3.1 Образование соединения при пайке

Процесс образования паяного соединения состоит из следующих стадий: нагрев соединяемых деталей до температуры плавления припоя (рис.3.2а); плавление припоя (рис. 3.2б); смачивание, растекание и заполнении капиллярного зазора жидким припоем (рис. 3.21в); растворение основного металла в жидком припое и взаимная диффузия компонентов основного металла и припоя (рис.3.2г); охлаждение и кристаллизация паяного шва (рис. 3.2д).

Практически все указанные стадии процесса пайки перекрываются, и окончание одной стадии трудно отделить от начала другой. Кроме того, эти стадии сопровождаются рядом других процессов (восстановление или разрушение пленки окислов, поглощение и выделение газов соединяемыми материалами и припоем, отжиг и рекристаллизация материала соединяемых деталей, химическое взаимодействие материалов с окружающей средой, возникновение или снятие внутренних напряжений в деталях и т. д.).

Рис.3.2 Основные стадии образования паяного соединения

(Стрелками показано направление потоков теплоты)

Если каким-либо образом на поверхность холодного материала нанести расплавленный припой, то он быстро затвердеет и никакой связи его с соединяемым материалом не произойдет. Поэтому зона пайки или паяемое изделие целиком должны быть прогреты до температуры несколько выше температуры плавления припоя.

Расплавленный припой должен растечься по поверхностям соединяемых кромок, а это возможно лишь при хорошей смачиваемости их поверхностей припоем. Смачиваемостью называется первая стадия физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с твердой паяемой поверхностью, результатом которого является его растекание тонким слоем. Таким образом, под растекаемостью понимают свойство жидких припоев распространяться по поверхности или в зазоре соединяемых материалов, находящихся в твердом состоянии.

Физическую сущность процесса смачивания можно рассмотреть на примере капли жидкости, лежащей на поверхности твердого тела (рис.3.3). В данном случае имеет место трехкомпонентная система: газ (1), жид­кость (2) и твердое тело (3). На каплю жидкости действуют силы поверхностного натяжения на межфазных границах твердого тела, жидкости и газообразной окружающей среды.

Угол а между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого металла называется краевым углом смачивания.

Рис.3.3 Схема равновесия векторов сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твердого тела:

1- газовая фаза, 2 –жидкость, 3 – твердое тело

Условие равновесия системы может быть представлено в виде равновесия векторов сил по­верхностного натяжения в точке А:

где - поверхностное натяжение между жидким металлом и газом, действующее по касательной к поверхности жидкого металла. Эта си­ла стремится до минимума уменьшить поверхность капли припоя;

- поверхностное натяжение между твердым телом и газом; си­ла, приводящая к растеканию жидкости по поверхности металла;

- поверхностное натяжение между жидким припоем и твер­дым телом.

Растекание будет иметь место, если значение превышает. Прирастекание полностью отсутствует; приимеет место полное, при- частичное растекание.

На смачивание и растекаемость припоя оказывают влияние следующие факторы: состояние поверхности паяемого металла; среда, в которой проводится нагрев; химический состав паяемого металла и припоя; температура процесса и др. Смачивание существенно улучшается при примене­нии специальных сред и флюсов, способных очищать поверхность от окислов и загрязнений.

Кроме смачивания, при пайке определяющую роль играют капил­лярные силы. Высота подъема припоя в капилляре в общем случае рас­считывают по формуле

где - величина зазора (расстояние между паяемыми поверхностя­ми);- плотность жидкости;- ускорение свободного падения.

Из приведенной формулы следует, в частности, что с уменьшением зазора (расстояния между паяемыми поверхностя­ми) высота поднятия жидкости увеличивается.

Высота капиллярного поднятия жидкости в зазоре между двумя па­раллельными пластинками в два раза меньше, чем в капилляре кругло­го сечения (рис.3.4).

При оценке капиллярных свойств припоев следует иметь в виду, что не всегда существует прямая зависимость между высотой подня­тия расплавленного припоя в зазоре и краевым углом смачивания им основного металла. Меньшему углу смачивания не всегда соответст­вует большая высота поднятия припоя в зазоре. Так, краевой угол сма­чивания при введении в медно-серебряные припои индия уменьшает­ся, однако высота подъёма этих припоев в зазоре в случае пайки меди в вакууме не повышается, как этого следовало бы ожидать, а снижает­ся. Припои с большим краевым углом смачивания, обычно лучше текут при увеличенных зазорах (0,2-0,5 мм).

Рис.3.4 схема подъема жидкости

а – по капилляру круглого сечения; б – между параллельными пластинками

С изменением состава атмосферы, в которой производится пайка, меняется и высота подъёма припоя. Следует отметить общую закономерность - водород­ная среда обеспечивает более благоприятные условия для течения припоя в зазоре, чем вакуум.

Для образования спая между основным металлом и припоем в отдельных случаях достаточно смачивания основного металла расплавом припоя. Однако высокие скорости взаимодействия на границе между твердой и жидкой фазами, а также сравнительно их длительное взаимодействие, обусловленное технологией пайки, не позволяют в обычных условиях завершить процесс взаимодействия на стадии смачивания и растекания припоя.

Уже в момент заполнения капиллярного зазора происходит интенсивное растворение основного металла в расплаве припоя и диффузия его в жидкости.

Процесс растворения представляет собой разрушение кристаллической решетки твердого металла и переход его в жидкий металл. Внешним проявлением растворения основного металла в припое является смещение границы контакта твердой и жидкой фаз в сторону соединяемого материала (рис.3.3г).

Интенсивность растворения основного металла в расплаве припоя увеличивается с повышением температуры и длительности контакта твердой и жидкой фаз. Способность расплавленных припоев интенсивно растворять основной металл является отрицательным свойством, так как ухудшает смачивание и растекание припоя, вызывая хрупкость в соединении и появление эрозии основного материала.

Помимо растворения в системе «расплавленный припой–основной материал» протекают процессы диффузии (диффузией в общем случае называют проникновение атомов одного вещества в другое). Диффузия при пайке играет большую роль в процессе формирования паяного соединения. Смачивание, капиллярное течение, образование переходного слоя между основным металлом и металлом шва, выравнивание состава шва связаны с диффузией. В условиях пайки протекает диффузия компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя. Диффузия атомов может проходить по поверхности (поверхностная диффузия), по границам зерен (граничная диффузия) и в объеме зерен (объемная диффузия). Схема диффузии по поверхности, по границам зерен и в объеме зерен представлена на рис.3.5. Преобладающая роль диффузии по поверхности и границам зерен отрицательно сказывается на прочности паяных соединений.

Рис.3.5 Схема диффузионных потоков при взаимодействии припоя с основным металлом:

1 – поверхностная диффузия, 2 – диффузия основного металла в припой, 3 – диффузия припоя в объеме зерна, 4 – диффузия по границам зерен

Интенсивность протекания процесса диффузии при пайке зависит от многих факторов: от состояния соединяемых материалов (в материалах, свободных от внутренних напряжений, диффузия протекает значительно медленнее); от размера зерна основного металла (чем мельче зерно, тем быстрее протекает диффузия); от температуры пайки; от времени выдержки при температуре пайки и т. д.

Заключительной стадией образования паяного соединения является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. При кристаллизации происходит затвердевание тонкой прослойки расплавленного припоя, находящегося в зазоре, образованного поверхностями соединяемых деталей.

При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам и от основного металла, и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе к основному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, ближе к центру шва компонентами припоя. Кристаллизация металла шва начинается в первую очередь на поверхности основного металла, кристаллиты которого являются как бы основой для роста кристаллитов припоя. Помимо этого центры кристаллизации могут возникать и в жидком металле шва. В процессе кристаллизации в паяном шве могут фиксироваться:

– твердые растворы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться без нарушения однородности сплава;

– эвтектические структуры – механическая смесь твердых растворов компонентов, образующихся при затвердевании жидкого раствора и имеющих наиболее низкую температуру плавления по сравнению со смесями тех же веществ, взятых в других соотношениях;

– интерметаллические соединения – химические соединения в металлических сплавах.

Твердые растворы образуют металлы, имеющие общий тип кристаллической решетки и очень близкие значения межатомных расстояний.

Твердые растворы являются желательными структурами, так как при этом обеспечивается высокая прочность и пластичность паяного соединения. Эвтектические структуры в паяных швах возникают при пайке припоями эвтектического состава или образуются в результате взаимодействия припоя с паяемым металлом. Эвтектические структуры возникают, если сходство металлов недостаточно для образования твердого раствора, а разница в свойствах и строении невелика, чтобы образовать интерметаллические соединения. Припои эвтектического свойства обладают высокой жидкотекучестью, и пайка с применением их протекает наиболее легко, однако прочность паяных швов при этом ниже, чем в случае образования твердых растворов. Интерметаллические соединения образуют металлы преимущественно в том случае, если в параметрах их кристаллических решеток и в химических свойствах имеется большая разница. Интерметаллические соединения могут располагаться в виде одного или нескольких слоев по границе «основной металл–припой» или быть распределены в шве в виде включений. Качество паяного шва при образовании интерметаллических соединений между взаимодействующими металлами, как правило, будет ниже, так как эти соединения обычно имеют высокую хрупкость.

В результате протекания всех стадий процесса пайки между соединяемыми деталями возникает паяное соединение, схема строения которого приведена на рис.3.6.

Рис.3.6 Схема построения паяного соединения после кристаллизации