Консп.лекций_ПАЙКА

Адгезия - поверхностное явление, которое приводит к снижению поверхностной энергии тела. Адгезия - сцепление, притяжение,

прилипание - это связь между атомами, молекулами, ионами разнородных конденсированных тел при их молекулярном контакте. При адгезии сохраняется граница раздела фаз, которая образуется между двумя твердыми телами или твердым телом и жидкостью.

Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы и характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешней нагрузке. Когезия определяет свойства взаимодействующих материалов, а адгезия характеризует поверхностные явления, которые возникают на границе раздела фаз.

В результате адгезионного взаимодействия происходит явление - смачивание.

Смачивание – процесс самопроизвольного образования межатомных связей при снижении межфазной поверхностной энергии; смачивание характеризуется поверхностными свойствами фаз, которые взаимодействуют при пайке – поверхностным натяжением и свободной поверхностной энергией.

Процесс смачивания термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению поверхностной энергии системы (поверхностного натяжения).

Поверхностное натяжение – сила, которая действует по касательной к поверхности жидкости или твердого тела и стремится сократить свободную поверхность жидкости до минимальных размеров, поэтому капля жидкости имеет форму, приближенную к сферической. Величина силы поверхностного натяжения – мера неравновесности системы, причем не только в системе газ - жидкость, но и в системе жидкость – жидкость. Чем

меньше поверхностное натяжение, тем более существенным для системы является взаимодействие молекул, которые находятся на границе раздела фаз.

Рассмотрим равновесие капли жидкости на твердой поверхности

(рис.11).

Рис.11. Схема равновесия капли жидкости на поверхности твердого

тела.

Нескомпенсированность молекулярного взаимодействия, стремление молекул поверхностного слоя втягиваться внутрь жидкости и вызванное

21

этим поверхностное натяжение жидкости на границе с другой жидкостью или газом ( гг и жг) стремятся сократить поверхность жидкости до минимальных размеров. Условие равновесия капли жидкости на твердой поверхности записывается уравнением Юнга:

по периметру контакта капли с твердым телом: поверхностное натяжение жг - стремится уменьшить поверхность капли; поверхностное натяжение γ тр - стремится уменьшить площадь контакта жидкости и воспрепятствовать растеканию капли.

В этом уравнении обозначения γ тр показывает, что это поверхностное натяжение на границе раздела разнородных конденсированных фаз. Для поверхностного натяжения тг и тж можно определить только средние

значения, так как поверхность твердого тела энергетически неоднородна, а молекулы твердых тел не имеют такой подвижности, которая существует в жидкости. С ростом площади контакта увеличивается смачивание жидкостью твердого тела.

Таким образом, адгезия и смачивание - две стороны одного и того

же явления, которое возникает при взаимодействии жидкости с твердым телом. Адгезия обусловливает связь между твердым телом и контактирующей с ним жидкостью. Смачивание - результат этой связи.

Существуют два типа поверхностей по способности смачиваться - гидрофильные поверхности и гидрофобные поверхности. Гидрофильность или гидрофобность поверхностей может быть охарактеризована величиной краевого угла смачивания. Гидрофильность означает родственность,

которая заключается в интенсивном взаимодействии между собою молекул жидкости и твердого тела. На гидрофильных поверхностях жидкость под действием поверхностного натяжения твердого тела тг превращается в пленку. Краевой угол смачивания на гидрофильных поверхностях равняется нулю.

Чем меньше значение жг, тем больше растекание капли по твердой поверхности. Для гидрофильных поверхностей, используя уравнение Юнга, можно записать, что только при высоком значении cos проходит растекания капли, то есть при Тж ТГ . Для гидрофобных поверхностей

Уравнение Юнга является фундаментальным уравнением, которое связывает важные термодинамические величины - поверхностное натяжение

22

фаз, которые контактируют, и краевой угол смачивания. Краевой угол смачивания есть мера смачивания, он определяется величиной угла

между поверхностью твердого тела и касательной в точке контакта с жидкостью и определяется всегда в сторону жидкой фазы.

Твердое тело можно считать полностью смоченным, если угол контакта равняется нулю, и совсем не смоченным, если равняется 180о. Между величинами краевого угла от 0 до 180 имеет место градация смачивания.

Значение краевого угла зависит от свойств контактирующих фаз, эти свойства могут изменяться в зависимости от условий взаимодействия фаз. Поэтому значение краевого угла смачивания является необходимым, но не достаточным показателем адгезии жидкости и смачивания, и для характеристики адгезионного взаимодействия используют произведение жг на cos , которые называют энергией смачивания:

Адгезию или когезию можно оценить с помощью работы, необходимой для разъединения контактирующих между собою разнородных (Wа) и однородных (Wк) тел. Работа адгезии жидкости на границе с твердой фазой -

это разница между ( жг + тг) и γ жТ:

Wа ( жг тг ) жг

Это уравнение можно объяснить так: работа адгезии определяется той работой, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности. При контакте жидкости с твердой поверхностью удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) равняется γжт, а после разъединения становится ( жг + тг). Различие между этими величинами есть работа адгезии (рис.12).

тв.тело

W

Рис.12. К определению работы адгезии и когезии.

Учитывая уравнение Юнга, можно записать

Wa жг 1 cos

Работу адгезии можно сравнить с работой когезии. Работа когезии равняется той работе, которую необходимо приложить, чтобы преодолеть взаимодействие между собою молекул жидкости. При этом возникают две

23

поверхности раздела фаз жидкость – газ и работа когезии равняется удвоенному значению свободной поверхности энергии (поверхностному натяжению) фаз, которые возникли:

Wk 2 жг

Смачивание характеризуют значением относительной работы адгезии Z а:

При увеличении краевого угла от 00 до 1800 относительная работа адгезии изменяется от единицы до нуля.

Работа адгезии всегда меньшая работы когезии. Только при полном смачивании, при =00 , работа адгезии может быть равна работе

когезии, то есть когезионно-адгезионный отрыв жидкости может быть только в условиях полного смачивания.

Во всех других случаях Zа < 1, что означает Wa < Wk, то есть имеет место только адгезионный отрыв жидкости.

Растекания расплава припоя зависит от соотношения сил адгезии припоя к поверхности металла, и когезии, которая характеризуется силами связи между атомами припоя.

Растекание капли жидкости на твердой поверхности произойдет в том случае, если работа адгезии относительно поверхности твердого тела равна или больше работы когезии частиц жидкости. Различие между Wa и Wk называется коэффициентом растекания Wр:

Wp Wa Wk жг 1 cos 2 жг жг cos 1

Полное растекание возможно лишь при = 0, cos = 1.

Представления о коэффициенте растекания справедливы в условиях равновесного растекания, то есть в условиях изменения межфазных

инерционными и упругими свойствами системы можно пренебрегать. Адгезия и смачивания поверхности паяемого материала расплавами

припоя имеет ряд особенностей по-сравнению с адгезионным взаимодействием, которое рассмотренно выше. В условиях растекания капли расплавленного припоя по твердой поверхности паяемого материала сугубо

молекулярное взаимодействие не позволяет создать работу адгезии порядка 10-2 - 10-3 мДж/м2 (мН/м).

Адгезионное взаимодействие расплавов с твердой поверхностью определяется не только молекулярными силами, но и теми физикохимическими процессами, которые происходят на границе раздела фаз расплава припоя и паяемого металла.

Адгезия за счет межмолекулярного взаимодействия является равновесной и обратимой, то есть удельная свободная поверхностная энергия

24

или поверхностное натяжение жт и жг после разъединения

контактирующих тел остаются такими, которыми они были к моменту контакта.

Адгезионное взаимодействие, обусловленное физико-химическими процессами, которые протекают в зоне контакта твердый материал - расплав припоя, называется физико-химическим взаимодействием.

Растекание расплавленного припоя определяется многими факторами, среди которых наибольшее влияние имеет характер взаимодействия в

контакте паяемый металл - припой, вязкость и текучесть расплава припоя.

Вязкость расплавленных припоев в значительной мере зависит от условий пайки и характера флюсовання. В особенности резкое изменение вязкости происходит при пайке в окислительной атмосфере. Вместе с условиями флюсовання и температурой пайки, вязкость припоев зависит от сил взаимодействия между компонентами расплава и атомным строением расплава. Увеличение количества прочных связей ведет к росту вязкости, слабые связи вызовут уменьшение вязкости припоя.

Например, наибольшее растекание по поверхности стали Ст3 имеет припой системы олово-свинец эвтектического состава, а по поверхности меди – припой этой системы при доэвтектическом содержании олова. С повышением температуры нагрева при пайке площадь растекания чистого олова приблизительно остается постоянной, а растекание сплавов оловосвинец эвтектического состава возрастает, если перегрев не превышает 40500С. Дальнейший перегрев сплава вызовет уменьшения растекания, которое связано с увеличением физико-химического взаимодействия между припоем, флюсом, паяемым металлом и газовой средой при пайке.

Итак, при растекании расплава припоя при контакте с поверхностью паяемого металла могут проходить физико-химические процессы: химическая эрозия; адсорбционное снижение прочности в зоне спая как следствие снижения свободной поверхностной энергии на границе раздела фаз: паяемый металл - расплав припоя; растворение паяемого материала в расплаве припоя; диффузия в объем твердого металла, а также по границам зерен и дефектам структуры металла; химическое взаимодействие контактирующих пар.

Особенностью физико-химического взаимодействия паяемого металла и расплава припоя является резкое увеличение работы адгезии в определенном диапазоне температур.

Физико-химическое взаимодействие обусловлено разными причинами, к числу которых можно отнести возникновения химической связи между расплавом и поверхностью паяемого металла. В результате физико-

25

большой скоростью. Время уменьшения краевого угла от 1800 до 60-200 равняется приблизительно 10-3 - 10-2с. Таким образом, высокие скорости физико-химического взаимодействия дают возможность применять уравнение Юнга для неравновесных условий, если пренебречь теми процессами, которые проходят медленно и не влияют на неравновесную адгезию (диффузными процессами).

Поверхностное натяжение расплавов изменяется при изменении температуры. Но поверхностное натяжение расплавов металлов не характеризует однозначно их возможность растекаться по поверхности паяемого металла. Процесс смачивания поверхности паяемого металла

расплавом припоя зависит от соотношения их физико-химических свойств, в частности от запаса свободной поверхностной энергии паяемого металла.

Поверхностная энергия твердого металла определяет величину сил взаимодействия его с припоем и является косвенным показателем активности физико-химических процессов на границе контакта твердой и жидкой фаз.

Особые условия, в которых находится небольшое количество расплавленного припоя при капиллярной пайке, оказывают влияние на физико-химические процессы при пайке и на формирование паяных соединений.

В капиллярном зазоре небольшое количество расплавленного припоя интенсивно насыщается компонентами паяемого металла, в результате температура плавления припоя повышается, а его способность к растеканию уменьшается.

Поэтому нельзя однозначно оценивать способность припоя к растеканию по поверхности металла и его способность к течению в капиллярном зазоре. Образование при физико-химическом взаимодействии расплава припоя с паяемым металлом отдельных кристаллических фаз, размеры которых могут быть больше, чем размеры капиллярного зазора, делают совсем невозможным движение припоя в зазоре.

Капиллярное течение припоя в зазоре описывают с точки зрения статической и динамической теорий, которыми пытаются оценить силы, под действием которых проходит растекание припоев в процессе пайки и причины, от которых зависит заполнения шва припоем. Эти теории, однако не учитывают взаимодействия припоя с паяемым металлом в процессе пайки.

В соответствии с статической теорией, высота поднятия жидкости в

капиллярном зазоре прямо пропорциональна ее поверхностному натяжению, способности к смачиванию, и обратно пропорциональна

размеру зазора и плотности жидкости:

h 2 жг cos , a g

h - высота поднятия жидкости; жг - поверхностное натяжение на границе жидкой и газовой фаз; - коэффициент смачивания; a - размер зазора; ρ - плотность жидкости;g - ускорение силы тяжести.

26

В реальных условиях пайки в процессе заполнения соединительного зазора протекает неравномерное растворение поверхности паяемого металла, физико-химическое взаимодействие припоя с паяемым металлом приводит к изменению вязкости расплава припоя, тем самым к нарушению исходных условий.

Компоненты припоя выборочно взаимодействуют с поверхностью паяемого металла, это вызывает перемещения частичек припоя в направлении, перпендикулярном потоку. В условиях концентрационного и термического переохлаждения при взаимодействии припоя с паяемым металлом возможно образования отдельных кристаллитов, это изменяет общую закономерность движения припоя в зазоре. Кроме того, растекание расплавленного припоя зависит от характера предварительной обработки, состояния поверхностного слоя паяемого металла, размера и равномерности зазора, способа удаления оксидных пленок, других причин. Влияние этих факторов теоретически учесть невозможно, поэтому на практике высоту поднятия припоя в зазоре определяют путем эксперимента.

При оценке капиллярных свойств припоев необходимо принимать во внимание ряд факторов, которые определяются соотношением физикохимических свойств паяемого металла и припоя, типом и параметрами паяных соединений, их размещением, режимом и условиями пайки.

Влияние характера подготовки поверхности перед пайкой также не равнозначно. Шероховатость поверхности вызывает дополнительные силы трения, которые тормозят растекание жидкой фазы и обуславливают, при определенных условиях, явление гистерезиса смачивания, с другой стороны, создание шероховатости поверхности паяемого металла усиливает процессы физико-химического взаимодействия (диффузию, растворение) на границе контакта, при этом изменяется динамика течения припоя по капиллярному зазору.

На капиллярное течение припоя заметное влияние оказывает форма капилляра. Для определения влияния формы капилляра на размер капиллярных сил используют уравнение Лапласа, из проведенных расчетов следует, что при неизменной площади капилляра наибольший периметр имеет капилляр треугольной формы. При других равных условиях, в капиллярах треугольного сечения дополнительное лапласово давление в 2,6 раз больше, чем в капилляре, который образуется двумя параллельными пластинами. Капилляры треугольного сечения возможно создать при нанесении насечек с углом при вершине 60°.

Эти вопросы, как и многие вопросы, которые возникают при объяснении процессов пайки, невозможно решить однозначно, так как

физико-химические процессы, которые проходят на границе контакта твердой и жидкой фаз при пайке, зависят от большого количества факторов: физико-химических свойств соединенных материалов, припоев, флюсов или флюсующих сред, от типа соединений, способа сборки под пайку, способа нагрева, температуры и продолжительности

27

нагрева, способа охлаждения после пайки, способа приложения нагрузки, условий испытаний, и прочих.

Однако во всех случаях, как при создании гладкой поверхности, так и на шершавой и поверхности с насечками, необходимо создать условия для адгезионного взаимодействия, смачивания и капиллярного течения припоя по зазору, для протекания процессов диффузии и растворения.

Опытами доказано, что прямой зависимости между растеканием припоя по поверхности металла и течением его в зазоре, нет. Это обстоятельство поясняется активным взаимодействием припоя с основным металлом. В капиллярном зазоре небольшое количество расплавленного припоя интенсивно насыщается компонентами основного металла, это приводит к повышению температуры плавления припоя и снижению растекания. К тому же при возникновении в результате взаимодействия паяемого металла и припоя отдельных кристаллических образований /твердой фазы в виде дендритов/, размеры которых в расплаве будут превышать величину капиллярного зазора, течения припоя в капиллярном зазоре вовсе не будет.

Лекция 5 Развитие процессов диффузии, растворения и испарения в

процессе пайки

Диффузией называется процесс перемещения частиц вещества в направлении меньшей его концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение ним всего объема.

Процессы диффузии протекают в газообразных, жидких и твердых веществах; диффундировать могут как однородные вещества, так и атомы разнородных веществ в границах своего объема .

Работы по изучению процессов диффузии в металлах направленны на опредепение того, с какой скоростью и каким образом атомы вещества перемещаются в кристаллической решетке. Рассматривают два вида диффузии – самодиффузию и гетеродифузию, или химическую диффузию.

Самодиффузией называется тепловое перемешивание атомов в чистых металлах или металла - растворителя в твердых растворах; этот процесс проходит при отсутствии градиента концентрации вещества, то есть самодиффузия проходит при постоянной концентрации веществ в телах и обуславливает перемешивания атомов в них.

Гетеродиффузиею, или химической диффузией, называется перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации вещества. Если гетеродиффузия сопровождается образованием в диффузной зоне новых фаз, она называется реакционной.

В твердых металлах диффузия может проходить по поверхности, на границе зерен и в объеме отдельных зерен. Диффузия по поверхности имеет

28

большое значение в процессах пайки. От интенсивности диффузии расплавленного припоя по поверхности паяемого металла зависит возможность его смачивать паяемий металл. Этот вид диффузии проходит не только на внешней поверхности паяемого металла, но и на внутренних поверхностях дефектов (раковин, пор, рыхлот).

Рассматривая процессы диффузии на границе зерен, надо иметь в виду, что одновременно с ней протекает диффузия в объем зерен. Только при достаточно низких температурах диффузию на границе зерен и в объем зерна можно считать такими, что проходят независимо друг от друга.

Диффузия по границам зерен зависит от состояния границ и от размера зерен металла. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению коэффициента диффузии. Такая зависимость связана с тем, что атомы на границе зерна имеют повышенную концентрацию вакансий. Повышение интенсивности диффузии при уменьшении размера зерна металла возникает в результате большей подвижности границы зерен в мелкозернистом металле, чем в крупнозернистом. Диффузные процессы, которые проходят при формировании паяного соединения, условно можно разделить на четырех стадии.

Первая стадия — диффузия в твердой фазе, которая предшествует образованию в шве жидкой фазы.

Вторая стадия — диффузия в расплаве припоя от момента его плавления до насыщения компонентами паяемого металла и образования жидкой фазы равновесного состава, который отвечает пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидус диаграммы состояния взаимодействующих металлов.

На третьей стадии проходят диффузные процессе в шве с момента установления равновесного состава расплава в шве.

Четвертая стадия диффузии протекает в твердом металле в процессе термообработки паяного соединения или охлаждения после пайки.

Процессы диффузии описываются уравнениями Фика. Первое уравнение Фика показывает, что в изотопной среде количество вещества m, диффундирующего за единицу времени через единичную площадь поперечного сечения, пропорциональна градиенту концентрации, измеряемому по нормали к этому сечению :

mD dcdx

Вэтом уравнении: D — коэффициент диффузии (см/с2 ); с — концентрация

диффундирующего вещества, (моль); х — координата (см).

Первое уравнение Фика характеризует стационарный поток вещества, оно верно, если градиент концентрации дс дх мал и изменение его проходит

только в направления потока диффундирующего вещества.

Второе уравнение Фика описывает нестационарное движение вещества, когда концентрация диффундирующего компонента в ограниченном объеме

29

изменяется во времени. Для расчетов используют зависимость, выведенную из второго уравнения Фика:

где СХ - концентрация диффундирующего элемента на глубине Х от источника диффузии; СО - начальная концентрация диффундирующего элемента.

и определяется по таблицам, если известны значения величин в скобках. Для всех возможных механизмов миграции атомов в кристаллической решетке вероятность выхода атома из состояния равновесия определяется формулой:

где DО – произведение констант, которое определяется типом кристаллической решетки; θ - работа активации диффузии, отнесенная к молю твердого раствора (кдж/кмоль); RO - универсальная газовая постоянная; RO = 8,3143 кдж/кмоль; Т - абсолютная температура, 0К.

Коэффициент диффузии определяет кинетику процесса диффузии и равен массе вещества в молях, диффундирующего за 1 с через площадку в 1 см2 при градиенте концентрации dc/dx. Коэффициент диффузии

показывает скорость, с которой система выравнивает концентрацию, и определяет плотность потока, который выравнивает концентрацию в системе при единичном градиенте концентрации. При малых значениях коэффициента диффузии диффундирующий элемент концентрируется в тонком слое возле источника диффузии. Большие значения коэффициента диффузии означают, что вещество углубляется в толщу растворителя.

Исследования показывают зависимость коэффициента диффузии от следующих факторов: природы диффундирующего металла; влияния типа твердого раствора; состава твердого раствора; размера зерен металла твердого раствора. Формирование слоя твердого раствора или интерметаллидного соединения на поверхности паяемого металла вследствие его взаимодействия с расплавом припоя — нежелательное явление, так как такой слой бывает хрупким и вызывает снижение прочности паяных соединений.

Свойства паяных соединений можно изменять, интенсифицируя диффузионные процессы при повышении температуры пайки. Процессы диффузии лежат в основе способа диффузного пайки. Этот способ обеспечивает равновесную структуру паяного шва, повышение температуры его распаивания, повышение прочности, коррозионной стойкости, пластичности и электрической проводимости, позволяет обеспечить

30