2.2.2. Физико-химические основы пайки

Отдельные технологические операции, обеспечивающие качественные паяные соединения, следующие:

• получение чистых металлических поверхностей путем устранения поверхностных слоев с помощью флюса;

• нагрев выше точки плавления припоя и ниже точек плавления соединяемых материалов;

• вытеснение флюса с помощью наступающего припоя;

• растекание жидкого припоя по металлической поверхности — процесс смачивания;

• диффузия атомов из твердой металлической фазы в жидкий припой и наоборот — образование сплавной зоны;

• охлаждение и кристаллизация жидкого припоя;

• последующая обработка паяных соединений — очистка, когда удаляются флюсы, способствующие коррозии.

Для образования качественного паяного соединения необходимо: 1) подготовить поверхности деталей; 2) активировать соединяемые металлы и припой; 3) обеспечить взаимодействие материалов на границе «основной металл — жидкий припой»; 4) создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.

Подготовка к пайке

Подготовка включает удаление загрязнений органического и минерального происхождения, оксидных пленок, а в некоторых случаях также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений. Удаление сильных загрязнений, пленок проводят механическими или химическими (обезжиривание, травление) способами. При механической очистке удаляется тонкий поверхностный слой металла при помощи режущего инструмента (резца, шлифовального круга, шабера и др.), наждачной бумаги, проволочной щетки. Для повышения производительности при обработке протяженных и сложнопрофильных изделий (например, ПП) применяют гидроабразивную обработку или очистку вращающимися щетками из синтетического материала с введенными в его состав абразивными частицами. Образование шероховатой поверхности после механической обработки способствует лучшему растеканию флюса и припоя за счет капиллярного эффекта, так как риски являются мельчайшими капиллярами.

Обезжиривание изделий проводят в растворах щелочей или в органических растворителях (ацетоне, бензине, спирте, четыреххлористом углероде, фреоне, спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях) путем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или в ультразвуковой ванне. Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную конструкцию с программным управлением. Обычно оно снабжается устройствами для регенерации моющих средств и сушки изделий. Эффективным методом сушки является центрифугирование.

Удаление оксидных пленок осуществляют травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной окисной пленки и требуемой скоростью травления. После операции травления детали тщательно промывают с применением нейтрализующих растворов.

Очищенные детали необходимо в короткий срок направлять на сборку и пайку, так как сроки сохранения паяемости для меди 3...5 суток, для серебра – 10...15 суток. В ряде случаев перед пайкой на поверхность соединяемых деталей наносят покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и поддерживают хорошую способность к пайке в течение длительного межоперационного хранения. В качестве металла для таких покрытий используют различные припои (ПОС-61, сплав Розе и др.), серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей металлизацией. Использование технологического покрытия позволяет увеличить сроки сохранения паяемости до 3...6 мес.

На алюминий и его сплавы технологические покрытия наносят с применением ультразвуковых колебаний. Для этого используют У3-паяльники, которые создают УЗ-колебания в расплаве припоя, нанесенном на основной металл, или используют УЗ-ванны, в которых УЗ-колебания передаются расплавленному припою через стенки сосуда при облуживании погружением. Кавитационные явления, возникающие в расплаве, приводят к разрушению оксидной пленки на поверхности металла и смачиванию его припоем.

Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовленных к пайке, достигается также путем нанесения специальных консервационных покрытий, большинство из которых не удаляется при выполнении монтажных операций, так как их состав согласуется с составом применяемого флюса. Такие покрытия разделяются на два вида: 1) на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт); 2) консервационные, представляющие собой пленки щелочных металлов. Большинство консервационных покрытий вытесняет влагу, и их можно наносить на влажные, не успевшие окислиться детали путем погружения в раствор, кистью или пульверизацией. Образовавшаяся после испарения растворителя пленка надежно защищает поверхности металлов от проникновения влаги и окисления в течение 5...6 мес. хранения.

После выполнения подготовительных операций и в процессе межоперационного хранения проводится контроль пригодности деталей к пайке путем оценки паяемости. В промышленности разработано большое число методов контроля паяемости: 1) определение площади облуживания поверхности после выдержки образцов в течение заданного промежутка времени во флюсе, а затем расплавленном припое; она должна составлять не менее 95% от контролируемой поверхности; 2) расчет коэффициента растекания Kp=Sp/So как отношение площади Sp, занимаемой навеской припоя после расплавления и растекания к площади So, занимаемой дозой припоя в исходном состоянии, или отношение высот припоя до (h₀) и после (h_P) растекания; 3) измерение краевого угла смачивания θ (будет рассмотрено в этом разделе далее); 4) по высоте или скорости подъема припоя в капиллярном зазоре (например, в металлизированном отверстии ПП); 5) измерение усилия, действующего на образец основного металла, погруженного в припой (по величине поверхностного натяжения).

По критерию паяемости все многообразие современных паяемых материалов различной физико-химической природы можно разделить на следующие основные группы: легкопаяемые, среднепаяемые, труднопаяемые и непаяемые (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Классификация материалов по паяемости

Группа материалов	Материалы		θ, град
Легкопаяемые Среднепаяемые Труднопаяемые Непаяемые	Олово, золото, серебро, медь и их сплавы Латунь, бронза, никель, цинк, сталь Нержавеющая сталь, магний, алюминии, титан, молибден и др. Керамика, стеклокерамика, ферриты, полупроводники	0,8...0,97 0,6...0,82 0,5...0,6 _	0…12 5...20 20...40 120...160

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.

Кристаллизация металлической прослойки

После удаления источника тепловой энергии наступает стадия кристаллизации металлической прослойки, которая оказывает большое влияние на качество паяных соединений. Кристаллизация в шве начинается на основном металле, который оказывает сильное ориентирующее воздействие на расплавленный припой, и на тугоплавких частицах, попавших в расплав. На структуру паяного соединения влияют зазор, так как он определяет температурный градиент расплава, величина и протяженность области концентрационного переохлаждения, а также скорость снижения температуры. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а, следовательно, толщины кристаллизирующейся жидкости приводит к таким изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов (при зазоре 0,5...2 мм) постепенно уступает место ячеистой (0,3...0,4 мм), а ячеистая — преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью (0,1...0,2 мм). Характерным для кристаллизации при пайке является ярко выраженная ликвация шва, связанная с образованием зональных неоднородностей, дендритных образований, отличающихся меньшей прочностью. Необходимо также стремиться к увеличению скорости охлаждения, так как это способствует сдерживанию роста кристаллов, и структура шва получается более мелкозернистой, с минимальной интерметаллической прослойкой, а, следовательно, спай будет более прочным.