Справочник по пайке

Стандарт (ГОСТ 17349-79) устанавливает технологическую классификацию способов пайки и порядок формирования наименования способа пайки.

Классификация способов пайки осущест­ влена по следующим независимым признакам:

-удалению оксидной пленки;

-получению припоя;

-заполнению зазора припоем;

-кристаллизации паяного шва;

-источнику нагрева;

-наличию давления на паяемые детали;

-одновременности выполнения паяных соединений.

Классификация способов пайки по при­ знакам приведена на рис. 1.

КАПИЛЛЯРНАЯ ПАЙКА

Пайка, при которой расплавленный при­ пой заполняет зазор и удерживается в нем под действием капиллярных сил, называется ка­ пиллярной пайкой. Обычно под этим способом подразумевают пайку с зазорами, не превы­ шающими 0,5 0,7 мм. Величина зазора при прочих равных условиях определяет структуру, химический состав шва, механические свойст­ ва соединения, экономичность процесса, де­ фектность структуры (газовую пористость, ликвационные процессы) и т.д. Зазоры подраз­ деляют на большие (0,2 0,7 мм), номиналь­ ные (0,05 0,2 мм) и малые (менее 0,05 мм).

Разработанные экспериментальные мето­ ды (ГОСТ 20485-75) позволяют определять высоту подъема припоя по капиллярам в зави­ симости от ширины зазора и других парамет­ ров. При пайке разнородных металлов необхо­ димо учитывать изменение зазора, связанное с различием их ТКЛР. При пайке больших по­ верхностей с односторонней подачей припоя возможны значительные непропаи, связанные с процессами массообмена, приводящими к из­ менению вязкости и температуры плавления припоя. В этих случаях рекомендуется предва­ рительно вводить припой в зазор в виде фольги или наносить его в виде покрытий. Оптималь­ ная ширина зазора определяется: конструкцией соединения, металлургическими особенностя­ ми процесса взаимодействия припоя с паяемы­ ми материалами, активностью флюса и газовой среды, состоянием паяемых поверхностей и т.д. Рекомендуемые зазоры при капиллярной пайке приведены в табл. 1.

1. Рекомендуемые зазоры при капиллярной пайке металлов

Важнейшими факторами, определяющи­ ми зависимость прочности от зазора, являются особенности кристаллической структуры и химическая неоднородность в шве. Экспери­ ментальные данные по кинетике кристаллиза­ ции позволяют заключить, что при зазорах менее 0,1 мм в паяном шве наблюдается по­ слойная направленная кристаллизация. Шов имеет структуру твердых растворов, и появле­ ние кристаллов второй фазы наблюдается только при больших скоростях охлаждения, когда протекание ликвационных процессов затруднено. При больших зазорах, более 0,5 мм, преобладает объемная кристаллизация припоя в шве, аналогичная кристаллизации в слитке с образованием новых фаз в процессе ликвации. Наиболее сильно ориентирующее влияние ос­ новного металла (эпитаксия) при кристалли­ зации проявляется в случае отсутствия на

Способы пайки

Рис. 1. Классификация способов пайки

Рис. 2. Схема растворения металлов А в припое В при Т = Тх:

распределение концентрации металла В в зазоре

при / > 0 и участок диаграммы состояния

межфазной границе промежуточных слоев хи­ мических соединений.

Методами количественной металлогра­ фии и рентгеноспектральным анализом уста­ новлено, что в металлических системах с

твердой фазы над равновесными значениями (явление аномальной растворимости в малых зазорах). В зависимости от химического соста­ ва системы металл-расплав и величины зазора пересыщение может достигать 10 40 %.

При уменьшении зазора отсутствуют тер­ модинамические факторы, изменяющие равно­ весие системы в направлении увеличения рас­ творимости атомов твердой фазы в расплаве. Под аномальной «растворимостью» подразу­ мевается фиксирование в зазоре после кри­ сталлизации повышенного содержания атомов твердой фазы и, соответственно, пониженное содержание легкоплавкой составляющей спла­ ва припоя.

На основании математического модели­ рования кинетики неравновесной направлен­ ной кристаллизации [9] установлено, что по­ вышенное (на 10 40 % выше равновесной концентрации) содержание в зазоре компонен­ тов твердой фазы обусловлено кинетическими особенностями перераспределения легкоплав­ ких компонентов перед движущимся фронтом кристаллизации. Перемещение последнего в соответствии с градиентом температуры в сто­

рону противоположной межфазной границы приводит к обогащению закристаллизовавшей­ ся части расплава тугоплавкими компонентами твердой фазы и увеличению легкоплавких компонентов в расплаве (зонная очистка). На­ личие второй межфазной границы, дефектный поверхностный слой которой является эффек­ тивным стоком для ликвирующих легкоплав­ ких элементов, а также замедление скорости движения фронта кристаллизации в результате концентрационного переохлаждения приводят к дополнительному увеличению концентрации компонентов твердой фазы в шве. С целью интенсификации процесса аномальной «рас­ творимости» и увеличения прочностных и кор­ розионных свойств соединения необходимо уменьшать скорость кристаллизации и увели­ чивать диффузионную проницаемость поверх­ ностных слоев на межфазных .границах, яв­ ляющихся эффективными стоками для атомов ликвирующих элементов.

При пайке изделий с переменным зазором для лучшего его заполнения и снижения по­ ристости соединения припой необходимо вво­ дить с узкой стороны зазора. При флюсовой пайке для облегчения удаления флюса, сниже­ ния газовой пористости зазор следует увеличи­ вать. С целью снижения подрезов в галтельной части шва количество припоя ограничивают 120 150 % объема зазора. Эффективно улучшает смачивание нанесение технологиче­ ских покрытий. При уменьшении высоты мик­ ронеровностей покрытий и измельчении их блочной структуры площадь растекания увели­ чивается в 8 раз и более вследствие снижения шероховатости поверхности и преимуществен­ ного растекания металла по границам блоков.

При проектировании технологических процессов капиллярной пайки необходимо рассчитывать кинетику движения межфазных границ в процессе растворения паяемых метал­ лов xt (/) и состав шва с/ (л, /) на различных стадиях процесса формирования паяного со­ единения в зависимости от времени /. Рассмот­ рим процесс растворения металлов А в припое Ву расположенном в зазоре а = 21. На рис. 2 видно, что в плоскости х = / (плоскость сим­ метрии), разделяющей левый и правый спай,

дс2

= 0 (установка У). Для решения по­

дх

ставленной задачи достаточно рассмотреть установку 2, которая соответствует наличию на поверхности А расплавленного слоя покрытия

В толщиной /. Плоскость х = / рассматривается как непроницаемая перегородка. Аналогичная задача возникает при пайке материалов А и С припоем В (зазор а = /) при условии взаимной нерастворимости В и А с материалом С (уста­ новка 3). Для решения задачи необходимо ре­ шить уравнение диффузии для обеих фаз (/ = 1 - твердая, / = 2 - жидкая):

При следующих начальных и граничных условиях и условии массобаланса

Точное аналитическое решение уравне­ ний (1) - (3) представляет собой сложную ма­ тематическую задачу, поэтому для практиче­ ских целей применяют приближенное аналити­ ческое решение. Пренебрегаем потоком в твер­ дую фазу. Распределение концентрации метал­ ла (% А) в жидкости

z{t)-x

с2(х, /) = с2н+Д 2 z(t)-x(t)

где A2 = c\ - c2 , z(t) - фронт концентрационно­ го возмущения, за которым отсутствует поток

Условие массобаланса:

(5)

х(1)

Выражение для интеграла концентраци­ онного баланса:

D2n

ЬиТ[г(/)_*(<)1+лс(/)) =z(t)-x(t) • (6)

Введем обозначения:

5(/) = z(0-*(0

и

Решая (5) и (6) в новых обозначениях, по­ лучаем

тш^Щ±йК1;

Аппроксимация (4) для с2 (*, /) верна до момента

когда фронт концентрационного возмущения доходит до оси шва и, начиная с t > tu приме­ няем новую аппроксимацию

с2(x,t) = с(1, <) + [с£ - с(/, о ] ( 9)

где с (/, /) - концентрация металла А на оси шва

(х = О.

Введем 8](/) = / - х (/). После необходи­ мых преобразований получаем, что для нахож­ дения 5,(0 необходимо решить трансцендент­ ное уравнение

a(5l( 0 - 6 .) + ^ (5 1(/)2 +5?) +

Зная а и 8* и задавая Оъ из (10) рассчи­ тываем 8,(/) и положение границы *(/) для лю­ бого момента времени. Максимальное расстоя­ ние, на которое сдвигается граница при рас­

е

творении, *тах = / -— , а максимальная шири

на шва

21 21.

1 -е ” 1- А2/А ’

при с2 ”

21

d o

1-

Для расчета времени t2достижения на оси шва любой концентрации cL (в долях Д2) ис­ пользуем соотношение

ответственно 0,83 и 1,34 с, а аилс получаем рав­ ным 0,105 и 0,142 мм.

Анализ показал, что для получения более точного решения задачи растворения в зазоре необходим учет потока атомов расплава в твердую фазу [10]. Сравнение аналитического решения с численным моделированием показа­ ло, что расхождение не превышает 3 %.

На практике, несмотря на малую продол­ жительность пайки (менее 60 с), часто наблю­ дается наличие аномально больших диффузи­ онных зон в твердой фазе, а конечная ширина шва меньше расчетной. Так, в случае пайки фольг, при жидкофазном спекании порошков и проволоки, имеющих развитую субструктуру с повышенной диффузионной проницаемостью, тонкие слои расплавленных покрытий практи­ чески полностью диффундируют в твердую фазу (явление деградации связки при жидко­ фазном спекании порошков и композитов).

Из анализа решения с учетом потоков атомов в твердую и жидкую фазы установлено,

что при определенном соотношении ct| = D, /D 2

и равновесных концентраций Дц/Д22 возможна ситуация (рис. 3): в шве в момент t* насыщение еще не достигнуто, а межфазная граница оста­ навливается и начинает двигаться в сторону оси шва, что характерно для диффузионной пайки (процесса изотермической кристаллиза­ ции). Таким образом, наблюдается эффект, который можно назвать маятниковым движе­ нием границы.

На рис. 3 на примере системы Ni-Cu представлена кинетика движения межфазной границы y(t) и фронта концентрационного воз-

мущения в твердой фазе zj(/) - конца диффузион­ ной зоны в безразмерных Зс, т координатах и ко­

ординатах JC, t (при с(| = D, / D2 = 10'2, Д| |/А22 = 3,

а = 200 мкм и D2 = 5 10*9 м2/с). До момента

времени т* = 0,79 с (1,56 с) ширина шва увеличи­ вается, межфазная граница успевает пройти рас­ стояние у(т) = -0,166 (16,6 мкм), а концентрация

на оси шва достигает величины сс(т) = с\ - 3,5

(или, для нашего случая, с/(т*) = 16,5 % Ni). Ширина диффузионной зоны 5| (т*) в момент времени т* составит 5| (т*) =- 0,2 (20 мкм). С этого момента граница начинает движение в обратную сторону по направлению к оси шва. Насыщение шва наступает при тн = 2,05 (4,1 с), межфазная граница занимает положение у(тн) = -9,12 мкм, а ширина диффузионной зоны б^Тн) = 63 мкм. Таким образом, для зазо­ ра а = 200 мкм окончательная ширина шва в момент насыщения составит ан = а + 2 y(tH) = = 218,24 мкм. Максимальный зазор, образуемый

в процессе растворения, а(С) = а + 2 y(t *) =

= 233,2 мкм, а величина La между концами диффузионных зон составляет 344,24 мкм, что находится в хорошем соответствии с имеющи­ мися экспериментальными данными.

Анализ маятникового движения границы показывает, что диффузионный поток в твер­ дую фазу необходимо учитывать при значени­

ях а! = D, /D 2 > 10°, что при моделировании

процесса пайки обусловлено высокой диффу­ зионной проницаемостью дефектных поверх­ ностных слоев. Глубина дефектной структуры определяется методом и интенсивностью ме­ ханической обработки поверхности под пайку.

Рис. 3. Положение межфазной границы у(т) и Z\(t) - конца лифузионной зоны в твердой фазе в

безразмерных координатах Зс, т и координатах jt'/для системы Ni-Cu при а = 200 мкм,

Для удобства выполнения инженерных расчетов автором построены номограммы, позволяющие в соответствии с диаграммой состояния (для заданной температуры) нахо­ дить безразмерные кинетические параметры тн,

5i(x) и у н. Задавая значения D2 и используя

соответствующие номограммы, можно быстро и просто определять время насыщения выбранного

зазора (а = 2/) по формуле /„ = l \ j D2, ширину

диффузионных зон в твердой фазе 5i(/H) = /5J(Th) и расстояние, пройденное границей y(tH) = 1у(ти), т.е. количество реально образующейся жидко­ сти, с учетом потока атомов жидкости в твер­ дую фазу.

КОНТАКТНО-РЕАКТИВНАЯ ПАЙКА

Пайку, при которой припой образуется в результате контактного плавления соединяе­ мых металлов, промежуточных покрытий или прокладок, называют контактно-реактивной пайкой.

Контактное плавление, являющееся фазо­ вым переходом первого рода (изменение тер­ модинамического состояния сопровождается конечным тепловым эффектом и изменением структуры), наблюдается у материалов, обра­ зующих эвтектики или имеющих минимум на диаграмме плавкости. Процесс контактного плавления состоит из двух основных стадий:

1)подготовительной, заключающейся в образовании в зоне твердых растворов устой­ чивых зародышей жидкой фазы, их последую­ щего диффузионного роста и слияния в тонкую пленку;

2)собственно контактного плавления - движения межфазных границ, определяемого чисто диффузионным механизмом.

Подготовительная стадия определяется в основном граничной кинетикой и включает в себя процессы взаимодействия в твердой фазе на активных центрах (образование химической,

вчастности металлической, связи) и после­ дующий процесс взаимной диффузии в зоне мостиков схватывания. Таким образом, на от­ дельных локальных участках зоны контакта образуется диффузионная зона шириной X*, подчиняющаяся законам граничной кинетики.

Из уравнения X* = D,/(Pco) при следующих зна­ чениях констант: р = 1018 см'2 с'1, Д = 10'9 см2/с (при 7^),о = 10'23 см3 получаем Jf*«M 0'3мм. Жидкая фаза в диффузионной зоне может воз­ никнуть вследствие распада твердого раствора,

образовавшегося в процессе диффузии и при некотором понижении температуры оказавше­ гося перенасыщенным. Детально этот процесс не исследован. В работе [5] введено понятие так называемого кванта плавления размером 3 10‘3 мкм, и время кинетической стадии для системы Bi-Sn составляет 10'3 с. Однако види­ мые признаки плавления в этой системе обна­ руживаются только через 0,5 с.

равновесной диаграмме состояния. Во многих случаях время первой стадии не имеет большо­ го значения, однако учитывая, что оно близко к времени протекания второй, основной стадии, на практике оно может представлять принци­ пиальный интерес для пайки. Для построения технологического процесса необходимо опре­ делять кинетику перемещения межфазных гра­ ниц Xi (/) (скорость процесса) и концентраци­ онные поля в зоне контакта. Достаточно стро­ гое математическое описание кинетики кон­ тактного плавления для стационарного случая, т.е. при постоянной толщине прослойки рас­ плава, рассмотрено Д. Е. Темкиным.

Рассмотрим нестационарную кинетику контактного плавления [1]. Положим, что в момент времени / = 0 при Т=Т\Ъ зоне контак­ та металлов А и В образуется бесконечно тон­ кая прослойка жидкости. Распределение ком­ понентов в системе показано на рис. 4. Пред­ полагается, что растворение лимитируется диффузионной кинетикой и для определения законов движения границ раздела JC, (/) в одно­ мерном случае необходимо решать уравнение диффузии для каждой из фаз:

(*= 1 .2,3), (14)

dt дх1

где С/ - концентрация компонентов В в фазе /; Д = C\DiA+ (1 - ci) DiH- усредненный коэффи­ циент диффузии в фазе /; DiA и DlH- парциаль­ ные коэффициенты диффузии в фазе / (Д = const) при граничных условиях:

для фазы 1

а )

Рис. 4. Схема взаимодействия металлов А и В при контактном плавлении и некапиллярной пайке:

а - диаграмма состояния эвтектического типа (при Т= Т\ обозначены концентрации при контактном плавлении; при Т - Т 2- концентрации на межфазных границах при некапиллярной пайке); б - схема

распределения концентраций при контактном плав­ лении (Т=Т\) двух полубесконечных тел А + В и

А+ покрытие В (толщиной /)

иусловиях массобаланса:

в которых неизвестно Р,. Поля концентраций аппроксимируем:

мало (А22 ^ 1), то второй сомножитель правой части (20) весьма мал (< 10'3), поэтому для технологических оценок им можно пренебречь, т.е. не учитывать диффузию в твердую фазу [1].

Таким образом, скорость перемещения границ при контактном плавлении

Полученные зависимости хорошо совпа­ дают с имеющимися экспериментальными дан­ ными. Расчеты показывают, что даже в случае большого времени взаимодействия (/ = 103 с при D2 = 5 10*9 м2/с, £>, и D3 « 10'14 м2/с) ши­ рина диффузионного слоя в твердой фазе со­ ставляет несколько десятков межатомных рас­ стояний. Диффузию в твердую фазу необходи­ мо учитывать в том случае, если второй член уравнения (21) близок к 1 (потоки в твердую и жидкую фазы сравнимы, т.е. D2/D, < 103) и зна­ чение Д22 - термодинамический стимул для диффузии в жидкость - достаточно мало (не более 1). Для анализа влияния взаимной рас­ творимости взаимодействующих металлов на скорость контактного плавления, учитывая только концентрационные члены в уравнении (21), можно записать

л ,(0 * ау ; дг3(/)« а /у : х0 =x](t) + xi (t), (22)

Приняв Д^/Д, =4, получаем л:,(/)/д:3(/) = 4.

Различие в скоростях перемещения границ необходимо учитывать при разработке техно­ логического процесса. Так, при пайке Zr со сталью более интенсивное растворение Zr в жидкой фазе ограничивает его применение в виде фольги.

При расчете контактного плавления по­ крытия В толщиной / на поверхности полубесконечного тела/4 (см. рис. 4) при Т =Т\ решаем уравнение диффузии (14) с условиями массобаланса и начальными условиями для фаз / и 2, как и в случае взаимодействия двух полубесконечных тел А и В, при новых граничных ус­

ловиях для фазы 3: сз | (/)= сз ; сз|/=о = сз »

За начало отсчета х = 0 принимаем гра­ ницу раздела до образования жидкой фазы.

Введем глубину фронта концентрационного проникновения z(/) и полагаем

где /^определяется из (14). Решение с, (*, t) в

фазах Уи 2 имеет вид, аналогичный (16) и (17). Распределение концентрации в фазе 3 аппрок­ симируем следующим образом:

z{t)-x

Cj(jf.O = CjP- A 3j

z (l) - x }{t)

Система уравнений (19) решается графи­ чески (рис. 5, а) или с помощью таблиц. Учи­ тывая, что в большинстве случаев, представ­

ляющих практический интерес, D3/D 2 <10_3 из (19) получаем систему уравнений

(24), позволяющую определять значения (3,. Задавая произвольное значение, например, р3, откладываем его на оси Р (рис. 5, б) и находим а 3 на оси ординат. Далее, откладывая значение ci| = а 3Д на оси ординат, определяем Р|. Под­ ставив найденные Р) и р3 в уравнения (19), проверяем тождество (правую часть уравнений рассчитываем из диаграммы состояния). Кор­ ректируя значение Р„ повторяем операцию (обычно 3 - 4 раза) до точного нахождения р,.

Пример. Рассчитаем толщину шва х{)в системе Cu-Mn при Т = 1000 °С. Зададим толщину слоя Мп / = 0,03 мм и D2 = 4,9 • 10*9 м2/с, х0 = Х\ (t) + ;с3 (/) =

= 2 (Pi + Р3) ^ D2t Определяем значения р,. при

A3/Ai = 6 получаем Pi = 0,987; р3 = 0,377. Окон­ чательно имеем х0 = 107 мкм, / = 0,3 с. Обычно достаточно в значении р, двух знаков после запятой

процесс контактного плавления, являются тем­ пература пайки, время, давление, толщина кон­ тактирующего слоя или слоев. Относительно большая скорость процесса образования жид­ кой фазы и высокая ее активность в момент появления обеспечивают возможность практи­ чески мгновенного смачивания контактирую­ щих поверхностей (< 10*2 с). При пайке при­ поями эвтектического состава смачивание по-

верхности происходит менее активно, так как

химические потенциалы равны, т.е. р/ = р,ж, и

неравновесная работа адгезии W **равн = 0.

Выбирая толщину покрытия и температу­ ру пайки, можно контролировать количество жидкой фазы, участвующей в образовании соединения, и, таким образом, снижать эрозию паяемых тонкостенных материалов, а также исключать запаивание каналов и узких рабочих полостей конструкции.

Эффективным способом снижения скоро­ сти контактного плавления и количества жид­ кой фазы является использование буферных промежуточных прослоек из неактивного ме­ талла. При контактно-реактивной пайке спла­ вов на основе алюминия серебро в виде про­

помещается между паяемыми деталями, кото­ рые сжимают усилием 7 35 МН/м2. После этого узел нагревают до 560 °С. Предел проч­ ности паяных соединений составляет 206 МПа. Покрытие из серебра было использовано и при пайке алюминиевого сплава 6061-Тб (США) сотовых панелей обшивки и узлов космическо­ го корабля «Аполлон».

При пайке сплава АМгб в парах магния были получены прочные, коррозионно-стойкие соединения при использовании как серебря­ ных, так и медных покрытий. Эффективно применение серебряных покрытий при пайке меди и ее сплавов со сталями и т.д.

Использование скоростного нагрева электроконтактным способом обеспечивает качест­

венную пайку меди на воздухе без флюса и защитных сред. Нанесение тонких покрытий серебра (1,5 6 мкм) на латунные детали с последующим нагревом до 700 °С в печи с применением флюса снижает содержание в шве хрупкой эвтектики Ag-Cn-Zn и резко уменьшает его пористость, обусловленную вы­ соким давлением паров цинка.

При пайке титана и его сплавов в основ­ ном используют медные и никелевые покры­ тия. Наилучшие результаты были получены при сочетании контактно-реактивной пайки с диффузионной, в процессе которой происходит коагуляция интерметаллидов (Ti2Ni, Cu3Ti. Cu3Ti2) и снижение их содержания в шве, при­ водя к возрастанию механических свойств со­ единения. При пайке титана со сталью обра­ зующаяся жидкая фаза эвтектического состава после кристаллизации обеспечивает получение соединений со стабильными механическими свойствами. Прочность шва ниже, чем проч­ ность титана.

Равнопрочные соединения могут быть получены за счет увеличения контактирующих поверхностей. Например, конусное соединение труб позволяет соединять жаропрочные и ту­ гоплавкие материалы при относительно низких температурах и получать швы с высокой тем­ пературой вторичного расплавления. При пайке деталей из вольфрама припоем системы Pt-B, имеющим температуру плавления 860 °С, за счет растворения вольфрама в припое при кристалли­ зации образуются стойкие бориды вольфрама, и температура плавления шва резко возрастает.