Пайка металлов

б) в случае термического или концентрационного переохлаждений, а также взаимодействия с основным металлом происходит увеличение в расплаве и зоне спаев кристаллов, что нарушает общую закономерность течения припоев в зазоре;

в) на поверхности паяемого металла, очищенной перед пайкой от оксидов, при последующем нагреве и недостаточной активности флюса могут возникать локальные участки, покрытые неметаллической пленкой, которая не смачивается припоем и мешает процессу затекания;

г) течение расплавленного припоя в зазоре зависит также от характера предшествующей механической обработки, состояния поверхности основного металла, величины и равномерности зазора, способа удаления оксиднойпленки.

Отсутствие адгезии в отдельных участках контакта твердой ижидкой фаз может служить причиной образования пор. Газовые поры быстро растут за счет паров компонентов припоя и газов, растворенных в твердой и жидких фазах, приобретают значительную подъемнуюсилу ивсплывают кверхней стенкезазора(рис. 9).

Рис. 9. «Дрейф» газовых пор из капиллярного зазора нахлесточного соединения

Под действием движущейся жидкой фазы газовые поры вдоль верхней стенки «дрейфуют» в направлении к галтельным участкам.

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

31

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ ДИФФУЗИИ И РАСТВОРЕНИЯ ПРИ ПАЙКЕ

Диффузией называется процесс перемещения частиц в направлении убывания их концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение им всего объема.

Процессы диффузии свойственны веществам в любом состоянии. Диффузия в твердых веществах протекает очень медленно. Если сложить попарно куски разнородных металлов, то даже при условии хорошего контакта и приложения внешнего давления следы заметной диффузии при комнатной температуре наблюдаются через месяцы и даже годы. Однако с повышением температуры процессы диффузии заметно усиливаются. При высокотемпературной пайке расплавленный припой находится в контакте с основным металлом от нескольких секунд до десятков минут. За это время протекает диффузия компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя.

Существование диффузии в металлах показывает, что при определенных условиях атомы или ионы смещаются в узлах кристаллической решетки и могут перемещаться по всему объему. При перемещении атомы или ионы могут двигаться, заполняя вакансии, через междоузлия, а также меняться местами. Принято считать, что диффузия через вакансии имеет значение для технически важных металлов, таких, какжелезо, медь, никель, вольфрам, цинк, олово.

В твердых металлах диффузия может происходить по поверхности (поверхностная диффузия), по границам зерен (граничная диффузия) и в объеме отдельных зерен (объемная диффузия). Диффузия по поверхности и границам зерен имеет место в тех случаях, когда растворимость припоя в основном металле мала. При наличии значительной растворимости припоя в основном металле роль поверхностной диффузиипограницамзерен становитсямалозаметной.

33

Наиболее просто протекают процессы диффузии и растворения, когда взаимодействующие металлы (припой и основной металл) не образуют между собой интерметаллических соединений. В этом случае процесс переноса атомов твердого основного металла

вжидкий припой протекает активно и определяется скоростью диффузии. Отрыв атомов основного металла вызывается как колебательным движением самих атомов, так и взаимодействием атомов твердого и расплавленного металлов.

Изменение концентрации расплавленного припоя происходит

внекотором прилегающем к основному металлу слое, в котором концентрация через определенное время выдержки достигает предела насыщения. Припостояннойтемпературепайки концентрация основного металла в расплаве припоя, достигнув определенной в соответствии сдиаграммой состояния величины, перестает возрастать и из жидкого сплава начинают выделяться его кристаллы, которые частично находятся в расплавленном припое, а частично кристаллизуются по поверхности основного металла. Необходимо отметить обогащение граничащих с основным металлом зон тугоплавким компонентом и обеднением им центра шва, если основной металл хоть в какой-то мере растворяетсяврасплавленномприпое.

Если паяемый металл и расплавленный припой образуют между собой химические соединения, то в процессе пайки на границе раздела основной металл–припой в результате реакции на твердой поверхности может возникнуть слой интерметаллического соединения. Если основной металл и расплавленный припой могут образовывать между собой несколько интерметаллических фаз, то на границе с твердым металлом возникает несколько слоев. Последовательность их возникновения будет зависеть от условий равновесия между образующимися фазами и расплавом припоя. Первой образуется фаза, наиболее богатая легкоплавким металлом и находящаяся с ним при данной температуре в равновесии. Возникновение остальных фаз происходит в результате взаимодействия первой фазы с основным металлом.

Взависимости от состава основного металла и припоя между ними в процессе диффузии при температуре пайки могут образовы-

34

ваться твердые растворы, эвтектики, интерметаллические соединения. Структуры твердых растворов возникают в паяных швах в тех случаях, когда применяемый припой может образовывать с основным металлом сплавы типа твердых растворов. Например, при пайке никеля медью металлы в процессе взаимодействия образуют между собой твердые растворы при любых соотношениях.

Эвтектические структуры в паяных швах получаются или при пайке припоями, содержащими эвтектику, например серебряными припоями ПСр72 и ПСр40, оловянно-свинцовыми припоями П0С61, алюминиевыми 34А, или в результате образования эвтектики в процессе взаимодействия основного металла с припоем.

Образование интерметаллических соединений при пайке между припоем и основным металлом происходит в соответствии с диаграммами состояния взаимодействующих металлов. Так, например, при пайке меди оловом при температуре 250 °С и выдержке 5 с на границе медь – олово образуется слой интерметаллического соединения Cu6Sn5, содержащий 60,89 % Sn. С повышением температуры до 350 °С и увеличением времени выдержки до 5 мин наряду с интерметаллидом Cu6Sn5 в структуре шва возникает слой интерметаллического соединения Cu3Sn с 38,37 % Sn, расположенный со стороны меди.

Теоретически процесс диффузии при постоянной температуре и стационарном во времени потоке вещества описывается первым уравнением Фика:

m = −D ∂ C ,

∂ x

где m – количество диффундирующего вещества; D – коэффициент диффузии; С – концентрация вещества; x – 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

35

ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ ПАЙКЕ

Кристаллизация при пайке является сложным процессом и имеетряд особенностей:

♦неравновесность процесса, т. е. отсутствие выравнивания состава в жидкой фазе, что приводит к выделению в паяном шве наряду

слегкоплавкими тугоплавких фаз повышенной хрупкости;

♦влияние основного металла, которое проявляется в эпитаксиально ориентированной кристаллизации зерен припоя вблизи поверхности основного металла (т.е. кристаллическая решетка припоя на поверхности основного металла повторяет в точности кристаллическую решетку основногометалла – этоявлениеназываетсяэпитаксией));

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

♦зависимость характера кристаллизации от объема припоя в зазоре; как правило, кристаллизация протекает в узком соединительном зазоре при незначительной толщине жидкого металла.

При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам и от основного металла, и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе косновному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, к центру шва– компонентами припоя. Это объясняется тем, что более тугоплавкая часть расплава в шве кристаллизуется в первую очередь на поверхности основного металла, оттесняя болеелегкоплавкуючастькцентрушва.

В результате физико-химического взаимодействия припоя и основного металла образуется паяное соединение с определенной структурой.

37

Паянный шов включает зону сплавления (припой) и образовавшиеся диффузионные зоны на границе между припоем и основным металлом (рис. 10).

В результате взаимодействия между основным металлом и припоем могут образоваться три вида структур:

– твердые растворы,

– эвтектики

– интерметаллические соединения.

Твердые растворы образуют металлы, имеющие общий тип кристаллической решетки и очень близкиезначениямежатомныхрасстояний. Если металлы, образующие сплав,

сильно отличаются по строению атома или далеко отстоят друг от друга в периодической таблице Д.И. Менделеева, то они не образуют друг с другом твердых растворов. Твердый раствор является желательной структурой, так как обеспечивает высокую прочность и пластичность паяемого соединения.

Эвтектические структуры в паяных швах возникают при пайке припоями эвтектического состава или образуются в результате взаимодействия эвтектического припоя с паяемым металлом. Эвтектические сплавы не имеют интервала кристаллизации, плавление и затвердевание их происходит при одной и той же температуре. Такие сплавы возникают, если сходство металлов недостаточно для образования твердого раствора с общей кристаллической решеткой, а разница в свойствах и строении мала, чтобы образовать интерметаллиды. Припои эвтектического состава обладают высокой жидкотекучестью, пайка с их применением протекает наиболее легко, однако прочность паяных швов при этом ниже, чем в случае твердых растворов. В паяном шве в результате взаимодействия

38

припоя эвтектического состава с основным металлом возможно образование промежуточных сплавов, имеющих прочность, среднюю между прочностью припоя и соединяемого металла.

Если в паяном шве образуются интерметаллические соединения между взаимодействующими металлами, то прочность шва при этом, как правило, будет ниже, так как интерметаллические соединения обычно очень хрупкие. Интерметаллические соединения образуют металлы, расположенные в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева далеко друг от друга, а параметры их решеток и химические свойства слишком разные.

Таким образом, 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-диффузионный, в котором реагирующие компоненты образуют твердые растворы или промежуточные фазы (интерметаллиды, напримерAu–Sn, Ag–Sn и др.);

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

Расплавленный металл при температурах, незначительно превышающих температуру плавления, имеет упорядоченную структуру

срасположением атомов, свойственным кристаллической решетке. Поскольку температура нагрева при пайке на 30–50 °С выше температуры плавления припоя, структура паяного шва начинает формироваться уже при жидком состоянии сплава, образовавшегося при взаимодействии основного металла и припоя.

При прекращении нагрева начинается охлаждение паяемого изделия и кристаллизация металла шва. На размер первичного зерна влияют физико-химические свойства образовавшегося в шве сплава,

39

температура пайки, скорость охлаждения, активность процессов диффузии, растворения и другие факторы.

В ходе исследования процессов кристаллизации [2] найдено, что область между ликвидусом и солидусом сплава может быть разделена на две различные части: верхнюю, где образующиеся кристаллы отделены друг от друга жидкой прослойкой, и поэтому сплав находится

вжидко-твердом состоянии; и нижнюю, где первичные кристаллы образовали между собой жесткий каркас, в котором находится жидкая фаза. В твердо-жидком состоянии сплавы уже обладают способностью сохранять свою форму и имеют некоторую прочность. С момента появления связей между кристаллами сплав испытывает усадку, в нем могутвозникатьсобственные(внутренние) напряжения.

Такие свойства сплава, как склонность к ликвации по плотности и способности течь в зазоре в начале кристаллизации, связаны с временем нахождения этого сплава в жидко-твердом состоянии.

Наиболее важные свойства сплавов связаны с температурным интервалом твердо-жидкого состояния, поэтому этот интервал назван эффективным интервалом кристаллизации. Коэффициент линейной усадки, величина усадочных напряжений, горячеломкость, склонность к прямой и обратной ликвации и другие свойства сплавов

взначительной мере определяются величиной этого интервала. Кристаллизация металла шва начинается в первую очередь на

поверхности основного металла, кристаллиты которого являются готовыми центрами кристаллизации. Помимо этого, центры кристаллизации могут возникать и в жидком металле шва. При протекании обоих этих процессов большую роль играет диффузия, которая обеспечивает перемещения частиц сплава, необходимых для формирования кристаллов.

В связи с ничтожным объемом находящегося в шве расплавленного припоя и контактом его с твердыми зернами основного металла, освобожденными от окисной пленки, при кристаллизации металла шва наиболее вероятно образование кристаллов на твердой поверхности основного металла или на твердых кристаллах основного металла, перешедших в расплав припоя в процессе пайки. При этом кристаллы поверхности основного металла и твердые кристал-

40