книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

такте с газовой средой уменьшается (Ожг<0), жидкая пленка

вается. Следовательно, краевой . угол б-='90° при смачиваішш капли разделяет два процесса, отличающиеся по своему меха­ низму, что дает некоторое основание для использования тер­ мина хорошая смачиваемость (или смачиваемость при 15^90° и термина — плохая смачиваемость (иля несмачнваемость при ■ö.>90°).

- Условие, Оібратное условию (27) растекания (неравновес­ ному смачиванию)

Харкинс [17], введший понятие (1921 г.) о коэффициенте растекания, и другие показали, что растекаемость одной жид­ кости по друрой жидкости и по твердому телу имеет место при

Проверка второто возможного неравенства экспериментально трудна.

•9Q.

• Известно, что .относительно малое поверхностное натяже­ ние Отг имеют окислы (табл. 7) [14].

Плохая смачиваемость'припоев с паяемыми сплавами; по­ крытыми пленкой окислов, можно объяснить, следовательно, в основном невысоким значением о Тг по сравнению’с межфазным натяжением Отж(о’тг<сгтж) ■Дисмачиваемость адсорбци­ онного типа можно назвать также обратимой смачиваемо­ стью.

■ Адсорбционная :емачиваемость'’разньіх Видов увеличивает­ ся с повышением' температуры. В условиях адсорбционной равновесной смачиваемости это связано с уменьшением рабо­ ты адгезии, с уменьшением удельной свободной поверхност­ ной энергии Ожг при повышении температуры. Так как харак­ теристики поверхностных явлений в подобных системах свя­ заны только со свободными поверхностными энергиями, одно­ значно и непрерывно Зависящими от температуры,' то естест­ венно, что адгезионная смачиваемость обратимая по темпера­ туре.

Подобная обратимая смачиваемость была обнаружена при исследовании растекания серебра по нержавеющей стали, хи­ мически не взаимодействующих между собой [18]: При нагре­ ве краевой угол уменьшается, при последующем охлаждении происходит собирание серебра в каплю. В ряде’ работ по изучению смачиваемости в подобных системах металлов (W—Sn, Mo—Sn, Fe—Pb), не взаимодействующих между со­ бой, было обнаружено, что заметное увеличение Смачиваемо-

91

стн .происходит скачкообразно при определенных температу­ рах (порог смачиваемости). Найдич показал [19], что подоб­ ное явление связано с наличием плохо смачивающейся окис-

растекание обычно называется затеканием в капилляр, а при капиллярной пайке — затеканием .в капиллярный -зазор.

При затекании в капилляр краевой угол входит в урав­ нение:

2oÄr-cos9

&.р

где \ р — разность капиллярных давлений двух жидкостей или жидкости и газа, г — радиус капилляра, К — константа (К =2,. если капилляр цилиндрический, К = 1 , при капиллярном зазо­ ре между двумя пластинами).

Капиллярная смачиваемость отличается от -смачиваемости’ по поверхности тем, что она имеет место только при краевых углах© пределах -от 0 до <90°. При краевом угле, равном 90°, нет капиллярной смачиваемости, а при г'>>90° имеет местоотрицательная капиллярная смачиваемость — жидкость вме­ сто затекания в капилляр выталкивается из него.

При капиллярной пайке наряду с капиллярным затеканием припоя в зазор представлена и растекаемоеть в галтели (пріг б <90°).

Условие смачивания (Wa> 0) и растекания (ТКд.—^ к > 0 ) на плоскости при капиллярном растекании являются необхо­ димыми, но не недостаточными.

При растекании обычно не принимают во внимание раз­ ность давлений в жидкой и газообразной средах, тогда капе при затекании в капиллярный зазор разность давлений явля­ ется одной из важных движущих сил при заполнении зазора.

Достаточным условием затекания припоя в капиллярныйзазор является рі—р2> 0 , где рі —давление со стороны вогну­ той части мениска припоя, а рі — давление среды (флюса,, газа, воздуха) с выпуклой его стороны.

92

Показательны данные о сравнении способности к растека­ нию жидких припоев системы Sn—Pb по поверхности меди и затекание их в зазоре между медными пластинками. Наиболь­ шее растекание припоев Sn—Pb по меди с применением флю­ са, содержащего хлориды цинка и аммония, .имеет место (рис. 15) для припоя, содержащего 60% Sn и 40% РЬ [20],

Рис. і15. Изменение поверхностно­ го натяжения сплава системы Sn—Pb при разных температурах.

где существенное значение имеет поверхностное натяжение растекания стТг и разность сттг—<Тжт. Наибольшее затекание з горизонтальный зазор согласно [21, 22] отвечает 100% Sn. Поверхностное натяжение ажг системы двойных сплавов наи­ меньшее для свинца и наибольшее для олова [23]. По-види­ мому, изменение поверхностного натяжения аТж происходит з обратном направлении .(наименьшее для 100% Sn [23]).

Из практики пайки известны случаи хорошего растекания припоев по металлам при плохом их затекании или незатекании в капиллярный зазор при пайке внахлестку пластин из тех же металлов. Это имеет место, например, при пайке в печи сплава АМгб с припоем 34А и флюсом 34А, а также при пайке в вакууме сплава АМц припоями А1—Si с 10% Bi, Cd или Zn. Основной причиной плохого затекания припоев в за­

93

зор в этих случаях является повышение давления в капилля­ ре, вызванное парами легконспаряющихся ■металлов. Повы­ шенное давление газов в капилляре обычно препятствует так­ же затеканию припоев в вертикальный зазор без технологиче­ ской стенки.

Достаточно аффективной .(практически) .кинетической тео­ рии затекания в зазор в настоящее время нет, кроме некото­ рых приближенных выводов о скорости затекания, основан­ ных на аналогиях из области гидродинамики [24]. Известей ■строгий вывод о высоте поднятия жидкости по капилляру при условии, что поверхностные натяжения, определяющие капиллярное затекание, относятся' к адсорбционному типу.

Существенное влияние на адсорбционное смачивание и растекание может оказывать рельеф поверхности твердоготела (в виде канавок и т. д.). При нанесении на гладкой по­ верхности микрорельефа в определенных условиях увеличи­ вается смачивание или растекание, а иногда стадия смачива­ ния переходит в растекание. Несмотря на большое количество' работ, выполненных для изучения причин и особенностей это­ го явления, нельзя считать его окончательно выясненным. В' первой работе по этому вопросу Вентцель [25] предположил,, что при наличии рельефа на поверхности уменьшается краевой угол •&до -öm (ФлСФ) согласно соотношению

cos -&— К- costf к >Cos-öm,

где іЭ'—краевой угодна гладкой поверхности и фп— на шеро­ ховатой, а к > 1 — соотношение площади шероховатой поверх­ ности к ее проекции. Дерягин Б. В. [26 [ из термодинамических соображений пришел к такому же выводу.

Убыль свободной поверхностной энергии при смачивании при этом в первом.приближении можно, представить в.виде:

АО—К' Отг—К*Отж—Ожг- Тогда условие растекания имеет вид:

условие смачиваемости (с учетом условия равновесия)—

ИЛИ

. Ао—ожДк-соз'б'—'1) = 0 ; ■'

К"COS#—1 = 0; ; '

94

аусловие растекания

К-COS ”& > 1,

если

cos О Х ).

Существует другая крайняя точка зрения — Хеймана и Хорха [27] на растекаемость по шероховатой поверхности, со­ гласно которой возможность растекаемости по гладкой по­ верхности исключена и становится возможной только вследст­ вие наличия на поверхности твердого тела окислов или какихлибо других покрытий, образующих капилляры под ними. Со­ гласно этой точке зрения, растекаемость возможна только как

торых случаях оправдывается линейная зависимость или дру­ гой степенный закон,- Например, при наличии в канавках свинца окислов растекаемость ртути изменяется по линейному закону [29].

При исследовании растекания по гладкой и шероховатой поверхностях наблюдаются иногда явления, не объяснимые с позиций феноменологической теории адсорбционного смачива­ ния и растекания. Так, при сравнительном исследовании рас­ текания припоев по стали и меди скорость растекания возрас­ тает иногда при переходе от грубой обработки к шлифовке и становится наибольшей на полированных поверхностях.

На подобный парадокс указывали еще Олт и Клард. [30],. [31] при исследовании растекания ртути по олову 12= сх. Они объясняли это тем, что на полированной поверхности структу­ ра сильно деформированная, приближающаяся к квазижидко­ му состоянию. Ю. В. Найдич и В. С. Журавлев [32] обнару­ жили подобное явление при исследовании растекаемости Си, Sn и сплава Sn—Ті на кварце при температурах выше темпе­ ратур плавления металлов; краевой угол на полированной

95

поверхности оказался меньшим, чем на шлифованной поверх­ ности. Исследователи объясняют такой эффект явлением ги­ стерезиса.

При исследовании растекания жидкости по твердому телу иногда впереди фронта жидкой фазы наблюдается образова­ ние и продвижение ореола в виде цветов побежалости. Рост ореола происходит по параболическому закону .ѵ2= ст. Напри­ мер, ртуть на поверхности цинка 9-го класса чистоты образу­ ет каплю с краевым углом, равным 70°, вокруг которого растет ореол [33]. При растекании алюминия но железу аз интервале температур 700—750° вокруг капли образуется очень тонкая пленка (ореол), распространяющаяся по поверхности железа. Распространение ореола при 800—900° вокруг капли не на­ блюдается, что связывается с разной скоростью этих процес­ сов.

Следовательно, существует по крайней мере два механиз­ ма растекания (распространения) жидкости по твердому телу. В случае распространения ртути по цинку с образованием ■ореола утверждается, что при этом наблюдается известное явление поверхностной диффузии [34], [36], а в случае обра­ зования ореола при растекании алюминия по железу в вакуу­ ме предполагается проявление поверхностной диффузии с образованием тонкой пленки, по которой растекается алю­ миний.

Явление поверхностной диффузии изучено слабо, и только в последнее время было привлечено внимание к этой важной проблеме. Особенности поверхностной диффузии определя­ ются структурой поверхностного слоя твердого тела и его взаимодействием с жидкостью. В обзоре Я. Е. Гепузнна [35] по этому вопросу утверждается, что «проблема диффузии вдоль реальной поверхности кристалла еще далека не только

•от полного решения, но, в известном смысле, и от полностью корректной постановки».

Диффузия по поверхности, по-видимому, подчиняется зако­ нам активированной диффузии. Коэффициент поверхностной диффузии Ds больше объемной Dv и межзеренной (гранич­ ной) диффузии £>г; Dy<iDr<iDs, а энергии активации Qv>

Qrl> QS-

Возможно феноменологическое рассмотрение вопроса о втором роде растекания ореола (тонкой пленки) впереди фронта растекания жидкости по твердому телу. Процесс этот не обратим и ограничен тонким, вероятно, одноатомным слоем. Возможно, что явление образования ореола является иногда

* 6

стадией взаимодействия жидкости и твердого тела перед рас­ творением по механизму объемной диффузии. Это явление имеет явные -.признаки проявления хемосорбционной связи (связи адгезионного типа) и есть необходимые основания счи­ тать его хемосорбционіны.м смачиванием и растеканием.

Условие адгезионного хемосорбциоі-шого растекания в про­ тивоположность адсорбционному растеканию ( k -

должно определяться условием

/с-еos'ö'< 1.

Согласно [36], при CosflX) распространение жидкости по твердой поверхности может происходить по двум механизмам.

Когезионное смачивание, растекание и затекание в зазор происходит с участием обмена массы преимущественно диф­ фузионного типа и является, собственно, химическим необра­ тимым процессом.

В результате систематического исследования взаимодей­ ствия тверды.х металлов Fe, Ni, Cu, Ag, Au e жидкими метал­ лами Ag, Sb, TI, Zn, Pb, Cd, Bi, Sn, Al в атмосфере водорода Бейли и Уоткинсом [20] было сделано заключение, что необ­ ратимое смачивание имеет место при контакте металлов, об­ разующих между собой химические соединения (25 пар) или твердые растворы (7 пар). При исследовании шести пар ме­ таллов (табл. 8), которые, согласно Бейли и Уоткинсу, не об­ разуют между собой твердых растворов, не обнаружено необ­ ратимое омачивание, обнаружено полное несмачивание или дисмачивание (обратимое смачивание).

Таблица 8

Результаты исследования смачивания серебром, свинцом, кадмием и висмутом железа и меди

Как видно из данных о растворимости металлов, заимство­ ванных нами из обзорных монографий [37] и [38], несмачи-

вание обнаружено только при практическом отсутствии взаим­ ной растворимости твердого металла в жидком и жидкого в твердом, а обратимое смачивание —при нерастворимости жидкого металла в твердом и некоторой растворимости твер­ дого металла в жидком.

Следовательно, растворимость твердого металла в жидком имеет существенное влияние на характер смачиваемости. Так, несмотря на несмачиваемость железа и дисмачиваемость ме­ ди свинцом, достигалась адгезионная прочность соединений между ними при условии затвердевания в контакте.

Результаты последующих исследований смачиваемости и растекания, различных металлов и сплавов не расходятся с данными Бейли и Уоткинса в отношении пар металлов, обра­ зующих .между собой химические соединения и заметные твер­ дые растворы.

Как указано в главе V, в определенных условиях при на­ личии обратимой растекаемости -может быть получено паяное соединение с адсорбционной связью небольшой прочности.

Исследование когезионного смачивания и растекания усложняется, так как в результате процессов диффузии при взаимодействии жидкости с твердым телом изменяются меж­ фазные поверхностные натяжения. Закономерности их измене­ ния неизвестны. Данные, получаемые без учета этого обстоя­ тельства,—приближенные.

Фиксация киносъемкой быстро протекающих процессов растекания и затекания в капиллярный зазор жидких при­ поев между паяемыми пластинами позволяет установить осо­ бенности этих процессов при лужении и пайке.

С. В. Лашко, И. Г. Нагапетян и Н. Ф. Лашко исследовали кинетику растекания по меди и затекания в горизонтальный зазор между медными листами легкоплавких чистых метал­ лов олова, свинца и припоя ПОС64 с реактивными флюсами Прима II и Прима III. При исследовании применяли кино­ съемку контура капли и мениска, затекающего в зазор при­ поя. Образец в печи располагали строго в горизонтальном по­ ложении и обеспечивали заданную ширину зазора. Состав ре­

остальное. Скорость киносъемки— 12—65 кадра/сек (85]. Растекание прилрев по меди начиналось' лишь после пол­

ного испарения воды из фліоса и образования расплава из входящих во флюс хлоридов. Смачивание и растекание при­ поев по меди происходило в условиях 'Непрерывного позыше-

98