме наблюдается дегазация металла шва и, как следствие, более высокая его плотность. Вместе с тем в вакууме возможно испарение летучих компонентов припоя, таких как кадмий, индий, марганец, цинк и других, что приводит к пористости и изменению состава металла шва.

Сущность физико-механических методов удаления оксидных пленок с поверхности паяемых металлов заключается в их разрушении под слоем жидкого припоя с помощью ультразвука, трения деталей, режущего или абразивного инструмента, при этом припой защищает паяемую поверхность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический контакт. В качестве инструмента используются УЗ-паяльник, металлические щетки, сетки, а абразивным материалом служит тонкоизмельченный асбест. Эти методы активирования поверхности характеризуются низкой производительностью, неравномерностью удаления оксидных пленок и включением их, а также частиц абразива в паяное соединение.

Наряду с описанными методами для удаления оксидной пленки в процессе пайки применяют самофлюсующие припои. Они содержат компоненты, которые активно реагируют с оксидной пленкой паяемого металла и припоя, образуя легкоплавкие шлаки, защищающие поверхности основного металла и припоя от окисления. В самофлюсующих припоях высокой активностью обладают не только сами флюсующие компоненты, но и их оксиды. По составу и характеру действия самофлюсующие припои можно разделить на четыре группы: припои со щелочными металлами (Li, К), с бором, с фосфором и несколькими компонентами.

Взаимодействие на границе «основной металл – жидкий припой»

После расплавления припоя и достижения атомами металлов требуемого уровня энергии активации начинается взаимодействие, в процессе которого происходит смачивание поверхности твердого тела расплавом металла. От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхность основного металла, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства паяных соединений.

При смачивании атомы металлов сближаются на расстояние менее 100 нм. В поверхностных слоях взаимодействующих металлов возникают связи, которые, образовавшись в отдельных местах, очень быстро распространяются по всей площади контакта «основной металл – расплав припоя». Природа возникших связей — квантовая, а активность образования соединений между атомами металлов определяется конфигурацией внешнего электронного слоя.

Следующей стадией взаимодействия является растекание припоя по плоской поверхности, которая продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения σ в точке на границе трех фаз (рис. 2.5) в соответствии с уравнением

σ_т.г. =σ_т.ж.+σ_ж.г.cosθ, (2.1)

где σ_т.г. – натяжение на границе твердой и жидкой фазы; σ_{т.ж .}– натяжение на границе твердой фазы и газа; σ_{ж.г .}– натяжение на границе жидкой фазы и газа; cosθ – коэффициент смачивания.

Рис. 2.5 Схема равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела

Решив уравнение (2.1) относительно коэффициента смачивания, получим

cosθ = (σ_т.г. – σ_т.ж.)/ σ_{ж.г .}. (2.2)

Из этого уравнения видно, что чем выше поверхностное натяжение припоя в расплавленном состоянии σ_ж.г, тем хуже смачивает он основной металл. Однако поверхностное натяжение металлов не характеризует однозначно способность их в расплавленном состоянии течь по поверхности твердого металла. Растекание припоя определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя:

K = A_a – A_к = σ_ж.г (1 + cos θ) - 2 σ_ж.г = σ_ж.г (cos θ - 1), (2.3)

где К — коэффициент растекания.

На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние и технологические факторы: способ удаления оксидной пленки в процессе пайки, характер предшествующей механической обработки, режим пайки и др. Так, при флюсовой пайке флюсы действуют как поверхностно-активные вещества (ПАВ) и снижают поверхностное натяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачивания паяемой поверхности. Применение газовых сред, наоборот, ухудшает смачивание вследствие того, что примеси в газовой среде взаимодействуют с основой, образуя различные соединения с O₂, C₂, S.

Это имеет особенное значение при групповых методах пайки, например при пайке волной, в которой одновременно смачивается множество мест контактирования за нeбoльшoй пpoмeжутoк времени.

Повышение температуры имеет решающее влияние на процесс смачивания. Температура и время — две важнейшие величины, влияющие на процесс диффузии. В этой связи применяют понятия температура смачивания и рабочая температура. Температурой смачивания является такая температура, до которой должен нагреваться основной материал, с тем, чтобы поступающий жидкий припой мог смочить основной материал. Для образования процесса связи она является решающей температурой. В противоположность этому рабочей температурой является такая температура, которая по меньшей мере должна достигаться основным материалом на поверхности соприкосновения основное вещество — жидкий припой, чтобы припой мог расшириться, расплавиться и связаться. Рабочая температура для припоя также является решающей.

При пайке выводов компонентов, монтируемых в отверстия печатных плат, под действием капиллярного давления припой поднимается по капилляру (зазору между выводом и стенкой отверстия) на высоту h:

h=(2 σ_ж.г.cos θ)/(γ∙g∙Δ), (2.4)

где Δ — суммарный зазор; g — ускорение свободного падения; γ – плотность припоя.

В случае монтажа компонентов на поверхность печатной платы в горизонтальном капилляре шириной ∆ для припоя с вязкостью η продолжительность затекания t на длину капилляра l приближенно равна

t ≈(6 η l²)/(σ_ж.г.cos θΔ) (2.5)

Как показывает анализ (2.4) и (2.5), скорость затекания в горизонтальном капилляре и высота подъема в вертикальном уменьшаются при снижении поверхностного натяжения между припоем и флюсом. Эффективность пайки определяется также величиной зазора между паяемыми элементами, она находится в пределах от сотых до десятых долей миллиметра и зависит от пары «припой — основной металл», применяемого флюса и способа пайки. Максимально допустимый зазор при пайке ∆_mах в зависимости от высоты поднятия припоя определяется по формуле

Δ_mах =, (2.6)

где r — радиус вывода; b, n — постоянные величины.

В процессе растекания происходит взаимодействие жидкого припоя с основным металлом, проявляющееся в растворении и диффузии металлов. Скорость и глубина этих процессов зависят от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева, напряжений в основном металле.

Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить прочность соединений, однако эрозия основного металла расплавленным припоем и образование интерметаллидов являются отрицательными свойствами, так как вызывают хрупкость соединений. В результате диффузии и растворения образуется следующая схема строения паяного шва (рис. 2.6). Ширина диффузионной зоны оказывает существенное влияние на прочность паяного соединения. Поэтому в каждом конкретном случае условия пайки должны быть подобраны таким образом, чтобы ширина диффузионной зоны не превышала 0,9...1,2 мкм.

Рис. 2.6. Схема строения паяного шва:

1 и 5 — материал основы или соединяемых металлов; 2 и 4 — зоны сплавления благодаря диффузии материала припоя и основного материала; 3 — материал припоя; b_n — соединительный зазор, расстояние между соединяемыми металлами перед пайкой.

Отсутствие диффузионной зоны указывает на недостаточную связь, в лучшем случае адгезионную. Паяное соединение, в котором не наблюдается образования сплава между припоем и выводом компонента, является первоначальной ступенью так называемой холодной пайки.

Дата добавления: 2014-10-31