Консп.лекций_ПАЙКА
.pdf
Диаграммы состояния с образованием перитектики (рис.6). В
системе перитектического типа характер взаимодействия паяемого металла А с припоем В при Тп1 аналогичен рассматриваемому ранее. При охлаждении из расплава состава, соответствующего точке 1, в первую очередь начнут выделятся кристаллы твердого раствора α на основе компонента А, и по достижении температуры образования перитектики жидкость состава, соответствующего точке 3, вступит во взаимодействие с твердой фазой состава, соответствующего точке 4, с образованием фазы перитектического состава β, соответствующего точке Р. Кристаллизация такого сплава закончится при Тр с исчезновением жидкой фазы.
Рис. 6. К описанию взаимодействия в системе перитектического типа.
Если температура пайки ниже температуры Тп2, то в шве соответственно образуется жидкость состава, отвечающего точке 5.
Кристаллизация такого сплава не закончится при температуре кристаллизации, и из оставшейся жидкости состава , соответствующего точке 3, при дальнейшем снижении температуры будут выделяться кристаллы твердого раствора β на основе компонента В.
При дальнейшем снижении температуры пайки, например, при Тп3, сплав не будет претерпевать перитектические реакции. Образуется жидкость состава, соответствующего точке 7, и твердая фаза, соответствующая точке 8. При кристаллизации жидкой фазы она вся перейдет в β фазу, соответствующую твердому раствору на основе компонента В (припоя).
Диаграммы состояния компонентов с образованием непрерывных твердых растворов (рис.7). В системе металлов, взаимодействующих с образованием непрерывных твердых растворов, после расплавления припоя в процессе последующей выдержки при температуре пайки Тп происходит растворение основного металла в жидком припое и насыщение припоя до концентрации Сж.
11
Рис.7. Типовая диаграмма состояния компонентов, неограничено растворимых в твердом и жидком состоянии.
Равновесный состав жидкой части шва, отвечающей точке пересечения линии равновесного ликвидуса с изотермой пайки, достигается в капиллярных зазорах в течение секунд.
В первые секунды выдержки при температуре пайки состав расплава при малых зазорах (0,10-0,15 мм) практически близок к равновесному (точка Сж); при дальнейшей выдержке проходит образование диффузионных зон в паяном соединении в результате диффузии атомов припоя в паяемый металл.
Экспериментально установлено, что на межфазной границе состав практически близок к значению равновесного солидуса при температуре пайки (точка Ст ). Если при этом прекратить нагрев и охладить паяное соединение, то в шве произойдет кристаллизация жидкой прослойки. Образованый сплав является твердым раствором, поэтому конечная структура будет однофазной, аналогичной возникающей при кристаллизации чистых металлов. При увеличении выдержки при температуре пайки
можно достичь затвердевания в результате изотермической кристаллизации. При этом состав кристализирующих слоев будет отвечать равновесному солидусу при температуре пайки (точка Ст ). При других температурах изотермической кристаллизации - от температуры плавления припоя до температуры плавления паяемого металла - картина будет аналогичной, за исключением состава образующихся фаз и скорости достижения равновесия.
Элементы Cu-Au, Au-Ni, Cu-Mn Fe-Pd, Fe-Ni, Ni-Mn, Ni-Pd образуют систему с непрерывным рядом твердых растворов с минимумом на кривой ликвидус (рис.8).
12
Рис.8. Типовая диаграмма состояния системы с непрерывным рядом твердых растворов с минимумом на кривой ликвидус.
Причиной ухудшения совместимости паяемого металла А и припоя В при образовании между ними непрерывного ряда твердых растворов может быть существование концентрационной области низко пластичных упорядоченных фаз, это приводит к охрупчиванию паяного шва.
В этом случае для предотвращения охрупчивания паяного шва требуется быстрое охлаждение паяного соединения после пайки (что не всегда возможно), или легирование припоя компонентами, стабилизирующими твердый раствор.
Диаграммы состояния с образованием химического соединения
(интерметаллида). При большей силе химической связи между паяемым металлом и припоем они способны к образованию химических cоединений, которые плавятся с разложением, или более химически прочных, плавящихся без разложения.
При взаимодействии компонентов (например, Al-Cu; Ai-Mg; Au-Cd; Cu- P; Fe-Si; Ti-Sn;Ag-Mg; Ag-Cd; Ag-In; Ag-Ga; Ag-Sb; Ag-Ti; Ag-Zn; Ag-Sn; Ag-Bi; Al-Ti; Au-Bi; Au-Pb; Bi-Ni; Cu-Ca; Cu-In; Cu-Sn; Cu-Zn; Fe-Zn.),
образующих химические соединения, в контакте паяемого металла А с жидким припоем В может образоваться прослойка интерметаллида, способствующая охрупчиванию и понижению прочности паяных швов.
При этом прежде всего образуются интерметаллид с более высоким содержанием компонентов.
Скорость образования прослойки интерметаллида в процессе пайки зависит от энергии ее активации, времени и температуры контакта. При кратковременном контакте и высокой энергии активации образования интерметаллида при температуре пайки прослойка может не успеть образоваться и будет расти только в процессе затвердевания шва или при эксплуатации изделия.
13
Рис.9. Типовая диаграмма состояния металлов, взаимодействующих с образованием неустойчивого химического соединения.
При кристализации сплава, образованного компонентами, взаимодействующими с образованием неустойчивого химического соединения (рис.9), по перитектической реакции (в момент достижения перитектической температуры) происходит выделение твердого раствора на основе химического соединения AмBн в форме тонкого ободка вокруг выделений твердого раствора . Таким образом в сплаве состава, соответствующего точке 1, кристаллизация заканчивается в точке 1 с образованием твердого раствора (перитектики состава, соответствующего точке Р). Если пайку проводить при температуре Тп2, то в шве образуется расплав состава, соответствующего точке 3, кристализации которого не закончится при температуре образования перитектики. Оставшийся после прохождения перитектической реакции расплав будет продолжать кристаллизоваться с выделением первичных кристаллов твердого раствора , и затем при температуре эвтектики произойдет эвтектическая кристаллизация. При этом твердый раствор на основе химического соединения войдет в мелко дисперсной форме в состав эвтектики.
Если пайка происходит при еще более низкой температуре Тп3, которая ниже температуры перитектической реакции, то концы коноды точек 5 и 6 соединяют фазы, находящиеся в равновесии, при этом расплав состава, сотвтствующего точке 5, должен находится в равновесии с твердым раствором на основе химического соединения АмВн, к которому прикристализуются кристаллы твердого раствора на границе раздела. Толщина образующейся прослойки будет зависит от толщины жидкой прослойки и от времени контактирования жидкого припоя с твердым паяемым металлом. По достижении температуры образования эвтектики произойдет эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики + , в
14
которой твердый раствор на основе интерметаллида будет находится в мелко дисперсной форме.
В практике пайки гораздо чаще имеют место случаи, когда во взаимодействующей системе образуется не одно, а несколько химических соединений. В этом случае возможно образование на границе раздела в первую очередь соединения, не находящегося в равновесии ни с жидкой, ни с твердой фазой.
Расмотрим простейшую систему с одним устойчивым и конгруентно плавящимся химическим соединением (рис.10). Признаком конгруентного плавления твердого вещества является образование жидкости того же химического состава. Припоем и паяемым металлом служат соответственно металлы В и А.
Рис. 10. Типовая диаграмма состояния с образованием устойчивого химического соединения.
Рассмотрим взаимодействие при температуре Тп1, лежащей выше температуры плавления эвтектики Те, но ниже чем температура плавления химического соединения АмВн. В этом случае, поскольку количество расплава в зазоре невелико, он прореагирует с металлом А и достигнет предельного при данной температуре состава , соответсвующего точке 1, на поверхности паяемого металла при этом образуется твердый раствор состава 2. В процесе взаимодействия на границе раздела происходит образование интерметаллида АмВн, который в результате контактного плавления переходит в расплав.
При охлаждении и достижении температуры Те из расплава выделяется твердый раствор на основе паяемого металла А, твердый раствор на основе АмВн и эвтектика + . Наиболее благоприятная форма выделения химических соединений при пайке - мелко дисперсная. В таком виде интерметаллидные соединения не только не снижают пластичность паяных швов, но даже повышают прочность и жаропрочность соединений.
Если температура пайки ниже температуры образования эвтектики со стороны паяемого металла А, например Тп2, то картина принципиально
15
изменится. Концы коноды 3 и 4 показывают, что в этом случае в равновесии будут находится жидкость состава, соответствующего точке 3, и твердая фазасостава, соответствующего точке 4. Таким образом, на границе раздела паяемый металл-припой на поверхности паяемого металла А возникает и будет расти при температуре пайки прослойка твердого раствора на основе интерметаллида АмВн. При охлаждении такого сплава в зонах спая будет наблюдаться слой твердого раствора на основе интерметаллида АмВн, к которому будут прикристаллизовываться кристаллы твердого раствора и в последнюю очередь в центральной части шва закристаллизуется мелко дисперсная эвтектика состава, соответствующая точке е2, в которой одна из фаз будет твердым раствором на основе химического соединения.
Такое выделение интерметаллидов в паяных швах в значительной мере охрупчивет паяное соединение, особенно при значительной толщине хрупких прослоек.
Лекция 3 Характеристика и условия образования спаев
Спай – переходной слой, который образуется в результате смачивания при температуре пайки и последующего физико– химического взаимодействия на границе раздела разнородных фаз: твердого паяемого металла, расплава припоя и газовой среды.
Физико-химическое взаимодействие паяемого металла и расплава припоя - это многостадийный процесс, который сопровождается изменением состава и свойств жидкой и твердой фаз.
Основные характеристики совместимости паяемого металла и припоя при пайке следующие:
смачивание, растекание, заполнение сборочного зазора припоем, химическая эрозия паяемого металла, образование прослоек химических соединений на границе паяного шва с паяемым металлом, развитие пористости в шве, охрупчивание паяемого металла под действием расплава припоя, температура распайки паяного шва.
Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала
вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.
Для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности паяемого металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей.
В зависимости от природы взаимодействующих металлов и условий пайки, требований к свойствам паяных соединений и учитывая физико – химические, технологические, конструкторские и эксплуатационные факторы, возможное создание таких спаев: бездиффузионного; растворно-
16
диффузионного; контактно-реакционного; диспергированного; спая сращивания; металло-неметаллического.
Условием образования бездиффузионного спая является сокращение времени контакта жидкого и твердого металлов до значений, меньших периода ретардации диффузионных процессов :
Тn=Тсм; τn ‹ τр,
где Тn и Тсм – соответственно температура пайки и смачивания припоем паяемого металла; τn – длительность контакта твердого и жидкого металлов при пайке; τр – период ретардации.
Бездиффузный спай обеспечивает создание соединения без изменения физико-химических свойств паяемого металла, поэтому он имеет наибольшее значение при соединении чистых металлов, полупроводников с металлами, то есть при создании соединений, в которых
необходимо обеспечить сохранение физических свойств материалов в зоне спая. Например, при пайке полупроводников с металлами механизм взаимодействия припоя с монокристаллическим кремнием носит локальный, дислокационный характер, взаимодействие начинается в местах выхода на поверхность физических микродефектов, образующих активные центры. С
увеличением температуры пайки или времени выдержки бездиффузионный спай превращается в растворно-диффузионный.
Смачивание паяемого металла припоем создает условие для растворнодиффузионных процессов по границе взаимодействия. Скорость процесса взаимодействия между паяемым металлом и припоем зависит от интенсивности переноса входящих в их состав компонентов в зону спая.
Растворно-диффузионный спай образуют металлы с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии, либо с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, образующие эвтектики или химические соединения. Условия образования растворно-диффузионного спая:
Тпл.пр.‹ Тn ‹ Тпл.ом ;τр ‹ τn ‹ τu.k,
где Тпл.пр, Тпл.ом – температуры плавления соответственно припоя и паяемого металла. τu.k – длительность изотермической кристаллизации во всем объѐме зоны сплавления.
При образовании растворно-диффузионных спаев возможно появление непрерывных и ограниченных твердых растворов, эвтектик и интерметаллидных соединений.
Характер взаимодействия паяемого металла и припоя зависит от условий и режима пайки, следствием чего является исключительно большое разнообразие строения, структур и свойств растворно-диффузионных спаев.
Растворение паяемого металла в расплаве припоя создает условия для выделения избыточной фазы при затвердевании расплава, поэтому признаком растворно-диффузионного спая является наличие прикристаллизованного слоя определенного состава.
Спай, который образуется при диффузионной пайке в результате изотермической кристаллизации, называется спаем сращивания.
17
Образование спая сращивания происходит при развитии растворнодиффузионных процессов. Условия образования спая сращивания:
Т пл.пр.‹ Тn .‹ Тпл.ом; tn › tuk
При изотермической кристаллизации при температуре пайки образуется прослойка постоянного состава в результате выделения из расплава зоны сплавления на поверхность паяемого металла твердой фазы; этот вид спая создает непрерывную структурную связь в зоне шва.
В результате протекания диффузионных процессов при значительной выдержке при температуре пайки при определенном пересыщении расплава компонентами паяемого металла происходит выделение из него твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация.
Дальнейшая выдержка при температуре пайки ведет к диффузионному выравниванию состава образовавшихся в шве сплавов. Продолжительность образования спая сращивания возможно рассчитать с учетом природы взаимодействующих материалов.
Сокращение времени образования спая сращивания может быть достигнуто при термоциклировании. Действие термоциклирования обусловлено интенсификацией диффузионных процессов, ускорение диффузии в твердой фазе возможно при скоростном нагреве, создании дефектной структуры поверхностных слоев паяемых металлов. Для исключения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают выше температуры плавления интерметаллидов.
Контактно-реакционным спаем называется прослойка сплава переменного состава, образующаяся на границе с основным металлом в результате контактного плавления.
Контактно-реакционный спай образуется:
-при пайке разнородных металлов, образующих эвтектические сплавы или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус; при определеном сочетании паяемых металлов процесс идет без припоя и при температуре ниже точек плавления взаимодействующих металлов;
-при пайке металлов, образующих с прослойкой третьего металла ограниченные твердые растворы с эвтектикой или непрерывные твердые растворы с минимумом на кривой ликвидус.
Условия образования контактно-реакционного спая:
Тk.n.min ≤ Tn‹ Tпл.о.м ; τр‹ τn
Тk.n.min – температура плавления наиболее легкоплавкой в данной системе эвтектики или твердого раствора.
Взависимости от природы взаимодействующих металлов спай может иметь эвтектический состав, либо быть твердым раствором.
Впрактике пайки стремятся максимально ограничить толщину прослойки второго металла при соединении однородных металлов, поскольку образующаяся при контактном плавлении эвтектическая составляющая хрупкая. С этой целью для нанесения второго металла часто
18
используют гальваническое покрытие или термовакуумное напыление - уменьшение прослойки способствует увеличению прочности соединения. Минимальная толщина прослойки зависит от способности контактирующих металлов образовывать жидкую фазу, от температуры пайки, от свойств оксидной пленки на поверхности металлов.
Направление процессов при формировании контактно-реакционного спая прямо противоположно направлению процессов, протекающих при формировании растворно-диффузионного спая. Увеличение времени выдержки приводит не к исчезновению жидкой фазы, как это имеет место при образовании растворно-диффузийного спая и спая сращивания, а к возрастанию ее количества.
Диспергированный спай образуют металлы с отсутствием взаимной растворимости. При определенном перегреве ( в 4-5 раз) припой приобретает свойства поверхностно-активного вещества (ПАВ), под влиянием адсорбционного эффекта поверхностная энергия паяемого металла понижается до неизмеримо малых величин, в результате адсорбционного понижения прочности поверхности паяемого металла под действием перегретого расплава припоя происходит ее диспергирование на частицы коллоидных размеров; при длительных выдержках зазор может полностью перекрываться дисперсными частицами, в результате в спае образуется непрерывная структурная связь.
Условия образования спая:
Тсм ≤ Tn‹ Tпл.о.м ; tр‹ tn ‹ tнепрер.структ. связи
Изменение количества жидкой фазы в шве при образовании диспергированных спаев может быть только в результате диффузии атомов припоя по границам зерен и блоков и дефектам структуры. Одновременно в результате адсорбционного понижения прочности основного металла под действием расплава припоя происходит его диспергирование. Размер дисперсных частиц определяется физико-химическими свойствами основного металла и расплава.
Металло-неметаллический спай – переходная зона, которая образуется при пайке в процессе взаимодействия неметалла (керамики, графита) с металлом (припоем).
Технологические процессы пайки металлов и неметаллических материалов используют при пайке металлов с керамикой, стеклом, кварцем, полупроводниками, графитом. Процессы получения спая между металлами (припоями) и оксидными системами неметаллических материалов можно разделить на три группы:
Первая группа включает технологические процессы, при которых спай получается в результате введения расплавленного припоя непосредственно на поверхность неметаллического материала; в качестве добавок к металлическим припоям используют химически активные к кислороду металлы – Ti, Zr, Al, Si, Мп. При применении металлических припоев в соединении паяемого металла с неметаллом образуется два вида спаев:
19
металлический, между паяемым металлом и припоем, и металлонеметаллический, между припоем и неметаллическим материалом.
Вторая группа включает технологические процессы соединения металлов с неметаллами при предварительном нанесении на неметаллический материал металлического слоя. В этом случае перед пайкой на поверхность стекла или керамики путем вжигання (серебра, платины), металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слоя металла. После этого процесс пайки принципиально ничем не отличается от обычного, применяемого при соединении металлов.
Третья группа технологических процессов обеспечивает соединения металлов с неметаллами путем применения переходных слоев из стекла, глазури, эмали. Стеклоприпои представляют собой смеси окислов металлов с определенным коэффициентом температурного расширения. Основными факторами, определяющими получение прочного спая, является природа сил связи и характер химического взаимодействия.
Лекция 4 Адгезионное и когезионное взаимодействия при пайке.
Характеристика процесса смачивания
Создание паяного соединения происходит в результате действия и развития ряда процессов: теплового влияния пайки на паяемый материал, физико-химического взаимодействия паяемого металла с припоем и с вспомогательными материалами, термического и химического взаимодействия паяемого металла, припоя и вспомогательных материалов с окружающей газовой средой и материалом оснастки и других физико – химических процессов. На интенсивность процессов физико-химического взаимодействия на границе контакта фаз при пайке влияют конструкция изделия и паяных соединений, габариты и масса изделия, способ нагрева, режим и термический цикл пайки, то есть особенности технологического процесса пайки.
После расплавления припоя и достижения атомами металла требуемого уровня активации начинается взаимодействие, в процессе которого происходит смачивание поверхности основного металла расплавом припоя.
При этом две свободные поверхности заменяются одной границей фаз с более низкой свободной поверхностной энергией системы. На этой стадии образования спая основную роль играют квантовые процессы между частицами атомных размеров.
В ходе взаимодействия атомов паяемого металла и расплавленного припоя возможна коллективизация электронов и образование металлической связи. Химическая связь образуется между атомами, обладающими дополнительной энергией, равной или большей энергии активации. Прочная связь между ними возникает при условии, если они находятся на расстояниях, при которых возможно перекрытие их волновых функций.
20