книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва

Г л а в а 2

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКОГО ПРИПОЯ С ОСНОВНЫМ МЕТАЛЛОМ В ПРОЦЕССЕ ПАЙКИ

С физической точки зрения процесс соединения однородных и разнородных материалов сводится к образованию химических гвязей (слабых или прочных в зависимости от типа химической связи) между атомами, составляющими поверхности двух кон­ тактирующих тел.

Согласно существующим представлениям процесс образова­ ния соединения принципиально следует разделить на две взаи­ мосвязанные стадии: стадию возникновения и развития физи­

па) между атомами контактирующих поверхностей вследствие квантовомеханического взаимодействия их электронных оболо­ чек [48, 53]. Прочность соединения (сцепления) на контактной поверхности в конечном итоге определяется величиной энергии межатомных связей, зависящей прежде всего от типа устанав­ ливающейся химической связи. Для реальной прочности соеди­ нения большое значение имеет также величина действительной площади физического контакта материалов, на которой может,

при которой достигаются требуемые свойства соединения. Так при сварке металлов в твердом состоянии развитие физического контакта достигается за счет пластической деформации микро­ неровностей поверхности под действием внешнего давления. В случае соединения однородных материалов кинетика именно

Что касается пайки, то достижение физического контакта твердого и жидкого металлов при отсутствии инородных фазо­ вых слоев на их поверхности не вызывает затруднений из-за присущей жидкому состоянию высокой подвижности атомов. Сближение атомов жидкого и твердого металлов может осуще­ ствляться за счет процессов физической адсорбции, обусловлен­ ной силами Ван-дер-Ваальса.

Соединение жидкого металла с твердым ограничивается в большинстве случаев не стадией образования физического кон­ такта, а стадией установления прочной химической связи. Осо­ бенности этой стадии взаимодействия проанализируем на при­ мере захвата твердой поверхностью отдельного атома, что может рассматриваться как элементарный акт процесса соеди­ нения.

При приближении свободного атома к поверхности твердого

изменением состояния валентных электронов, например с об­ обществлением электронов в случае образования металлической связи.

Во многих случаях взаимодействие может ограничиваться физической адсорбцией и ие переходить в стадию химической адсорбции. Это может быть следствием инертности присоеди­ няемого атома (например, в случае взаимодействия с инертным газом) или поверхности твердого тела. Дело в том, что на ре­ альной металлической поверхности даже после ее тщательной очистки всегда присутствуют атомы внешней среды либо адсорбированные, либо в виде фазовых инородных слоев, на­ пример окислов.

Для химической адсорбции требуются затраты некоторой энергии на активацию такой поверхности. Эта энергия расхо­ дуется на разрыв насыщенных связей на поверхности адсорби-

адсорбции за счет частичного обмена местами атомов жидкости и подложки. Скорость такого обмена особенно высока на актив­ ных участках поверхности (в поле упругих искажений решетки, в местах выхода дислокаций).

Перераспределение атомов на межфазной границе может затем перерастать в гетеродиффузию, приводящую к измене­ нию химического состава жидкого и твердого металлов.

В свете вышесказанного под смачиванием следует понимать первую стадию физико-химического взаимодействия между жид­ ким и твердым металлами, приводящего к образованию соеди­ нения между ними.

Прочность соединения зависит от типа действующих па кон­ тактной поверхности межатомных сил. При слабом взаимодей­ ствии, например при физической адсорбции, смачивание при­ водит к получению относительно малопрочных соединений. Если твердый и жидкий металлы способны к химическому взаимо­

Признаком способности металлов к химическому взаимо­ действию является возможность образования между ними эвтектик, твердых растворов и интерметаллических соединений. Так, в работе [69] при исследовании взаимодействия различных твердых металлов (железа, никеля, меди, золота, серебра) с жидким (серебром, сурьмой, теллуром, цинком, свинцом, кад­ мием, висмутом, оловом, алюминием) было обнаружено, что смачивание происходит в тех бинарных системах, где при тем­ пературе опыта образуются иитерметаллиды или твердые рас­ творы. В остальных системах смачивание не наблюдалось даже при значительной растворимости твердого металла в жидком.

Аналогичная закономерность обнаружена Д. Гордоном и И. Лейном при изучении растекания расплавленных щелочных металлов (лития, калия и натрия) по поверхности меди, сереб­ ра, золота, платаны, палладия и цинка. Растекание жидкого ме­ талла, необходимым условием которого является хорошее сма­ чивание, наблюдалось только в тех бинарных системах, где образуются иитерметаллиды или твердые растворы.

Д. Гордон и И. Лейн установили также взаимосвязь между растеканием жидкого металла и соотношением атомных радиу­ сов жидкого и твердого металлов. Оказалось, что растекание жидкого натрия происходит в тех системах, где это отношение меньше 1,40, а растекание жидкого калия — при отношении, меньше 1,56. При больших отношениях атомных радиусов рас­ текания не наблюдалось. Это объясняется, по-видимому, тем, что происходящая при смачивании перестройка расположения атомов приводит к тем большим искажениям нормального их

ной границы становится настолько большой, что свободная энергия системы в целом будет в результате растекания воз­ растать.

Существует сравнительно мало данных о кинетике процесса смачивания жидким металлом поверхности твердого металла. Весьма интересными в этом отношении являются опыты по изу­ чению смачивания при погружении твердого тела в расплав. Были обнаружены два взаимно связанных явления: «задержан­ ное» смачивание и гистерезис смачивания [70]. Первое заключа­ ется в существовании определенного периода времени, отделяю­ щего момент погружения твердого тела в металлический рас­ плав (в изотермических условиях) от момента наступления смачивания. Второе проявляется в различии краевых углов сма­ чивания при погружении и извлечении твердого тела. Напри­

Температурная зависимость времени задержки смачивания позволяет вычислить энергию активации смачивания. Приве­

гия, необходимая для образования поверхностей при разъеди­

(поверхностное натяжение) соответственно твердого металла, жидкого припоя и меж­ фазной поверхности.

Целесообразно сопоставить работу адгезии с энергией связи атомов в решетке твердого тела.

Если принять, что влияние внутренних объемов металла на поверхностные эффекты пренебрежимо мало, и считать, что связь на межфазной границе обеспечивается только поверхност­ ными атомами, составляющими монослой, то можно отнести ра­

где А — атомный вес; р — плотность;

k — коэффициент, равный 1,1 для упаковки, соответствую­ щей плоскости куба гранецентрированной решетки, и 1,3 для объемноцентрированной решетки.

Практические расчеты энергии связи затруднены из-за от­ сутствия для большей части систем надежных данных о вели­ чинах поверхностной энергии.

Для некоторых систем необходимые измерения были выпол­ нены. Расчеты показали, что энергия связи по порядку величи­ ны близка к теплоте сублимации. Например, для случая взаи­ модействия железа с жидкой медью рассчитанная по форму­ ле (2) энергия связи составляет 86 ккал/моль. Теплота сублимации меди равна 81,2, железа — 96,7 ккал/моль. Сопо­ ставление этих величин позволяет сделать вывод о том, что межатомные связи, устанавливающиеся при смачивании на межфазной границе припой — основной металл, существенно не отличаются от металлической связи, действующей в однородном металле.

Количественным критерием смачивания служит так называе­ мый краевой угол смачивания, определяемый методом покоя­ щейся капли. Капля расплавленного припоя, помещенная на поверхность основного металла, при ограниченном смачивании принимает форму, показанную на рис. 5. Краевой угол смачи-

вания 6 находят из условия равновесия сил, приложенных к точке контакта трех фаз:

От—ж = От — <3ж cos 8.

Подставляя это выражение в формулу (1), получим работу адгезии:

^0 = <Тяс(1 + С05в).

Изменению краевого угла смачивания от 0 до 180° соответ­ ствует переход от полного смачивания, при котором работа адгезии Wa = 2aM, к отсутствию смачивания. Если работа адге­ зии превышает 2аж, то жид­ кий припой стремится само­ произвольно растечься тон­ ким слоем по поверхности твердого металла.

показана зависимость угла 0 от времени выдержки для случая

а также с увеличением температуры. Следовательно, и работа адгезии в системе алюминий — медь возрастает при увеличении температуры и времени контактирования фаз. Величина энер­ гии активации растекания, найденная путем обработки кине­ тических кривых изменения краевого угла при разных темпе­ ратурах, равна 7 ккал/г-моль, что близко к величине энергии активации диффузии меди в жидком алюминии. Это позволяет предположить, что изменение работы адгезии связано с изме­ нением химического состава жидкого металла.

Работа адгезии изменяется при образовании между жидким и твердым металлом прослоек твердых промежуточных фаз, что приводит к изменению величины межфазной энергии. Так в системе медь — олово повышение температуры сверх темпера­ туры устойчивости фазы Cu6 Sn5 приводит к ухудшению смачи­ вания меди жидким оловом, хотя в общем случае повышение температуры приводит к уменьшению краевого угла [1].

Аналогичное явление наблюдается при взаимодействии жид­ кого висмута с никелем. Повышение температуры сверх 470° С (температура устойчивости фазы №Віз) и сверх 655° С (темпе­ ратура устойчивости фазы NiBi) сопровождается последова­ тельным ухудшением смачивания.

в результате смачивания связей, оказывают фазовые инородные слои (чаще всего окисные пленки), присутствующие на поверх­ ности основного металла и припоя. Необходимость создания условий для удаления окисных пленок (например, применение флюсов, специальных газовых сред) ограничивает выбор ре­ жимов пайки. Так, в работе [46] было установлено, что смачи­

туры плавления припоев. Объясняется это тем, что удаление окисной пленки на основном металле происходит главным об­ разом за счет растворения кислорода в титане. Процесс же растворения происходит достаточно интенсивно при нагреве именно до этой температуры,

ПРОЦЕССЫ РАСТЕКАНИЯ ЖИДКИХ ПРИПОЕВ И ЗАПОЛНЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ ЗАЗОРОВ

Необходимым условием самопроизвольного растекания при­ поя по свободной поверхности паяемого материала и затекания в зазоры является сопровождающее эти процессы снижение сво­ бодной поверхностной энергии системы. Очевидно, что неогра­ ниченное растекание по свободной поверхности происходит лишь

Действительно, распространение жидкости на некоторую по­ верхность приводит к соответствующему уменьшению поверх­ ности твердого тела, увеличению поверхности жидкости и меж­ фазной поверхности.

Непосредственный энергетический эффект растекания, кото­ рый является термодинамической движущей силой растекания,

называется обычно коэффициентом растекания (kp). В данном случае

kn — От Ож (Ут—ж-

Растекание возможно при kp>0 и интенсифицируется с уве­ личением положительного его значения.

Изучение кинетики растекания позволяет уточнить представ­ ления о природе и механизме этого процесса и получить дан­ ные для практического его регулирования. При анализе расте­ кания обыЧНО И С Х О Д Я Т ИЗ ПреДПОЛОЖеНИЯ О ТОМ, ЧТО В ХОДЄ ЄГО'

в любой момент времени существует равенство между так на­ зываемой капиллярной силой

FK — kp • 2яг

(где /• — радиус растекающейся капли) и силой вязкого сопро­ тивления течению, что соответствует стационарным условиям течения. В действительности рассматриваемое капиллярное те­ чение не является строго стационарным, однако приобретает квазистационарный характер через некоторое время после на­ чала процесса [33].

Для определения вязкого сопротивления реальная растекаю­ щаяся капля может быть схема­ тически представлена (рис. 7) в форме цилиндра некоторой высо­ ты, определяемой достигнутым радиусом растекания и исходным объемом жидкости [19]:

л/-2

В рассматриваемом случае по­ ток растекающейся жидкости не является вполне ламинарным, при котором скорость течения на гра­

нице с твердой поверхностью равна нулю, ибо растекание или заполнение капилляра не может происходить при такой струк­ туре потока. В действительности при заторможенном погранич­ ном слое должны иметь место поперечные движения жидкости ко направлению к твердым поверхностям. Однако такая турбу­ лентность существует у фронта растекания, тогда как основная часть потока должна быть однонаправленной. В этих условиях без большой погрешности расчет может проводиться по теории ламинарного потока.

Принимая для растекания по свободной поверхности посто­ янный градиент скорости течения по толщине слоя жидкости (высоте цилиндра) и приравнивая полученное значение силы вязкого сопротивления круговому течению величине капилляр-

ной силы, можно прийти к следующему приближенному выра­ жению для скорости кругового растекания:

казала, что при растекании по шероховатой поверхности на­ блюдается достаточно хорошее совпадение опытных и расчет­ ных данных [19]. На гладкой же, полированной поверхности процесс осложняется поверхностной диффузией жидкого метал­ ла, опережающей распространение фазового слоя и снижающей скорость собственно растекания из-за уменьшения поверхност­ ной энергии твердого металла.

Получение надежных данных о кинетике растекания для большинства реальных случаев пайки затрудняется многими обстоятельствами, связанными главным образом с взаимодей­ ствием припоя и основного металла в процессе растекания. Это приводит к неопределенным изменениям многих параметров системы:, вязкости, плотности, свободных поверхностных энер­ гий и др. В частности, процессы растворения, образования про­ межуточных фаз, как указывалось выше, могут приводить к

циент растекания определяется по формуле kp = 2

поскольку при движении в зазоре свободная поверхность жид­ кости не увеличивается. Отнеся капиллярную силу (которая в данном случае на единицу длины фронта течения равна к площади сечения жидкого металла в зазоре, получим капил­ лярное давление

h

где h — ширина капиллярного зазора.

При ограниченном смачивании капиллярное давление может быть также выражено через краевой угол смачивания: