ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПАЯНОГО ШВА
1 марта, 2016 
admin Стадии образования паяного соединения. Прилипание веществ без их обмена элементарными частицами и электронами по месту их физического контакта, т. е. без их взаимной диффузии, называется адгезией.
При химическом взаимодействии контактирующих веществ могут участвовать различные виды связей: 1) без обмена атомами (ионами) ; 2) с обменом электронами (химическая адгезия); 3) с обменом атомами (ионами) и электронами, приводящими к сцеплению веществ — когезии.
Адгезию между твердым и жидким или твердым и газообразным веществом называют также адсорбцией.
Критерием, отличающим физическую gp и химическую gc адсорбцию, является теплота адсорбции: при физической адсорбции теплота gp<8,36 Дж, при химической gc> gP. Для перехода от физической адсорбции к химической требуется период активации. Обмен между веществами, атомами (ионами) и электронами происходит с затратой энергии активации, соизмеримой с энергией активации химической адсорбции, и возможен только между веществами с взаимной растворимостью. При этом между веществами наступает сцепление и исчезает поверхность раздела, а следовательно, поверхностное натяжение между ними.
Если работа адгезии определяется поверхностной энергией на границе раздела веществ, то работа их сцепления равна работе, затрачиваемой на исчезновение их поверхностей контакта. При расчленении сцепленных веществ работа когезии равна работе, затрачиваемой на образование двух новых поверхностей
AK = 2ai>2S0; U^ = Aj^/So = 2aii2>
где So—площадь поверхности после расчленения веществ; а і, 2 — поверхностное натяжение на образовавшихся поверхностях.
Соединения между твердыми и жидкими веществами, не имеющими общей области однородности после затвердевания жидкого вещества, относятся к адгезионному типу. Закономерно отнести соединения твердых веществ, между которыми после затвердевания жидкого вещества образовался слой новых веществ (твердых растворов или химических соединений) в результате обмена атомами и электронами, к когезионному типу, так как работа образования такого слоя не может быть определена только поверхностным натяжением между контактирующими вещест-' вами.
В соответствии с характером взаимодействия веществ смачивание твердого вещества другим, жидким, может быть трех типов: 1) физическим или обратимым; 2) хемосорбционным; 3) физико-химическим, при котором имеют место взаимное растворение или химическая реакция между контактирующими веществами.
Таким образом, при пайке создание соединения может происходить в две или три стадии, в зависимости от того, какие связи и какие элементарные частицы вовлекаются при этом в действие. Паяные соединения, получаемые в результате диффузионных процессов между припоем и паяемым материалом,— когезионные; соединения, возникающие в результате хемосорбции,— адгезионные. Сварка плавлением и сварка в твердой фазе также являются процессами создания соединений, преимущественно когезионного типа. Когезионные соединения более прочны, чем
адгезионные. Соединения без обмена электронами и атомами получают в процессе склеивания.
Поверхностные и межфазные явления при пайке. Смачивание жидким припоем соединяемых материалов, т. е. введение их в физический контакт, является непременным условием успешной пайки.
Под смачиванием в физическом смысле понимают характер контактного взаимодействия жидкого вещества с твердым, при котором прочность связи их частиц больше, чем между элементарными частицами в жидкости. В соответствии с ранее введенными понятиями адгезионной (адсорбционной и хемосорбцион - ной) и когезионной связей будем различать адгезионную и когезионную (с физико-химическим воздействием между твердым и жидким веществом) смачиваемости. Адсорбционная смачиваемость зависит только от свободных межфазных ^энергий адсорбционного типа.
Возможность смачивания металла жидким припоем при образовании адгезионной связи между ними в равновесных условиях определяется соотношением межфазных поверхностных натяжений: между твердой и жидкой фазами (атж), жидкой и газообразной фазами (ажг), твердыми фазами (атт).
Поверхностное натяжение измеряется поверхностной силой, отнесенной к одному сантиметру периметра граничной поверхности.
К основным спонтанным самопроизвольным процессам при пайке, связанным с поверхностными явлениями на границе твердого металла с жидким припоем, относятся кроме смачивания также растекание; затекание жидкой фазы в капиллярный зазор; межзеренное проникновение припоя в паяемый материал; различные виды контактного плавления: контактно-реактивного (к-p), контактного твердогазового (к-т-г) и контактного твердожидкого (к-т-ж); хрупкое разрушение паяемых материалов при смачивании их жидкими припоями при наличии поля напряжений и др.
Обычно смачивание как специфическое взаимодействие между жидким и твердым телами оценивают по величине контактного (неравновесного) или краевого (равновесного) угла v. Часто контактное взаимодействие жидкого вещества с твердым, в результате которого^ ^90 °С, называют смачиванием, а при 180^и> 90° — несмачиванием.
Следует различать смачивание при растекании жидкой фазы по твердой и при затекании жидкой фазы в капиллярный зазор. Растекание в результате смачивания происходит при u<180°, а затекание в капиллярный зазор— при и<90°.
Работа адгезии или энергия связи между жидким и твердым веществом определяется в виде разности поверхностных натяжений твердой и жидкой фаз в контакте с газом (атг и ажг), до контакта между твердой и жидкой фазами и после их контакта (соотношение Дюпре, 1869 г.):
Wд = 0Жг -(“ Отг Ожг. (1)
С учетом условия равновесия жидкой фазы на поверхности твердой (рис. 13).
Отж = атг — ажг cos 0, (2)
работа адгезии будет
^А = 0Гжг ( 1 —|— COS 0) .
Неравновесное смачивание имеет место при самопроизвольном уменьшении контактного угла капли, вследствие уменьшения свободной энергии. Неравновесное смачивание отвечает растеканию жидкой фазы по твердой при увеличении со временем их поверхности соприкосновения.
Термодинамическое условие растекания в общем виде следующее:
A F = Ожг А Гжг + атжА WT ж — атг А №тг < О, где AW — удельная. свободная энергия.
При этом предполагается, что поверхностные натяжения не зависят от кривизны межфазной поверхности.
В случае растекания капли AWTT= — AWTM и Д1^жг = А^Тж при 0 = 0 условие (3) имеет вид
Отг — Отж — ажг cos О < 0. (4)
Так как cos 1, то неравенство (4) усиливается при подстановке cos v<c 1. Тогда термодинамическое условие растекания может быть написано в виде
отг> От ж + Ожг - (5)
Из соотношения А№жт = А№гж cos и следует, что при растекании капли с краевым углом и=180° (состояние несмачиваемости) и переходе к состоянию, характеризуемому краевым углом и = 90°, свободная поверхность капли в контакте с газовой средой уменьшается (ожг<0), жидкая пленка при этом сокращается. При переходе через v = 90° изменение АГжг равно нулю. При v <90° растекание сопровождается увеличением поверхности жидкости в контакте с газом (Д 0), жидкая поверхностная пленка как бы растягивается. Следовательно, краевой угол v = 90° при смачивании поверхности твердого тела жидкой каплей разделяет два процесса, отличающихся по своему механизму, что дает некоторое основание для использования термина «хорошее смачивание» или смачиваемость при v <90° и термина «плохое смачивание» или несмачивание при и> 90°.
Условие, обратное условию (5) растекания (неравновесному смачиванию),
Отг ^ Отж + 0Жг (6)
отвечает, очевидно, дисмачиванию (свертыванию).
Условие растекания (5) можно представить в виде
Отг оЖг отж 2ажг> 0
или
^А-^к=/>а (7)
Величина f называется коэффициентом растекания и отвечает разности работы адгезии твердого тела и разрыва жидкости без изменения ее формы.
Харкинс, введший понятие (1921 г.) о коэффициенте растекания, и другие исследователи показали, что растекание одной жидкости по другой и по твердому телу имеет место при удовлетворении условия (7). Таким образом, условие смачивания ГА> 0 является необходимым, но недостаточным условием растекания (ГА-Гк>0).
Из условия растекания (5) вытекают два возможных условия (если атж = оЖг):
1 ) 0Тг1> Отж1> 0Жг> 2) Отг1> Ожг > Отж*
Условие плохого смачивания или дисмачивания (6) можно записать также в виде W^K—W^A>0. Оно еще более усиливается, если атг<оЖг или аТг<оТж-
В настоящее время нет физической теории поверхностного натяжения метал - • лов, позволяющей определить и пользоваться полученными с ее помощью велич и-* нами. Пока экспериментально определены отдельные значения поверхностного натяжения на границе жидкость — вакуум ажв при температурах плавления некоторых металлов [12]. Эти значения слабо изменяются с повышением температуры и находятся в интервале (1—25) 10-5 Дж. После затвердевания металлов и сплавов их поверхностное натяжение увеличивается (атг>оЖг)-
Дж. В. Тейлором на основании некоторых теоретических соображений и опытных данных оценены зависимости между поверхностными натяжениями Отг и аЖг в виде аТг=1,ЗЗажг, а между атт и атг в виде атт = 0,33атг.
По Д. Холомену и Д. Тарнбаллу, межфазное поверхностное натяжение металла в контакте с собственным расплавом при температуре плавления отж~0,1атв (где атв — натяжение на границе твердый металл — вакуум), т. е. может быть значительно меньшим, чем в контакте твердой и жидкой фаз различного состава.
Поверхностные натяжения некоторых твердых металлов в вакууме и в контакте с собственной жидкой фазой приведены ниже.
Металл... Hg Ga Sn Pb A1 Ag Cu Ni Fe
оТЖ)МДж.......................... 281 560 590 330 1300 2270 2360 3190 2950
aTB, МДж........................ 4780 7350 5540 4800 9400 9300 13510 18100 18410
Поверхностные натяжения атв и ажв сильно зависят от содержания в твердой и жидкой фазах примесей.
Установлено закономерное изменение ажг в зависимости от положения элементов в периодической системе. Наибольшие поверхностные натяжения ажг отвечают переходным металлам 6—8-й групп.
Адсорбционная смачиваемость увеличивается с повышением температуры. В равновесных условиях это связано с уменьшением работы адгезии и удельной свободной поверхностной энергии при повышении температуры.
Вследствие однозначности этой зависимости адгезионная смачиваемость обратима по температуре. Такая обратимость смачиваемости обнаружена в ряде работ для систем металлов, физико-химически не взаимодействующих между собой: W—Sn, Мо—Sn, Fe—Pb, коррозионно-стойкая сталь Ag и др.
При адсорбционной смачиваемости и растекаемости и затекаемости в капиллярный зазор краевой угол и входит в уравнение Др = 2Аажгсо8 v/г, где Др — разность капиллярных давлений двух жидкостей или жидкости и газа. К = 2 — константа для цилиндрического капилляра и К— 1 —для плоского капилляра (г—радиус капилляра). Капиллярная смачиваемость отличается от смачиваемости при растекании по поверхности тем, что она имеет место только при значениях краевых углов в пределах от 0 до 90°; при краевом угле, равном 90°, нет капиллярной смачиваемости, а при 0> 90° имеет место отрицательная капиллярная смачиваемость: жидкость вместо затекания в зазор выталкивается из него. Условия смачивания (И7А>0) и растекания (И7А — U7K> 0) в капилляре необходимы, но не достаточны. При растекании по плоскости обычно не принимают во внимание разности давлений в жидкой и газообразной среде, тогда как при затекании в капиллярный зазор разность таких давлений является одной из важнейших движущих сил при заполнении зазора. Достаточным условием затекания припоя в капиллярный зазор является условие р — рг!> 0, где р—давление со стороны вогнутой части мениска припоя, а р2 — давление среды (флюса, газа, воздуха) с выпуклой, противоположной его стороны.
На адсорбционное смачивание и растекание существенно влияет рельеф поверхности на твердом материале (в виде канавок, рисок и др.) [14].
Пока ясно, что при адсорбционной растекаемости по шероховатой поверхности участвуют и капиллярные явленля, но учет их пока сложен. Скорость адсорбционного растекания во многих случаях подчиняется параболическому закону: / = ст, где / — линейный размер; т — время; с — константа. В некоторых случаях оправдывается линейная зависимость или другой степенной закон.
Известны и парадоксы, не объяснимые с точки зрения феноменологической теории адсорбционного смачивания и растекания, когда скорость растекания возрастает при переходе от грубо обработанной до шлифованной поверхности и становится наибольшей на полированной поверхности (по данным Ю. В. Найдича и В. С. Журавлева) (например, при растекании припоев по стали и меди, ртути по олову, меди, олова и сплава олово—титан по кварцу).
Реальные процессы растекания и затекания в зазор достаточно сложны и только приближенно описываются с помощью теоретических представлений об изотермическом растекании и затекании припоя в зазор, не учитывающих физикохимического взаимодействия припоя с паяемым материалом и температурных условий контакта.
В поверхностном слое паяемого металла всегда имеются дефекты, выходы дислокаций, которые могут явиться местами активного смачивания. Поэтому процесс смачивания при пайке начинается в местах активирования поверхностного слоя. Такие места могут существовать до начала контакта или возникать при пайке [15].
При когезионном взаимодействии твердого паяемого металла и жидкого припоя в их контакте происходят явления четырех видов, определяющие изменение изобарного потенциала Дг системы и тем самым направление протекания процессов при пайке: 1) изменение состояния в объеме kzv 2) изменение состояния на
поверхности ЛZyr 3) перенос масс Аг^; 4) образование поля напряжений Aze - Суммарное изменение изобарного потенциала при спонтанно протекающих процессах Az = A2y-f Azr + + Д2е<0.
Детальная структура, состав и толщина поверхностных слоев вещества пока мало изучены, и о его свойствах судят по результатам взаимодействия с контактирующими веществами.
Могут иметь место следующие варианты смачивания твердого тела жидкой фазой:
1) межфазная энергия атж изменяется во времени с достаточно малой скоростью, так что капля жидкой фазы успевает принять равновесную форму для установившегося к данному моменту времени значению атж. Тогда изменение краевых углов описывается уравнением для мгновенных значений (квазиравновесное смачивание) (по Д. Н. Холомону и Д. Тарнбалу) и характеризуется медленным - изменением и в течение минут или часов. Для этого случая действительна зависимость величины угла и от значений а;
2) если временная зависимость контактного угла смачивания определяется
также инерцией массы жидкой фазы и ее вязкостью, то значение угла и в течение всего периода распространения капли по поверхности паяемого материала является неравновесным и для н, его уравнение cos и = атг — отж/ожг неприменимо. Для больших скоростей изменения угла смачивания и, при которых весь период его изменения чрезвычайно мал (0,1—0,01 с) при условии 180°> 90° —
несмачивание, при 90°> 0 наступает ограниченное смачивание и при и«0°
полное смачивание.
В случае ограниченного смачивания твердого тела жидким растекание последнего сопровождается изменением краевого угла от начального значения до равновесного и0. Движущая сила такого растекания Aa = a*r(cos v0 — cos д), где д — динамический угол смачивания. При полном смачивании после превращения капли в плоский слой жидкости Аа = атг — о™ — ажг. Дополнительные факторы, влияющие на растекание,— масса капли или слоя, а также изменение атж вследствие физико-химического взаимодействия контактирующих веществ.
Сопротивление жидкой фазы процессу растекания подразделяют на две составляющие: кинетическое сопротивление, действующее по периметру растекания, и сопротивление вязких сил в объеме растекающейся жидкости [14]. Если растекание контролируется первой составляющей, то соответствующий режим называется кинетическим. Его анализ с позиций теории абсолютных скоростей рёакций приводит к экспоненциальной зависимости перемещения линии смачивания (периметра) от движущей силы растекания Р = екр/рт при U =const, где К — константа; R — постоянная Больцмана; Т — температура растекания. Изменение сопротивления вязких сил происходит в гидродинамическом режиме. При этом различают стадию инерционного растекания, когда сопротивление обусловлено силами инерции, действующими в объеме жидкости. Кинетика растекания в этом случае хорошо описывается параболической зависимостью, предложенной В. П. Демян - цевичем и др., смоченной площади от времени тг2=Аи где Ах — коэффициент, зависящий от свойств контактирующих веществ и температуры. При растекании в инерционном режиме вязкость жидкости не влияет на скорость растекания.
Анализ кинетики вязкого растекания основан на решении систем уравнений Навье — Стокса и непрерывности для вязкой несжимаемой жидкости с учетом особенностей движения жидкости. При круговом растекании жидкости в условиях полного смачивания поверхности
г= (4 Атга/гілрр) 1/4 = у42т1/4,
где Аа — движущая сила растекания; т, р, р — масса, плотность и вязкость жидкости; ц ж 10 — коэффициент, учитывающий неравномерность толщины слоя жидкости.
Для случая толстых слоев, когда преобладающей является сила, связанная с уменьшением потенциальной энергии при понижении центра тяжести слоя жидкости, получено уравнение для радиуса г смачивающей жидкости в зависимости от времени т:
Г= (4т2£/г)л|ьір2) Т1/8=А3Т1/8.
Для ограниченного смачивания, когда форму капли можно аппроксимировать сегментом сферы в интервале 60°г;д> 0°, получено кинетическое уравнение
г= (а*/ц)° 'т0 •' V0 •3=і44т0,1.
Смачиваемость паяемого материала жидким припоем, находящимся в динамическом состоянии (пайка погружением, волной припоя), более правильно оценивать не по углу смачивания или площади растекания, а по силе, действующей на образец при его погружении и смачивании припоем. В условиях пайки погружением в ванну, особенно при использовании автоматических линий, важнейшей характеристикой является скорость смачивания. Испытания на смачиваемость при этом проводят по методике ISO: на менискографе (метод силового баланса) квадратные образцы со стороной 25 мм погружают в ванну вдоль направления проката с заданной скоростью.
Одним из путей улучшения смачиваемости Мк припоем является активирование жидкой фазы. Известно, что вещества в момент их образования (контактного плавления или химической реакции) обладают более высокой химической активностью, чем после завершения этого процесса. Авторами показано, что при использовании смеси компонентов, образующих эвтектику Sn—Pb, А1—Си, заметно улучшается их растекаемость по сравнению с растекаемостью готовых эвтектик (по меди и по алюминию соответственно).
Поэтому применение смесей из порошков компонентов, взаимодействующих между собой и (или) с паяемым металлом, технологически более эффективно, чем применение готовых припоев результирующего состава.
Затекание припоя в зазор. При движении жидкого припоя в капиллярном зазоре, в отличие от растекания по открытой поверхности, не происходит увеличения поверхности раздела припой — окружающая среда (флюс), и поэтому капиллярная сила
Кр— 2 ((Ттг Цтж) •
Отнеся капиллярную силу к площади сечения жидкого металла п в зазоре, получим капиллярное давление Ар — КР/п=2 (атг — атж)/п. Так как при ограниченном смачивании атг — атж = ижгсо8 и, то Ap = 2a*rcos v/n. Если припой смачивает поверхность паяемого металла в зазоре, то капиллярное давление положительно (А0, так как cos 0) и вызывает затекание припоя внутрь зазора. При отсутствии смачивания припой, даже если он каким-то образом первоначально введен в зазор, например, уложен в виде фольги, под действием отрицательного капиллярного давления будет вытесняться из зазора.
В предположении ламинарного течения припоя в зазоре имеет место параболическое распределение скорости потока жидкости по толщине; у стенок капилляра жидкость покоится и имеет место зависимость для средней скорости потока:
dl h2 А р
1Ы~ 12л / ’
где / — длина заполненного зазора Л; л — вязкость жидкости.
Из уравнения следует, что скорость течения в зазоре растет пропорционально квадрату ширины зазора и обратно пропорционально длине заполнения участка зазора.
Интегрируя (8), получим время заполнения горизонтального зазора длиной /: т = 3лR2/n cos Фажг.
Для капиллярного зазора при заполнении снизу высота подъема ограничена и определяется равенством капиллярного давления и давления столба жидкого припоя
/о = 2а жг cos Ф/рght
где р — плотность расплава; h — ширина зазора.
Анализ кинетики заполнения вертикального капиллярного зазора приводит к следующим выражениям:
 |
|
|
|
|
Опубликовано в