5. Формирование соединений сваркой давлением

Рассмотрим один из наиболее распространенных способов фор­мирования сварного соединения круглого (сферического) провод­ника и жесткой пластины (пленки на подложке) - сварку давлением, предполагая, что контактное давление вызывает вязкое или пластическое течение соединяемых материалов по схеме, показан­ной на рис.9.

Скорость деформации проводника в приконтактной области

где - угол деформации (рис. 9); - время контактного дав­ления; ( - коэффициент ползучести, зависящий от температуры; m - эмпирический показатель степени.

При давлениях, меньших предела ползучести (m=1), урав­нение описывает вязкое (ньютоновское) течение:

где - коэффициент вязкости; D - коэффициент диффузии; V_а — атомный объем; R - универсальная газовая по­стоянная; Т — температура.

Рис. 9. Схема контакти­рования проводников:

1 - сферический проводник; 2 - плоский проводник;

3 - пу­ансон

При давлениях, больших предела ползучести (m=4 - 4.5), уравнение описывает дислокационное тече­ние, обусловленное перемещением дис­локаций в плоскости скольжения. В этом случае

при

Движущаяся дислокация преодолевает потенциальный барьер при пороговом давлении р 10 . При G 10¹⁰Па p_пор 10^5-10⁶ Па. Перемещение дислокаций (течение материала) тормо­зится их взаимодействием с расположенными вокруг дислокациями. При этом p_пор 6 * 10^-2 С_д^1/2 . В сильно деформированных метал­лах С_д 10¹⁴см^-2.

Обычно давления составляют значения порядка 10⁸ Па, т. е. больше пороговых для дислокационного течения. Это позволяет при построении модели образования неразъемного соединения ис­пользовать механизм дислокационного течения.

Приведенный анализ показывает, что время сварки определяет­ся давлением, температурой и степенью деформации контактируемых тел. Оно уменьшается с увеличением температуры и давле­ния и уменьшением размеров проводников.

Теоретически далеко не всегда удается рассчитать оптимальные значения времени сварки, давления и температуры для образова­ния надежного соединения, так как при создании реальных контак­тов не учитываются все факторы, описывающие данную физико-химическую систему, например наличие посторонних фаз, загрязне­ний, пыли и т. п. на границе раздела соединяемых поверхностей ма­териалов. Поэтому после теоретического анализа необходимо провести экспериментальные исследования для установления строгой количественной взаимосвязи технологических факторов и парамет­ров качества соединения.

6. Механизм образования паяных соединений

Физико-химические процессы, протекающие при создании не­разъемных соединений в РЭА методами пайки, отличаются от ана­логичных процессов при сварке плавлением и без плавления. Качество паяных соединений и эффективность используемого способа пайки определяются возможностями получения без­дефектных структур в системе металл I - припой - металл II (Ме -Пр - Ме ). Появление дефектов в значительной степени за­висит от механизмов образования паяных соединений и сложных взаимодействий спаиваемых металлов с вспомогательными мате­риалами (припоями, флюсами, покрытиями, газовыми средами и т. п.). Знание этих механизмов позволит предупредить появление дефектов и, следовательно, брака при пайке.

Создание паяного соединения характеризуется механизмом вза­имодействия соединяемых материалов. Различают два типа соеди­нений: адгезионное и когезионное. К первому типу соединений от­носятся соединения с адсорбционным и хемосорбционным характе­рами связи, ко второму - соединения, в которых образуются про­межуточные слои со структурой твердых растворов, химических соединений, эвтектик или перитектик.

Адгезионные соединения могут быть и разъемными (с позиций ремонтопригодности их можно «перепаять»), тогда как когезионные всегда неразъемны.

Для улучшения смачивания металлической поверхности припо­ем, растворения вредных продуктов, появляющихся при пайке, очистке поверхности от загрязнений и оксидов, а также защиты от последующих загрязнений и окисления применяются специальные материалы, называемые флюсами.

Использование флюсов позволяет создать прочную связь метал­лов. На рис. 10 показана схема пайки с флюсом. В технологии РЭА наиболее широко применяются флюсы на основе канифоли, активными составляющими которой являются смоляные кислоты (например, абиетиновая кислота с температурой плавления 173°С). Для повышения растворимости оксидов в канифоль добавляют различные активаторы. Один из типичных составов флюса, при­меняющихся в технологии РЭА, содержит 20—25% канифоли, 5% салициловой кислоты и 70—75% этилового или изопропилового спирта. Остатки флюса должны либо легко удаляться с мест пайки, ли­бо не влиять на электрические и прочностные свойства соединений и не вызывать коррозии конструкций.

г) д) е)

Рис. 14.10. Схема пайки с флюсом:

а - металл в вакууме; б - окисление металла воздухом; в - смачивание окис­ленной металлической поверхности флюсом; г- восстановление и очистка по­верхности металла флюсом; д - смачивание поверхности металла припоем; е - возникновение зоны сплава за счет диффузии; 1- вакуум; 2 - свободные силы связи поверхностных атомов; 3 - основной металл; 4 - атомы кислорода; 5 - оксидный слой; 6 - флюс; 7 - жидкий припой

Припои являются важнейшими компонентами формирования паяных соединений. Они создаются из сплавов с невысокими тем­пературами плавления, так как термостойкость почти всех эле­ментов РЭА и ПП не превышает 300°С. Наиболее широко в техно­логии РЭА применяются припои на основе сплавов олова и свин­ца (ПОС). Возможные концентрации и фазовый состав припоев показаны на диаграмме состояния Sn-РЬ (рис. 11). В системе Sn-РЬ образуется два вида твердых растворов: богатые свинцом (а) и оловом ( ). При эвтектической температуре (183°С) и соста­ве сплава 61,9%Sn и 38,1%РЬ из сплава одновременно выделяются - и - твердые растворы, образуя мелкодисперсную смесь.

П роцесс расслоения сплава в твердом состоянии, который мо­жет быть длительным при комнатной температуре, типичен для сис­темы Рb-Sn. При этом непрерывно снижается растворимость Рb в Sn: от 19% при 183°С до 1,9% при 20°С. Преимущественно пере­насыщается оловом -раствор, чему способствует его ускоренное охлаждение. Через год наблюдается выпадение частиц -раствора из -раствора, что сопровождается изменением его твердости и про­водимости. У сплавов с 6% содержанием Sn обнаружен эффект дисперсионного затвер­девания при выделении из сплава -частиц крупных раз­меров, вследствие чего возни­кают деформации кристалли­ческой решетки.

Рис 14.11. Диаграмма состояния Sn-Рb.

Такое выделе­ние со временем увеличивает­ся настолько, что наступает разупрочнение сплава и его твердость постепенно падает. Таким образом, структура сплава Рb-Sn после затвер­девания не стабильна. Она изменяется с течением времени. Что­бы ликвидировать эти вредные эффекты, сплавы Рb-Sn леги­руют различными металлами (добавками). Для пайки контакти-руемых металлов, которые подвергаются незначительным терми­ческим нагрузкам, применяют припои на основе сплавов Sn-Pb-Sn.