Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
реферат на тему:
«Фізико-хімічні основи ПРОЦЕСУ ПАЙКИ»
Мінськ, 2008
Пайкою називається процес з'єднання матеріалів у твердому стані шляхом введення в зазор легкоплавкого металу - припою, що взаємодіє з основними матеріалами і утворить рідку металеву прошарок, кристалізація якої призводить до утворення паяного шва.
Для утворення якісного паяного з'єднання необхідно:
· Підготувати поверхні деталей, що з'єднуються;
· Активувати матеріали і припій;
· Видалити оксидні плівки в зоні контакту;
· Забезпечити взаємодію на міжфазній межі розділу;
· Створити умови для кристалізації рідкої металевої прошарку.
Підготовка поверхонь деталей до пайки включає механічну, хімічну чи електрохімічну очищення від оксидів, забруднень органічного і мінерального походження, а також нанесення покриттів, що поліпшують умови пайки або підвищують міцність і корозійну стійкість паяних з'єднань.
Видалення продуктів корозії і оксидних плівок механічним способом виробляють за допомогою ріжучого інструменту (напилка, шліфувального круга, шабера), а також наждачного паперу, дротяної сітки. Для підвищення продуктивності при обробці протяжних або складнопрофільовані виробів застосовують гідроабразивну очищення за допомогою струменя рідини або обертових щіток із синтетичного матеріалу з додаванням в миючий склад абразивних частинок. Освіта шорсткої поверхні після механічної обробки сприяє збільшенню розтікання припою, тому що ризики на поверхні є дрібними капілярами.
Видалення поверхневих плівок, що перешкоджають смачиванию розплавленим припоєм, здійснюється як хімічними, так і електрохімічними способами. Хімічне знежирення деталей проводять в 5%-му розчині лугу або в органічних розчинниках (ацетон, бензин, спирт, чотирихлористий вуглець), спіртобензінових і спіртофреонових сумішах шляхом протирання, занурення, розпилення, обробки в паровій фазі або ультразвуковій ванні.
Для ультразвукового знежирення використовують ванни УЗВ-0, 1, УЗВ-0, 25, УЗВ-0, 4, що працюють на частотах 18-22 кГц в докавітаційному режимі, який забезпечує отримання інтенсивних мікропотоків в миючої рідини, що гарантує високу якість очищення дрібних деталей і прискорює процес в 5-10 разів.
Товсті шари оксидних плівок видаляють травлением в розчинах кислот або лугів. Склад розчину визначається видом металу, товщиною оксидної плівки і необхідної швидкістю травлення. Електрохімічне травлення прискорює процес розчинення оксидних плівок і проводиться при щільності струму 2-5 А / дм 2. Після травлення деталі ретельно промивають у нейтралізуючих розчинах.
Очищені деталі необхідно негайно направляти на складання та пайку, так як паяемости міді зберігається 3-5 діб, а срібла 10-15 діб. Тому для забезпечення міжопераційного зберігання матеріалів і компонентів ЕА на їх поверхні наносять металеві покриття, які покращують процес змочування припоєм і зберігають паяемости протягом тривалого часу. В якості таких покриттів використовують легкоплавкі припої (ПОС 61, посв 33 і ін), сплави олова з вісмутом або нікелем, золото, срібло, паладій та інші метали, які наносять зануренням в розплав, гальванічним або термовакуумного осадженням, а також плакуванням. При першому методі занурення роблять у розплави припоїв після попереднього флюсування. Гальванічні покриття благородними металами наносять товщиною 3-6 мкм, іншими - 6-9 мкм. Плівки, отримані термовакуумного осадженням, відрізняються високою рівномірністю, відсутністю окислення покриття, проте мають малу товщину (0,1-1,0 мкм). Плакування здійснюється спільною прокаткою паяемого металу і металу покриття; при цьому забезпечується рівномірна товщина покриття (100-150 мкм). Після виконання підготовчих операцій або міжопераційного зберігання контролюється придатність деталей до пайки шляхом оцінки паяемости.
Активація паяються поверхонь необхідна для фізико-хімічної взаємодії атомів основного металу і припою.
Існують три способи перенесення енергії у формі теплоти: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Перенесення теплоти при пайку паяльником здійснюється за рахунок теплопровідності паяльного жала, яке служить акумулятором теплоти, що виділяється нагрівачем.
Швидкість нагріву паяльником залежить від температури жала та кількості теплоти, акумульованої жалом (4-8 кДж). Питома потужність, що виділяється в зоні пайки деталей паяльником, не перевищує 1.10 4 Вт / м 2.
Пайка розплавленим припоєм здійснюється шляхом контакту паяються деталей з обширною поверхнею розплаву, що акумулює значно більшу кількість теплоти, ніж паяльник, тому питома потужність при цьому досягає 10 6 Вт / м 2, що скорочує час пайки.
При газополум'яної нагріванні полум'я пальника є конвективним теплообмінним джерелом нагрівання. Для газополум'яної пайки, зварювання, різання дрібних деталей з високою температурою плавлення застосовують апарати з водневою мікрогорелкой, в основу роботи яких покладено принцип електролізу води електричним струмом. Апарат являє собою настільний переносний прилад, що складається з електролізера, змішувачів, додаткового змішувача, панелі управління, пальники. Для збільшення провідності у дистильовану воду додають хімічно чистий їдкий калій. У результаті проходження електричного струму з розчину виділяються водень і кисень. У змішувачі після проходження через водний затвор суміш насичується парами бензину (спирту або ацетону) і поступає в пальник. Управління електролізом води здійснюється за допомогою електронного регулятора потужності. Пальник формує необхідний факел полум'я і постачається швидкознімними наконечниками. При газополум'яної нагріванні можливий перепал деталей, окислення припою внаслідок нерівномірності температурного поля в зоні нагрівання.
Більше перспективні безконтактні способи нагріву паяються деталей різними видами випромінювань. При пайку випромінюванням високої частоти (ВЧ) в деталях індукуються струми, які проходять головним чином у поверхневому шарі товщиною δ і розігрівають деталі до необхідної температури. Глибина проникнення струмів ВЧ
де ρ, μ - відповідно питомий електричний опір і магнітна проникність металу; f - частота струму.
Оскільки глибина проникнення залежить від частоти, то для товстостінних деталей (2-5 мм) застосовують низькочастотний нагрів (66 кГц), для тонкостінних - ВЧ-нагрів (440; 1760 кГц). Швидкість нагріву пропорційна
Технологічним оснащенням при ВЧ-пайку є індуктор, що представляє собою котушку з декількох витків порожнистої мідної трубки, по якій в процесі нагріву інтенсивно прокачується охолоджуюча рідина - вода. Витки індуктора розташовуються поблизу нагріваються деталей (рис. 2).
Ефективність нагрівання підвищується, якщо в зоні нагріву утворити електричний короткозамкнений контур з малим питомим електричним опором, розташований уздовж паяемого з'єднання і виконаний у вигляді локального покриття (мідного, срібного) товщиною 20-30 мкм або спеціальної оправки.
1, 4 деталі, 2 припой, 3 індуктор; D і, D д діаметр індуктора і деталі
рис. 2. Схема нагріву струмами ВЧ:
Вплив НВЧ-випромінювання потужністю 5-10 Вт на атмосферу робочого газу (аргону) призводить до його іонізації, що дає можливість отримувати плазмовий стрижень тліючого розряду діаметром 0,1-10 мм з температурою до 1000 ° С. НВЧ-випромінювання від магнетронного генератора безперервної дії потужністю 5-10 Вт збуджують у хвилеводно-коаксіальному тракті, в який подають аргон з невеликою добавкою водню зі швидкістю 1-5 л / хв. За допомогою плазмового стрижня практично безинерціонной можна вести пайку планарних висновків мікросхем до контактних площадок плат. Недоліком методу є значний градієнт температур як по довжині стрижня, так і в радіальному напрямку.
Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання застосовують для безконтактного нагрівання деталей у різних середовищах: на повітрі, в контрольованій атмосфері, у вакуумі.
Інфрачервоне теплове випромінювання знаходиться в діапазоні довжин хвиль 0,76-1000 мкм, однак найбільша ефективність (75%) припадає на короткохвильовий піддіапазон 0,75-3,0 мкм. Падаюче на паяемую поверхню ІЧ-випромінювання внаслідок поглинання незначно проникає вглиб металу, частково відбиваючись від його поверхні. Відбивна здатність гладких поверхонь чистих металів залежить від їх питомої електричного опору і температури поверхні:
Для полірованих поверхонь зі срібла, алюмінію коефіцієнт відображення становить 95%, тому вони використовуються для виготовлення рефлекторів ІК-установок. Невідображення частина випромінювання поглинається рефлектором, і в установках передбачають його водяне або повітряне охолодження (рис. 3).
В якості джерел ІЧ-енергії використовуються галогенні кварцові лампи потужністю 500-2000 Вт Галогенні (йодні, галоїдні) лампи виготовляються із кварцового скла і мають вольфрамову спіраль з робочою температурою близько 3000 о С і терміном служби 2000-5000 ч.
1 рефлектор, 2 ІК-лампа, 3 маска, 4 деталь
рис. 3. Схема ІК-нагріву
У процесах пайки широке застосування отримали два види ІК-нагріву: локальний сфокусований і прецизійний розсіяний. Для локального нагріву доцільні відбивачі еліптичної форми, що фокусують випромінювання джерела, поміщеного в ближньому фокусі рефлектора, на об'єкт нагрівання в далекому фокусі (рис. 4, а). Для прецизійного нагріву використовують параболічні (рис. 4, б) або овально-циліндричні з сопловим насадками рефлектори (рис. 4, в).
рис. 4. Типи відбивачів ІЧ-випромінювання
До достоїнств пайки ІЧ-випромінюванням слід віднести: безконтактний підведення енергії до паяемим деталей, точне регулювання температури та часу нагрівання, локальність нагрівання в зоні пайки. Недоліки процесу - утруднення при флюсової пайку, так як випаровується флюс забруднює лампи і рефлектори, відсутність серійно випускається.
Оптичне випромінювання в діапазоні довжин хвиль 0,7-10,6 мкм, що генерується різними типами лазерів, є зручним, надійним і економічним видом безконтактного нагрівання. У технології пайки використовують лазерні установки, основним елементом яких є оптичний квантовий генератор (ОКГ), створює потужний імпульс монохроматичного когерентного випромінювання. Пайка лазерним випромінюванням не вимагає вакууму і дозволяє з'єднувати вироби з різнотовщинність елементів. У процесах пайки використовують як безперервне, так і імпульсне лазерне випромінювання.
Процеси пайки ЕРЕ і мікросхем на друковані плати з допомогою лазерного випромінювання, одержуваного від твердотільного ОКГ на алюмоітрієвому гранаті (АІГ) потужністю до 125 Вт з λ = 1,06 мкм, відрізняються високою продуктивністю.
Для якісної пайки висновків мікросхем до контактних площадок друкованих плат необхідно, щоб щільність потоку випромінювання становила 1,95-2,0 Дж / мм 2. Переміщення друкованої плати із швидкістю 8 мм / с забезпечує продуктивність процесу 400-440 пайок у хвилину. Процес пайки може бути легко автоматизований шляхом застосування координатного столу і системи ЧПУ, що здійснює управління столом і потужністю випромінювання. Лазерне випромінювання не впливає на електроізоляційні властивості діелектриків, якщо середня щільність потоку не перевищує 3,4 і 2,8 Дж / мм 2 для матеріалів СФ-2-50 і ФТС відповідно.
Для низькотемпературної пайки за кордоном використовують установки багатоточкової пайки з голографічним діленням променя (рис. 5). У цьому випадку промінь лазера, генерований ОКГ 1, за допомогою телецентричною оптики 2 спочатку розширюється до значного діаметру, а потім прямує як плоскопараллельних потік на голограму 3. Відбиваючись від плоского дзеркала 4, промені направляються на ділянки пайки 5 із високим ступенем локальності. Для кожного процесу пайки необхідна спеціальна голограма, що містить інформацію про те, на яку кількість елементарних променів повинен бути розкладений пучок і в яких точках сфокусований кожен з них.
Для пайки легкоплавкими припоями виробів електронної техніки достатня потужність 5 Вт, що виділяється в зоні протікання процесу. Одним імпульсом промислового лазера потужністю 20-50 Вт можна здійснювати пайку одночасно в декількох точках. При використанні лазерних установок доцільно застосовувати як припоїв покриття, які, оплавлення, утворюють сполуки.
рис. 5. Схема лазерної пайки
У звичайному стані поверхню металів покрита оксидними плівками. Нагрівання основного металу і розплавленого припою призводить до того, що їх активність знижується внаслідок взаємодії з киснем повітря і зростанням оксидних плівок на поверхні. Видалення оксидних плівок у процесі пайки є необхідною умовою отримання якісних паяних з'єднань.
Константа рівноваги реакції окислення металу К р залежить від тиску парів кисню в навколишньому середовищі при даній температурі:
де Р Ме,
Зменшивши парціальний тиск кисню і збільшивши температуру середовища, можна змістити рівновагу реакції в бік розкладання (дисоціації) оксиду. Однак повне розкладання оксидів металу (наприклад, олова, міді) відбувається при дуже низькому тиску (10 -6 -10 -8 Па) і температурі 600-700 ° С.
При нагріванні металів в активних (відбудовних) газових середовищах, в якості яких використовують азотно-водневу суміш або добавку оксиду вуглецю, відбувається відновлення оксидів металів активними компонентами газових середовищ по реакціях:
Недоліком такого процесу є взаємодія водню з розплавленим припоєм, що призводить в ряді випадків до появи водневої крихкості, утворення пор, тріщин та інших дефектів.
Суть механічного видалення оксидних плівок з паяемой поверхні полягає в їхньому руйнуванні під шаром рідкого припою з допомогою ріжучого або абразивного інструменту, при цьому припой захищає паяемую поверхню від впливу кисню повітря і вступає з нею у фізичний контакт. В якості ріжучого і абразивного інструменту використовують металеві щітки, сітки, а в якості матеріалів - порошки з твердих матеріалів, азбест, що вводяться в припой у подрібнену вигляді. Недоліки методу - низька продуктивність, нерівномірність видалення оксидних плівок, забруднення припою частинками абразиву.
Найпоширенішим способом видалення оксидів у процесі пайки є флюсування. Флюс як хімічний реагент має два основних призначення: очистити поверхню металу від оксидів; зменшити поверхневий натяг припою і кут змочування. Типові представники активних флюсів містять в якості розчинника воду або спирти, активаторами є неорганічні і органічні кислоти або їх солі, наприклад соляна або фосфорна кислота, неорганічні солі (ZnCl 2, NH 3 Cl, SnCl 2, CuCl та ін.) При взаємодії хлористого цинку і води утворюється соляна кислота, яка розчиняє оксиди на поверхні металу:
У результаті утворюється хлориста мідь, яку через її хорошою розчинності у воді необхідно видаляти з поверхні деталі. Оскільки флюс на основі хлористого цинку володіє високою активністю, його залишки надають корозійний вплив і повинні ретельно видалятися.
Самофлюсованіе полягає в тому, що до складу припоїв вводять раскислители (бор, фосфор, літій, калій, натрій), що володіють відновні властивості:
Прикладом є припої систем Сu-P, Cu-Mn-Ni-B (ВПр4), які використовуються при пайці сталей в нейтральних газових середовищах або вакуумі.
Ультразвукове видалення оксидних плівок засноване на введенні пружних механічних коливань частотою 18-45 кГц в розплавлений припій і створення в ньому кавітації, а також низки супутніх явищ: звукового тиску, мікро-і макропотоков. Кавітацією називається явище виникнення, розвитку та захлопування газових порожнин в рідкій середовищі. Реальні рідини і розплави містять нерозчинні домішки, на поверхні яких у тріщинах і поглибленнях можуть перебувати нерозчинені бульбашки газу розміром 10 -6 -10 -7 м. При введенні в розплав УЗ-коливань інтенсивністю 10 4 Вт / м 2 ці зародки кавітації починають пульсувати з частотою коливань. Їх кількість збільшується за рахунок утворення розривів у рідкому середовищі при інтенсивностях ультразвука понад 2.10 4 Вт / м 2.
кафедра ЕТТ
реферат на тему:
«Фізико-хімічні основи ПРОЦЕСУ ПАЙКИ»
Мінськ, 2008
Пайкою називається процес з'єднання матеріалів у твердому стані шляхом введення в зазор легкоплавкого металу - припою, що взаємодіє з основними матеріалами і утворить рідку металеву прошарок, кристалізація якої призводить до утворення паяного шва.
Для утворення якісного паяного з'єднання необхідно:
· Підготувати поверхні деталей, що з'єднуються;
· Активувати матеріали і припій;
· Видалити оксидні плівки в зоні контакту;
· Забезпечити взаємодію на міжфазній межі розділу;
· Створити умови для кристалізації рідкої металевої прошарку.
Підготовка поверхонь деталей до пайки включає механічну, хімічну чи електрохімічну очищення від оксидів, забруднень органічного і мінерального походження, а також нанесення покриттів, що поліпшують умови пайки або підвищують міцність і корозійну стійкість паяних з'єднань.
Видалення продуктів корозії і оксидних плівок механічним способом виробляють за допомогою ріжучого інструменту (напилка, шліфувального круга, шабера), а також наждачного паперу, дротяної сітки. Для підвищення продуктивності при обробці протяжних або складнопрофільовані виробів застосовують гідроабразивну очищення за допомогою струменя рідини або обертових щіток із синтетичного матеріалу з додаванням в миючий склад абразивних частинок. Освіта шорсткої поверхні після механічної обробки сприяє збільшенню розтікання припою, тому що ризики на поверхні є дрібними капілярами.
Видалення поверхневих плівок, що перешкоджають смачиванию розплавленим припоєм, здійснюється як хімічними, так і електрохімічними способами. Хімічне знежирення деталей проводять в 5%-му розчині лугу або в органічних розчинниках (ацетон, бензин, спирт, чотирихлористий вуглець), спіртобензінових і спіртофреонових сумішах шляхом протирання, занурення, розпилення, обробки в паровій фазі або ультразвуковій ванні.
Для ультразвукового знежирення використовують ванни УЗВ-0, 1, УЗВ-0, 25, УЗВ-0, 4, що працюють на частотах 18-22 кГц в докавітаційному режимі, який забезпечує отримання інтенсивних мікропотоків в миючої рідини, що гарантує високу якість очищення дрібних деталей і прискорює процес в 5-10 разів.
Товсті шари оксидних плівок видаляють травлением в розчинах кислот або лугів. Склад розчину визначається видом металу, товщиною оксидної плівки і необхідної швидкістю травлення. Електрохімічне травлення прискорює процес розчинення оксидних плівок і проводиться при щільності струму 2-5 А / дм 2. Після травлення деталі ретельно промивають у нейтралізуючих розчинах.
Очищені деталі необхідно негайно направляти на складання та пайку, так як паяемости міді зберігається 3-5 діб, а срібла 10-15 діб. Тому для забезпечення міжопераційного зберігання матеріалів і компонентів ЕА на їх поверхні наносять металеві покриття, які покращують процес змочування припоєм і зберігають паяемости протягом тривалого часу. В якості таких покриттів використовують легкоплавкі припої (ПОС 61, посв 33 і ін), сплави олова з вісмутом або нікелем, золото, срібло, паладій та інші метали, які наносять зануренням в розплав, гальванічним або термовакуумного осадженням, а також плакуванням. При першому методі занурення роблять у розплави припоїв після попереднього флюсування. Гальванічні покриття благородними металами наносять товщиною 3-6 мкм, іншими - 6-9 мкм. Плівки, отримані термовакуумного осадженням, відрізняються високою рівномірністю, відсутністю окислення покриття, проте мають малу товщину (0,1-1,0 мкм). Плакування здійснюється спільною прокаткою паяемого металу і металу покриття; при цьому забезпечується рівномірна товщина покриття (100-150 мкм). Після виконання підготовчих операцій або міжопераційного зберігання контролюється придатність деталей до пайки шляхом оцінки паяемости.
Активація паяються поверхонь необхідна для фізико-хімічної взаємодії атомів основного металу і припою.
Існують три способи перенесення енергії у формі теплоти: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Перенесення теплоти при пайку паяльником здійснюється за рахунок теплопровідності паяльного жала, яке служить акумулятором теплоти, що виділяється нагрівачем.
Швидкість нагріву паяльником залежить від температури жала та кількості теплоти, акумульованої жалом (4-8 кДж). Питома потужність, що виділяється в зоні пайки деталей паяльником, не перевищує 1.10 4 Вт / м 2.
Пайка розплавленим припоєм здійснюється шляхом контакту паяються деталей з обширною поверхнею розплаву, що акумулює значно більшу кількість теплоти, ніж паяльник, тому питома потужність при цьому досягає 10 6 Вт / м 2, що скорочує час пайки.
При газополум'яної нагріванні полум'я пальника є конвективним теплообмінним джерелом нагрівання. Для газополум'яної пайки, зварювання, різання дрібних деталей з високою температурою плавлення застосовують апарати з водневою мікрогорелкой, в основу роботи яких покладено принцип електролізу води електричним струмом. Апарат являє собою настільний переносний прилад, що складається з електролізера, змішувачів, додаткового змішувача, панелі управління, пальники. Для збільшення провідності у дистильовану воду додають хімічно чистий їдкий калій. У результаті проходження електричного струму з розчину виділяються водень і кисень. У змішувачі після проходження через водний затвор суміш насичується парами бензину (спирту або ацетону) і поступає в пальник. Управління електролізом води здійснюється за допомогою електронного регулятора потужності. Пальник формує необхідний факел полум'я і постачається швидкознімними наконечниками. При газополум'яної нагріванні можливий перепал деталей, окислення припою внаслідок нерівномірності температурного поля в зоні нагрівання.
Більше перспективні безконтактні способи нагріву паяються деталей різними видами випромінювань. При пайку випромінюванням високої частоти (ВЧ) в деталях індукуються струми, які проходять головним чином у поверхневому шарі товщиною δ і розігрівають деталі до необхідної температури. Глибина проникнення струмів ВЧ
де ρ, μ - відповідно питомий електричний опір і магнітна проникність металу; f - частота струму.
Оскільки глибина проникнення залежить від частоти, то для товстостінних деталей (2-5 мм) застосовують низькочастотний нагрів (66 кГц), для тонкостінних - ВЧ-нагрів (440; 1760 кГц). Швидкість нагріву пропорційна
Технологічним оснащенням при ВЧ-пайку є індуктор, що представляє собою котушку з декількох витків порожнистої мідної трубки, по якій в процесі нагріву інтенсивно прокачується охолоджуюча рідина - вода. Витки індуктора розташовуються поблизу нагріваються деталей (рис. 2).
Ефективність нагрівання підвищується, якщо в зоні нагріву утворити електричний короткозамкнений контур з малим питомим електричним опором, розташований уздовж паяемого з'єднання і виконаний у вигляді локального покриття (мідного, срібного) товщиною 20-30 мкм або спеціальної оправки.
1, 4 деталі, 2 припой, 3 індуктор; D і, D д діаметр індуктора і деталі
рис. 2. Схема нагріву струмами ВЧ:
Вплив НВЧ-випромінювання потужністю 5-10 Вт на атмосферу робочого газу (аргону) призводить до його іонізації, що дає можливість отримувати плазмовий стрижень тліючого розряду діаметром 0,1-10 мм з температурою до 1000 ° С. НВЧ-випромінювання від магнетронного генератора безперервної дії потужністю 5-10 Вт збуджують у хвилеводно-коаксіальному тракті, в який подають аргон з невеликою добавкою водню зі швидкістю 1-5 л / хв. За допомогою плазмового стрижня практично безинерціонной можна вести пайку планарних висновків мікросхем до контактних площадок плат. Недоліком методу є значний градієнт температур як по довжині стрижня, так і в радіальному напрямку.
Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання застосовують для безконтактного нагрівання деталей у різних середовищах: на повітрі, в контрольованій атмосфері, у вакуумі.
Інфрачервоне теплове випромінювання знаходиться в діапазоні довжин хвиль 0,76-1000 мкм, однак найбільша ефективність (75%) припадає на короткохвильовий піддіапазон 0,75-3,0 мкм. Падаюче на паяемую поверхню ІЧ-випромінювання внаслідок поглинання незначно проникає вглиб металу, частково відбиваючись від його поверхні. Відбивна здатність гладких поверхонь чистих металів залежить від їх питомої електричного опору і температури поверхні:
Для полірованих поверхонь зі срібла, алюмінію коефіцієнт відображення становить 95%, тому вони використовуються для виготовлення рефлекторів ІК-установок. Невідображення частина випромінювання поглинається рефлектором, і в установках передбачають його водяне або повітряне охолодження (рис. 3).
В якості джерел ІЧ-енергії використовуються галогенні кварцові лампи потужністю 500-2000 Вт Галогенні (йодні, галоїдні) лампи виготовляються із кварцового скла і мають вольфрамову спіраль з робочою температурою близько 3000 о С і терміном служби 2000-5000 ч.
1 рефлектор, 2 ІК-лампа, 3 маска, 4 деталь
рис. 3. Схема ІК-нагріву
У процесах пайки широке застосування отримали два види ІК-нагріву: локальний сфокусований і прецизійний розсіяний. Для локального нагріву доцільні відбивачі еліптичної форми, що фокусують випромінювання джерела, поміщеного в ближньому фокусі рефлектора, на об'єкт нагрівання в далекому фокусі (рис. 4, а). Для прецизійного нагріву використовують параболічні (рис. 4, б) або овально-циліндричні з сопловим насадками рефлектори (рис. 4, в).
рис. 4. Типи відбивачів ІЧ-випромінювання
До достоїнств пайки ІЧ-випромінюванням слід віднести: безконтактний підведення енергії до паяемим деталей, точне регулювання температури та часу нагрівання, локальність нагрівання в зоні пайки. Недоліки процесу - утруднення при флюсової пайку, так як випаровується флюс забруднює лампи і рефлектори, відсутність серійно випускається.
Оптичне випромінювання в діапазоні довжин хвиль 0,7-10,6 мкм, що генерується різними типами лазерів, є зручним, надійним і економічним видом безконтактного нагрівання. У технології пайки використовують лазерні установки, основним елементом яких є оптичний квантовий генератор (ОКГ), створює потужний імпульс монохроматичного когерентного випромінювання. Пайка лазерним випромінюванням не вимагає вакууму і дозволяє з'єднувати вироби з різнотовщинність елементів. У процесах пайки використовують як безперервне, так і імпульсне лазерне випромінювання.
Процеси пайки ЕРЕ і мікросхем на друковані плати з допомогою лазерного випромінювання, одержуваного від твердотільного ОКГ на алюмоітрієвому гранаті (АІГ) потужністю до 125 Вт з λ = 1,06 мкм, відрізняються високою продуктивністю.
Для якісної пайки висновків мікросхем до контактних площадок друкованих плат необхідно, щоб щільність потоку випромінювання становила 1,95-2,0 Дж / мм 2. Переміщення друкованої плати із швидкістю 8 мм / с забезпечує продуктивність процесу 400-440 пайок у хвилину. Процес пайки може бути легко автоматизований шляхом застосування координатного столу і системи ЧПУ, що здійснює управління столом і потужністю випромінювання. Лазерне випромінювання не впливає на електроізоляційні властивості діелектриків, якщо середня щільність потоку не перевищує 3,4 і 2,8 Дж / мм 2 для матеріалів СФ-2-50 і ФТС відповідно.
Для низькотемпературної пайки за кордоном використовують установки багатоточкової пайки з голографічним діленням променя (рис. 5). У цьому випадку промінь лазера, генерований ОКГ 1, за допомогою телецентричною оптики 2 спочатку розширюється до значного діаметру, а потім прямує як плоскопараллельних потік на голограму 3. Відбиваючись від плоского дзеркала 4, промені направляються на ділянки пайки 5 із високим ступенем локальності. Для кожного процесу пайки необхідна спеціальна голограма, що містить інформацію про те, на яку кількість елементарних променів повинен бути розкладений пучок і в яких точках сфокусований кожен з них.
Для пайки легкоплавкими припоями виробів електронної техніки достатня потужність 5 Вт, що виділяється в зоні протікання процесу. Одним імпульсом промислового лазера потужністю 20-50 Вт можна здійснювати пайку одночасно в декількох точках. При використанні лазерних установок доцільно застосовувати як припоїв покриття, які, оплавлення, утворюють сполуки.
рис. 5. Схема лазерної пайки
У звичайному стані поверхню металів покрита оксидними плівками. Нагрівання основного металу і розплавленого припою призводить до того, що їх активність знижується внаслідок взаємодії з киснем повітря і зростанням оксидних плівок на поверхні. Видалення оксидних плівок у процесі пайки є необхідною умовою отримання якісних паяних з'єднань.
Константа рівноваги реакції окислення металу К р залежить від тиску парів кисню в навколишньому середовищі при даній температурі:
де Р Ме,
Зменшивши парціальний тиск кисню і збільшивши температуру середовища, можна змістити рівновагу реакції в бік розкладання (дисоціації) оксиду. Однак повне розкладання оксидів металу (наприклад, олова, міді) відбувається при дуже низькому тиску (10 -6 -10 -8 Па) і температурі 600-700 ° С.
При нагріванні металів в активних (відбудовних) газових середовищах, в якості яких використовують азотно-водневу суміш або добавку оксиду вуглецю, відбувається відновлення оксидів металів активними компонентами газових середовищ по реакціях:
Недоліком такого процесу є взаємодія водню з розплавленим припоєм, що призводить в ряді випадків до появи водневої крихкості, утворення пор, тріщин та інших дефектів.
Суть механічного видалення оксидних плівок з паяемой поверхні полягає в їхньому руйнуванні під шаром рідкого припою з допомогою ріжучого або абразивного інструменту, при цьому припой захищає паяемую поверхню від впливу кисню повітря і вступає з нею у фізичний контакт. В якості ріжучого і абразивного інструменту використовують металеві щітки, сітки, а в якості матеріалів - порошки з твердих матеріалів, азбест, що вводяться в припой у подрібнену вигляді. Недоліки методу - низька продуктивність, нерівномірність видалення оксидних плівок, забруднення припою частинками абразиву.
Найпоширенішим способом видалення оксидів у процесі пайки є флюсування. Флюс як хімічний реагент має два основних призначення: очистити поверхню металу від оксидів; зменшити поверхневий натяг припою і кут змочування. Типові представники активних флюсів містять в якості розчинника воду або спирти, активаторами є неорганічні і органічні кислоти або їх солі, наприклад соляна або фосфорна кислота, неорганічні солі (ZnCl 2, NH 3 Cl, SnCl 2, CuCl та ін.) При взаємодії хлористого цинку і води утворюється соляна кислота, яка розчиняє оксиди на поверхні металу:
У результаті утворюється хлориста мідь, яку через її хорошою розчинності у воді необхідно видаляти з поверхні деталі. Оскільки флюс на основі хлористого цинку володіє високою активністю, його залишки надають корозійний вплив і повинні ретельно видалятися.
Самофлюсованіе полягає в тому, що до складу припоїв вводять раскислители (бор, фосфор, літій, калій, натрій), що володіють відновні властивості:
Прикладом є припої систем Сu-P, Cu-Mn-Ni-B (ВПр4), які використовуються при пайці сталей в нейтральних газових середовищах або вакуумі.
Ультразвукове видалення оксидних плівок засноване на введенні пружних механічних коливань частотою 18-45 кГц в розплавлений припій і створення в ньому кавітації, а також низки супутніх явищ: звукового тиску, мікро-і макропотоков. Кавітацією називається явище виникнення, розвитку та захлопування газових порожнин в рідкій середовищі. Реальні рідини і розплави містять нерозчинні домішки, на поверхні яких у тріщинах і поглибленнях можуть перебувати нерозчинені бульбашки газу розміром 10 -6 -10 -7 м. При введенні в розплав УЗ-коливань інтенсивністю 10 4 Вт / м 2 ці зародки кавітації починають пульсувати з частотою коливань. Їх кількість збільшується за рахунок утворення розривів у рідкому середовищі при інтенсивностях ультразвука понад 2.10 4 Вт / м 2.
При закритті бульбашки сконцентрована в мізерно малому обсязі кінетична енергія трансформується частково в силовий імпульс і частково в теплову енергію. З центру захлопнувшейся бульбашки поширюється ударна сферична хвиля, тиск в якій на відстані, рівній 10 R 0 (за розрахунковими даними), становить 150 Па, а температура - 1000 ° С і вище. Захлопування кавітаційних порожнин і створення мікропотоків в розплавленому припої призводять до видалення оксидних плівок з поверхні металу, що дозволяє здійснювати пайку та лудіння труднопаяемих металів: алюмінію, магнію і нікелю, тугоплавких металів і сплавів на їх основі.
Генерація пружних механічних коливань УЗ-частоти здійснюється магнітострикційних і п'єзоелектричними перетворювачами з частотою коливань 22 і 44 кГц і амплітудою коливань 10-25 мкм. Перетворювачі вбудовуються у ванни і паяльники, випромінюючі поверхні яких виготовляються з кавітаційно-стійких матеріалів (нержавіючі сталі, титанові сплави). Електрична потужність установок для УЗ-пайки не перевищує 0,4-2,5 кВт. Час паяння або лудіння становить 5-10 с, швидкість переміщення випромінювача паяльника (0,8-1,6) · 10 -2 м / с, а оптимальний зазор між торцем випромінювача і паяемой поверхнею 0,2-3,0 мм (рис . 7).
1 оксид, 2 припой, 3 випромінювач паяльника, 4 кавітаційний бульбашка, 5 шлак, 6 метал
Рис. 7. Схема ультразвукової пайки
За допомогою УЗ-металізації вдається поєднувати непаяемие матеріали - кераміку, скло, ферити і ін Однак це вимагає спеціальних припоїв, об'єктивного контролю режимів процесу (амплітуди і частоти коливань), а також спеціальних заходів проти підвищеного окислення припою.
Плазмохімічний спосіб полягає у використанні енергії потоку прискорених іонів активних газів, одержуваних у вакуумі при іонно-плазмовому або магнетронного розпилення. Вплив іонного променя на поверхню металу призводить до випаровування оксидної плівки в зоні обробки. Недоліком є необхідність високого вакууму, складного технологічного обладнання, що обмежує застосування методу.
Взаємодія на межі "основний метал - рідкий припой" пов'язане з процесами змочування і розтікання припою по паяемой поверхні. Процес змочування основного металу припоєм полягає в заміні міжатомних зв'язків, що виникли між металами у твердій фазі, на металеву зв'язок атомів на межі розділу між ними. При цьому взаємодія сил поверхневого натягу визначає контактний кут змочування q (ріс.6.11). Умовою рівноваги краплі на поверхні відповідає мінімум вільної поверхневої енергії Е п, під якою розуміють надлишок енергії поверхневих атомів внаслідок незбалансованості сил зв'язку в решітці. При цьому зміна поверхневої енергії описується рівнянням Юнга:
З цього виразу випливає, що
Величина cosq служить параметром для кількісної оцінки ступеня змочування:
1) повне змочування при cos q = 1, q = 0;
2) обмежене змочування при 0 <cos q £ 1 (0 £ q £ 90 o, σ 2,3 £ σ 1,3);
3) несмачіваніе при -1 £ cos q <0 (90 o £ q <180 o, σ 2,3> σ 1,3).
Робота сил адгезії W а пов'язана з утворенням міжфазної кордону з енергією σ 2,3 замість поодиноких поверхонь з енергіями σ 1,2 і σ 1,3:
Для подолання сил зчеплення частинок всередині самої рідини (сил когезії) необхідно затратити роботу сил когезії за освітою двох одиничних поверхонь рідини з енергіями σ 1,2, тобто
З урахуванням наведених виразів можна отримати формулу
Рідкі метали і сплави мають більш високим поверхневим натягом, ніж неметалеві рідини. Так, для припою типу ПОС 61 σ 1,2 = 0,5 Н / м, що на порядок перевищує поверхневий натяг води. У цьому випадку утворення зв'язку під дією сил Ван-дер-Ваальса не може забезпечити змочування. Для виконання при пайку умови змочування на міжфазній межі повинні утворюватися високоенергетичні міжатомні зв'язку хімічної природи з великою роботою сил адгезії W а (металеві, метало-ковалентні та ін.) Реальні шляхи поліпшення змочування полягають у застосуванні захисних газових середовищ (зниження σ 1,2) і більш ретельному очищенню контактуючих поверхонь твердої і рідкої фаз від оксидних плівок (зниження σ 2,3).
1 газ, 2 припой, 3 основний метал
рис.8. Схема рівноваги сил поверхневого натягу
При розгляді умов рівноваги системи "припой-основний метал" у флюсової середовищі замість σ 1,2 вводять σ 2,4 (міжфазну натяг на межі "флюс-основний метал"). При цьому σ 2,4 <σ 1,2, σ 3,4 <σ 1,3, а рівняння для крайового кута має вигляд
Для реалізації умови змочування в даному випадку необхідно витіснення припоєм прореагировавшего флюсу в міру віддалення оксидної плівки з поверхні основного металу, що виконується при σ 2,3 <σ 3,4. При достатньому хімічну спорідненість компонентів основного металу і припою енергія s 2,3 мала, а робота W а велика. У цьому випадку реалізується друга умова змочування: W а> σ 2,4.
1 газ, 2 флюс, 3 припой, 4 основний метал
рис. 9. Схема рівноваги сил поверхневого натягу під флюсової середовищі
Розтікання припою по поверхні основного металу відбувається в результаті взаємодії сил поверхневого натягу і супроводжується зближенням рідкої і твердої фаз. Коефіцієнт розтікання визначається з умови різниці робіт сил адгезії і когезії:
При змочуванні і растекании припой заповнює зазори між сполучаються деталями, утворюючи меніски поблизу вертикальних стінок і проявляючи тим самим капілярні властивості. Різниця тисків, що діють на викривлену поверхню рідини, називають капілярним тиском p к, яке визначається рівнянням Лапласа:
де p 1, p 2 - тиск рідини для опуклої й увігнутої поверхонь відповідно; R 1, R 2 - радіуси кривизни розглянутого елемента поверхні.
Для опуклої поверхні Р до вважають позитивним і спрямованим всередину рідини, для увігнутій поверхні Р до негативно і направлено назовні від поверхні рідини. При малому діаметрі D капіляра вільна поверхня рідини має форму сфери (рис. 10) радіусом
Підставивши значення радіусу меніска в рівняння Лапласа, отримаємо
Різниця тисків p 1 - p 2 врівноважується стовпом розплавленого припою висотою h:
З рівнянь видно, що висота підйому припою в капілярі круглого перерізу прямо пропорційна його поверхневому натягу і смачивающей здібності і назад пропорційна діаметру капіляра і щільності припою:
Відмінність розплавів припоїв від звичайних рідин полягає в тому, що рідкий припой являє собою систему, що складається з декількох компонентів, і в процесі його розтікання відбувається фізико-хімічну взаємодію компонентів і основного металу, додаткове розчинення елементів основного металу у припої, взаємодія з газовими і флюсами середовищами. При витісненні припоєм флюсу з капіляра висота підйому припою буде визначатися виразом
У горизонтальному капілярі шириною h для припою з в'язкістю h час затікання t на довжину капіляра l визначається наступним чином:
На другому етапі фізико-хімічної взаємодії припою і основного металу основну роль відіграють процеси дифузії. Теоретично процес дифузії при постійній температурі і стаціонарному в часі потоці речовини описується першим рівнянням Фіка:
де m - кількість диффундирующего речовини; D - коефіцієнт дифузії; С - концентрація речовини; x - Координата. Мінус вказує на те, що процес дифузії йде в напрямку зменшення концентрації речовини.
рис. 10. Схема підйому рідини в капілярі
У реальних умовах швидкість дифузії - величина змінна в часі, тому процес дифузії описується другого рівняння Фіка:
де
Коефіцієнт дифузії залежить від температури:
де D 0 - коефіцієнт, що залежить від типу кристалічної решітки; Q - енергія активації дифузії; R - універсальна газова постійна: R = 8,31 кДж / (кмоль · град); Т - абсолютна температура.
Для практичних цілей рішення другого рівняння Фіка має вигляд
де С х - концентрація диффундирующего речовини на глибині x від поверхні; С 0 - концентрація елемента на поверхні, Ф - інтеграл функції помилок Гауса.
На швидкість процесу дифузії крім температури впливає стан металу. Наклеп, що супроводжується спотворенням кристалічної решітки і появою вакансій, збільшує дифузію по межах зерен і вздовж дислокації, що призводить до збільшення дифузійної зони. Дифузійні процеси при пайку дозволяють збільшити механічну міцність з'єднань, однак освіту интерметаллидное сполук у спае типу Cu 3 Sn, AuSn 2 при глибокої взаємної дифузії компонентів викликає зниження міцності паяних з'єднань.
Процес кристалізації при пайку супроводжується затвердінням рідкої металевої прошарку розплавленого металу, що знаходиться в зазорі.
Основними особливостями кристалізації при пайку є:
· Неравновесность процесу, тобто відсутність вирівнювання складу в рідкій фазі, що призводить до виділення в паяної шві поряд з легкоплавкими тугоплавких фаз підвищеної крихкості;
· Вплив основного металу, яке проявляється в епітаксійних-орієнтованої кристалізації зерен припою поблизу поверхні основного металу;
· Яскраво виражена ліквація в паяної шві - поява зональних неоднорідностей, дендритних утворень, що відрізняються меншою міцністю;
· Залежність характеру кристалізації від обсягу припою в зазорі.
Для отримання надійних паяних з'єднань застосовують евтектичні припої з вузькою зоною кристалізації, а також зменшують час кристалізації, що сприяє отриманню дрібнозернистої структури спаю. У результаті фізико-хімічної взаємодії припою і основного металу утворюється паяні з'єднання з певною структурою. Паяний шов включає зону сплавлення (припій) і утворилися дифузійні зони на кордоні між припоєм і основним металом (рис. 11.).
Кінцева структура і склад паяного з'єднання залежать від природи взаємодіючих металів, їх хімічної спорідненості, часу і температури пайки. Розрізняють такі спаї:
· Бездіффузіонний, в якому існуючими методами аналізу не вдається виявити зони дифузії; такий спай утворюється між металами зі слабким хімічною спорідненістю, низьким коефіцієнтом взаємної дифузії, малим часом пайки і обмеженою температурою (наприклад, з'єднання Fe-Sn);
· Розчинно-дифузійний, в якому реагують компоненти утворюють тверді розчини або проміжні фази (інтерметаліди, наприклад Au-Sn, Ag-Sn та ін);
· Контактно-реакційний, який виникає при контакті металу з напівпровідником; в результаті утворюється евтектичних сплавів з низькою температурою плавлення (Au-Si).
1,5 з'єднуються деталі; 2,4 зони дифузії, 3 припой
рис. 11. Структура паяного з'єднання
ЛІТЕРАТУРА
1. Гелль П.П., Іванов-Есипович Н.К. Конструювання і мікромініатюризація радіоелектронної апаратури: Підручник для вузів. - Спб.: Вища школа, Ленінгр. від. - 2004. - 536 с.
2. Технологія поверхневого монтажу: Учеб. посібник / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфрієв Л.П. та ін - Мн.: «АРМІТ - Маркетинг, Менеджмент», 2000.
3. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002
Генерація пружних механічних коливань УЗ-частоти здійснюється магнітострикційних і п'єзоелектричними перетворювачами з частотою коливань 22 і 44 кГц і амплітудою коливань 10-25 мкм. Перетворювачі вбудовуються у ванни і паяльники, випромінюючі поверхні яких виготовляються з кавітаційно-стійких матеріалів (нержавіючі сталі, титанові сплави). Електрична потужність установок для УЗ-пайки не перевищує 0,4-2,5 кВт. Час паяння або лудіння становить 5-10 с, швидкість переміщення випромінювача паяльника (0,8-1,6) · 10 -2 м / с, а оптимальний зазор між торцем випромінювача і паяемой поверхнею 0,2-3,0 мм (рис . 7).
1 оксид, 2 припой, 3 випромінювач паяльника, 4 кавітаційний бульбашка, 5 шлак, 6 метал
Рис. 7. Схема ультразвукової пайки
За допомогою УЗ-металізації вдається поєднувати непаяемие матеріали - кераміку, скло, ферити і ін Однак це вимагає спеціальних припоїв, об'єктивного контролю режимів процесу (амплітуди і частоти коливань), а також спеціальних заходів проти підвищеного окислення припою.
Плазмохімічний спосіб полягає у використанні енергії потоку прискорених іонів активних газів, одержуваних у вакуумі при іонно-плазмовому або магнетронного розпилення. Вплив іонного променя на поверхню металу призводить до випаровування оксидної плівки в зоні обробки. Недоліком є необхідність високого вакууму, складного технологічного обладнання, що обмежує застосування методу.
Взаємодія на межі "основний метал - рідкий припой" пов'язане з процесами змочування і розтікання припою по паяемой поверхні. Процес змочування основного металу припоєм полягає в заміні міжатомних зв'язків, що виникли між металами у твердій фазі, на металеву зв'язок атомів на межі розділу між ними. При цьому взаємодія сил поверхневого натягу визначає контактний кут змочування q (ріс.6.11). Умовою рівноваги краплі на поверхні відповідає мінімум вільної поверхневої енергії Е п, під якою розуміють надлишок енергії поверхневих атомів внаслідок незбалансованості сил зв'язку в решітці. При цьому зміна поверхневої енергії описується рівнянням Юнга:
З цього виразу випливає, що
Величина cosq служить параметром для кількісної оцінки ступеня змочування:
1) повне змочування при cos q = 1, q = 0;
2) обмежене змочування при 0 <cos q £ 1 (0 £ q £ 90 o, σ 2,3 £ σ 1,3);
3) несмачіваніе при -1 £ cos q <0 (90 o £ q <180 o, σ 2,3> σ 1,3).
Робота сил адгезії W а пов'язана з утворенням міжфазної кордону з енергією σ 2,3 замість поодиноких поверхонь з енергіями σ 1,2 і σ 1,3:
Для подолання сил зчеплення частинок всередині самої рідини (сил когезії) необхідно затратити роботу сил когезії за освітою двох одиничних поверхонь рідини з енергіями σ 1,2, тобто
З урахуванням наведених виразів можна отримати формулу
Рідкі метали і сплави мають більш високим поверхневим натягом, ніж неметалеві рідини. Так, для припою типу ПОС 61 σ 1,2 = 0,5 Н / м, що на порядок перевищує поверхневий натяг води. У цьому випадку утворення зв'язку під дією сил Ван-дер-Ваальса не може забезпечити змочування. Для виконання при пайку умови змочування на міжфазній межі повинні утворюватися високоенергетичні міжатомні зв'язку хімічної природи з великою роботою сил адгезії W а (металеві, метало-ковалентні та ін.) Реальні шляхи поліпшення змочування полягають у застосуванні захисних газових середовищ (зниження σ 1,2) і більш ретельному очищенню контактуючих поверхонь твердої і рідкої фаз від оксидних плівок (зниження σ 2,3).
1 газ, 2 припой, 3 основний метал
рис.8. Схема рівноваги сил поверхневого натягу
При розгляді умов рівноваги системи "припой-основний метал" у флюсової середовищі замість σ 1,2 вводять σ 2,4 (міжфазну натяг на межі "флюс-основний метал"). При цьому σ 2,4 <σ 1,2, σ 3,4 <σ 1,3, а рівняння для крайового кута має вигляд
Для реалізації умови змочування в даному випадку необхідно витіснення припоєм прореагировавшего флюсу в міру віддалення оксидної плівки з поверхні основного металу, що виконується при σ 2,3 <σ 3,4. При достатньому хімічну спорідненість компонентів основного металу і припою енергія s 2,3 мала, а робота W а велика. У цьому випадку реалізується друга умова змочування: W а> σ 2,4.
1 газ, 2 флюс, 3 припой, 4 основний метал
рис. 9. Схема рівноваги сил поверхневого натягу під флюсової середовищі
Розтікання припою по поверхні основного металу відбувається в результаті взаємодії сил поверхневого натягу і супроводжується зближенням рідкої і твердої фаз. Коефіцієнт розтікання визначається з умови різниці робіт сил адгезії і когезії:
При змочуванні і растекании припой заповнює зазори між сполучаються деталями, утворюючи меніски поблизу вертикальних стінок і проявляючи тим самим капілярні властивості. Різниця тисків, що діють на викривлену поверхню рідини, називають капілярним тиском p к, яке визначається рівнянням Лапласа:
де p 1, p 2 - тиск рідини для опуклої й увігнутої поверхонь відповідно; R 1, R 2 - радіуси кривизни розглянутого елемента поверхні.
Для опуклої поверхні Р до вважають позитивним і спрямованим всередину рідини, для увігнутій поверхні Р до негативно і направлено назовні від поверхні рідини. При малому діаметрі D капіляра вільна поверхня рідини має форму сфери (рис. 10) радіусом
Підставивши значення радіусу меніска в рівняння Лапласа, отримаємо
Різниця тисків p 1 - p 2 врівноважується стовпом розплавленого припою висотою h:
З рівнянь видно, що висота підйому припою в капілярі круглого перерізу прямо пропорційна його поверхневому натягу і смачивающей здібності і назад пропорційна діаметру капіляра і щільності припою:
Відмінність розплавів припоїв від звичайних рідин полягає в тому, що рідкий припой являє собою систему, що складається з декількох компонентів, і в процесі його розтікання відбувається фізико-хімічну взаємодію компонентів і основного металу, додаткове розчинення елементів основного металу у припої, взаємодія з газовими і флюсами середовищами. При витісненні припоєм флюсу з капіляра висота підйому припою буде визначатися виразом
У горизонтальному капілярі шириною h для припою з в'язкістю h час затікання t на довжину капіляра l визначається наступним чином:
На другому етапі фізико-хімічної взаємодії припою і основного металу основну роль відіграють процеси дифузії. Теоретично процес дифузії при постійній температурі і стаціонарному в часі потоці речовини описується першим рівнянням Фіка:
де m - кількість диффундирующего речовини; D - коефіцієнт дифузії; С - концентрація речовини; x - Координата. Мінус вказує на те, що процес дифузії йде в напрямку зменшення концентрації речовини.
рис. 10. Схема підйому рідини в капілярі
У реальних умовах швидкість дифузії - величина змінна в часі, тому процес дифузії описується другого рівняння Фіка:
де
Коефіцієнт дифузії залежить від температури:
де D 0 - коефіцієнт, що залежить від типу кристалічної решітки; Q - енергія активації дифузії; R - універсальна газова постійна: R = 8,31 кДж / (кмоль · град); Т - абсолютна температура.
Для практичних цілей рішення другого рівняння Фіка має вигляд
де С х - концентрація диффундирующего речовини на глибині x від поверхні; С 0 - концентрація елемента на поверхні, Ф - інтеграл функції помилок Гауса.
На швидкість процесу дифузії крім температури впливає стан металу. Наклеп, що супроводжується спотворенням кристалічної решітки і появою вакансій, збільшує дифузію по межах зерен і вздовж дислокації, що призводить до збільшення дифузійної зони. Дифузійні процеси при пайку дозволяють збільшити механічну міцність з'єднань, однак освіту интерметаллидное сполук у спае типу Cu 3 Sn, AuSn 2 при глибокої взаємної дифузії компонентів викликає зниження міцності паяних з'єднань.
Процес кристалізації при пайку супроводжується затвердінням рідкої металевої прошарку розплавленого металу, що знаходиться в зазорі.
Основними особливостями кристалізації при пайку є:
· Неравновесность процесу, тобто відсутність вирівнювання складу в рідкій фазі, що призводить до виділення в паяної шві поряд з легкоплавкими тугоплавких фаз підвищеної крихкості;
· Вплив основного металу, яке проявляється в епітаксійних-орієнтованої кристалізації зерен припою поблизу поверхні основного металу;
· Яскраво виражена ліквація в паяної шві - поява зональних неоднорідностей, дендритних утворень, що відрізняються меншою міцністю;
· Залежність характеру кристалізації від обсягу припою в зазорі.
Для отримання надійних паяних з'єднань застосовують евтектичні припої з вузькою зоною кристалізації, а також зменшують час кристалізації, що сприяє отриманню дрібнозернистої структури спаю. У результаті фізико-хімічної взаємодії припою і основного металу утворюється паяні з'єднання з певною структурою. Паяний шов включає зону сплавлення (припій) і утворилися дифузійні зони на кордоні між припоєм і основним металом (рис. 11.).
Кінцева структура і склад паяного з'єднання залежать від природи взаємодіючих металів, їх хімічної спорідненості, часу і температури пайки. Розрізняють такі спаї:
· Бездіффузіонний, в якому існуючими методами аналізу не вдається виявити зони дифузії; такий спай утворюється між металами зі слабким хімічною спорідненістю, низьким коефіцієнтом взаємної дифузії, малим часом пайки і обмеженою температурою (наприклад, з'єднання Fe-Sn);
· Розчинно-дифузійний, в якому реагують компоненти утворюють тверді розчини або проміжні фази (інтерметаліди, наприклад Au-Sn, Ag-Sn та ін);
· Контактно-реакційний, який виникає при контакті металу з напівпровідником; в результаті утворюється евтектичних сплавів з низькою температурою плавлення (Au-Si).
1,5 з'єднуються деталі; 2,4 зони дифузії, 3 припой
рис. 11. Структура паяного з'єднання
ЛІТЕРАТУРА
1. Гелль П.П., Іванов-Есипович Н.К. Конструювання і мікромініатюризація радіоелектронної апаратури: Підручник для вузів. - Спб.: Вища школа, Ленінгр. від. - 2004. - 536 с.
2. Технологія поверхневого монтажу: Учеб. посібник / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфрієв Л.П. та ін - Мн.: «АРМІТ - Маркетинг, Менеджмент», 2000.
3. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002