Консп.лекций_ПАЙКА

удаление возможных образований малопластичной и хрупкой литой структуры и интерметаллидных прослоек.

Растворение – процесс образования гомогенных однофазных систем, состоящих из двух или большего числа компонентов. Содержание

в строго определенных количественных отношениях.

Процесс растворения при пайке может проходить при статических условиях взаимодействия, которые характеризуются тем, что припой предварительно внесен в зазор и расплав припоя не перемещается относительно твердого металла. Возможны также динамические условия взаимодействия, при которых припой после расплавления перемещается (течет) по зазору. Как в первому, так и во второму случаях изменяется состав твердой и жидкой фаз и между ними образуется поверхность раздела. Различие состоит лишь в том, что при динамических условиях взаимодействия в контакт с паяемым металлом, еще не смоченным припоем, вступает расплав припоя, который уже взаимодействовал с ним, поэтому в направления от входной галтели к выходной снижается интенсивность процесса растворения. При анализе процессов растворения выделяют стадию образования приграничного слоя и стадию диффузии из приграничного слоя в область конвективных потоков (рис. 13).

медленная стадия процесса; быстрая стадия процесса

Рис. 13. Схема, иллюстрирующая процесс растворения при пайке.

На первой стадии процесса растворения проходит разрыв связей атомов в кристаллической решетке твердого паяемого металла и образования новых связей с атомами жидкого металла и другими атомами, которые находятся в расплаве. Эта первая стадия протекает в приграничном слое жидкого металла.

Далее проходит вторая стадия – диффузия растворенных атомов паяемого металла в объем расплава припоя сквозь пограничный слой жидкого металла. Скорость прохождения процесса растворения ограничивается либо скоростью перехода атомов в приграничный слой

31

(первой стадией), либо скоростью диффузии в жидком металле (второй стадией) в зависимости от того, которая из скоростей меньше. Кинетика процесса растворения паяемого металла в расплаве припоя определяется физико-химическими характеристиками контактирующих материалов и технологическими факторами – длительностью процесса пайки, количеством жидкой фазы, площадью контакта, величиной зазора.

Кинетическое уравнение процесса растворения записывается так:

где t – время; T – вероятность перехода атомов паяемого металла в пограничный слой; ρ – поверхностная плотность паяемого металла, или число атомов на единице площади поверхности; S – площадь контакта паяемого металла и припоя; V – скорость кристаллизации; - толщина пограничного слоя; С – концентрация жидкого металлического раствора.

Сомножитель показателя экспоненты, которая называется константой

скорости растворения, для первой стадии равняется І T , для второй

C

стадии константа скорости растворения определяется как ІІ D .

Исследованиями установлено, что изменение одной стадии, которая контролирует процесс растворения, на другую, проходит при повышении температуры.

Скорость растворения увеличивается в динамических условиях процесса.

Способность расплава припоя интенсивно растворять паяемый металл является неблагоприятным фактором процесса пайки, так как при этом ухудшается смачивание и капиллярное течение расплава в зазоре, возникает хрупкость соединений, по месту нанесения припоя появляется эрозия, имеют место подрезы на поверхности паяемого металла. Для предотвращения образования промежуточных фаз на поверхности паяемого металла (слоя твердого раствора или интерметаллидного соединения), а также для предотвращения интенсивного растворения паяемого металла в расплаве припоя, на его поверхность наносят технологические и барьерные покрытия. Обычно в качестве технологического покрытия используют медь, никель, серебро.

Технологическое покрытие используют также для улучшения смачивания при пайке. Толщина покрытия выбирается при условии, что оно полностью растворяется в расплаве припоя. Для каждого припоя и покрытия при принятом режиме пайки, учитывая плотность припоя и покрытия, а также растворимость покрытия в припое, можно определить зависимость

32

толщина покрытия – величина зазора и выбрать величину зазора при условии, что покрытие полностью растворяется в расплаве припоя.

Испарение - процесс парообразования со свободной поверхности жидкости. Испарение проходит при любой температуре, при увеличении температуры скорость процесса испарения увеличивается.

Скорость испарения зависит от давления внешней среды и проточности газовой атмосферы, которая контактирует с поверхностью испаряющейся жидкости. В сплавах элементы, которые имеют большую упругость насыщенного пара, испаряются в первую очередь, поэтому в поверхностных слоях устанавливается меньшая концентрация легко испаряемого компонента, чем в объеме, то есть постепенно сплав обогащается тугоплавкими компонентами и температура его кристаллизации увеличится.

Испарение проходит с поверхности, поэтому скорость его зависит от скорости диффузии компонентов, которые испаряются из объема металла на поверхность. Количество элемента, который испаряется при постоянной температуре, зависит от состояния поверхности паяемых деталей, свойств припоя и объема камеры, в которой проводят пайку. Состояние равновесия будет достигнуто тем скорее, чем меньше объем камеры и больше поверхность испарения.

Испарение металлов происходит в течение всей выдержки при пайке, а количество испарившегося металла зависит от давления насыщенного пара элементов и времени выдержки при пайке. Элементы, которые имеют при температуре пайки наибольшую упругость насыщенного пара, испаряются в первую очередь.

Марганец, цинк, кадмий, литий, фосфор, хром, магний, алюминий, медь заметно испаряются уже при температурах ниже температур их плавления.

Для оценки интенсивности испарения отдельных элементов при температуре пайки можно учитывать значение упругости насыщенного пара.

При пайке припоями, которые имеют в составе легко испаряющиеся элементы, при изменении объема пространства, в котором проходит пайка, смачивание паяемого металла ухудшается. Этот процесс связан с окислением компонентов пропоя, которые испарюется и конденсируются на поверхности паяемого металла: в том случае, когда летучий компонент паяемого

металла при температуре пайки интенсивно окисляется, процесс испарения может препятствовать образованию паяного соединения.

Например, при пайке латуни Л96 припоем ПСр72 при Т=8000С в вакууме в результате испарения цинка поверхность паяемого металла покрывается оксидами цинка настолько, что не смачивается припоем.

В некоторых случаях легко летучие компоненты вводят в припой для снижения температуры плавления припоя, то есть температуры пайки, для повышения температуры распайки соединения, для увеличения скорости удаления некоторых компонентов расплавленного припоя из соединительного зазора, уменьшая этим длительность

33

выдержки при диффузной пайке. При создании припоев с легко летучими компонентами надо вводить компоненты, которые бы оказывали содействие на испарение, не снижая температуру плавления припоя. Они должны иметь большее химическое сродство с основой припоя, чем с легко летучей добавкой. При разработке припоев с легко летучими компонентами в

состав вводят элементы, которые имеют высокое давление насыщенного пара: цинк, магний, висмут, сурьма, свинец, индий, галлий.

Лекция 6 Особенности кристаллизации при пайке

Процесс кристаллизации при пайке является одним из важнейших физико-химических процессов, который определяет во многих случаях возможность управления структурой и свойствами фаз, образующихся в паяных соединениях. Процесс кристаллизации протекает в соответствии с основными закономерностями затвердения металлов и сплавов, но имеет некоторые особенности, которые связаны с спецификой этого процесса, такими, как наличие готовой подкладки, которой служит поверхность паяемого металла, контактирующая с расплавом припоя, маленький объем расплава припоя в сборочном зазоре и особая геометрия прослойки расплава затвердевающего металла, размещенного между двумя поверхностями твердого металла и имеющая небольшую толщину, которая определяется величиной сборочного зазора. В процессе кристаллизации паяных соединений проходит направленный отвод тепла в направлении паяемого металла, отсутствует перегрев расплава в зоне соединения, так как температура расплава в процессе пайки близка к температуре начала его затвердевания.

Процесс кристаллизации паяных швов является неравновесным и проходит с большой скоростью при гетерогенном образовании центров кристаллизации.

Гетерогенное образование зародышей кристаллизации происходит в жидкой или газообразной фазах на твердых включениях, которые снижают поверхностную энергию, необходимую для создания зародыша критического размера. Чем лучше расплавленный припой смачивает твердую поверхность и соответственно, чем меньше величина краевого угла смачивания, тем с меньшей затратой энергии происходит образование зародышей кристаллизации.

В случае однородности или изоморфности жидкого металла и подготовленной под пайку поверхности паяемого металла затраты энергии на

образования новых зерен, так и путем достройки отдельных зерен основного металла.В этих случаях рост кристаллов из расплава в первую очередь

34

происходит на активных центрах поверхности основного металла, например в местах выхода на поверхность винтовых дислокаций роста.

Образующиеся кристаллы ориентируются таким образом, чтобы освобождаемая поверхностная энергия была наибольшей, а система более устойчивой, имея наименьший запас энергии. Поэтому и спай образуется первоначально не по всей площади, а по отдельным, наиболее активным центрам кристаллизации на поверхности основного металла, поэтому кристаллизации в шве может начинаться без переохлаждения или с незначительным переохлаждением.

Однако для роста образовавшегося кристалла необходимо, чтобы на фронте кристаллизации постоянно поддерживалось переохлаждение. При

небольшой величине переохлаждения устойчивым будет плоский фронт

растворенного компонента на фронте кристаллизации, которое вызывает так называемое концентрационное переохлаждение. Толщина слоя перед фронтом кристаллизации, который обогащен растворенным компонентом, зависит от скорости диффузии в расплаве и от скорости роста твердой фазы. Этот слой, обогащенный растворенными компонентами, и создает перед фронтом кристаллизации зону концентрационного переохлаждения, величина которой зависит от возникновения в расплаве перед фронтом кристаллизации градиента концентрации растворенного компонента.

Плоский фронт кристаллизации стойкий при малом термическом переохлаждении расплава перед фронтом кристаллизации. С развитием зоны концентрационного переохлаждения плоская форма фронта кристаллизации становится неустойчивой, появляются выступы, вершины которых продвигаются через обогащенный растворенным компонентом слой расплава, что способствует изменению фронта кристаллизации.

припоя, потому что от них зависит температура затвердения металла зоны спая, количество жидкой фазы, наличие в ней зародышей кристаллов, ее однородность, степень ликвации при затвердевании.

поверхности раздела фаз в процессе роста кристаллов.

Рассмотрим картину, иллюстрирующую образование неустойчивости плоского фронта кристаллизации (рис.14).

35

В соответствии с диаграммой состояния условия равновесия на поверхности раздела фаз требуют, чтобы составы твердой и жидкой фазы на этой поверхности соответствовали значениям СТ и СЖ.

Рис.14. Схема процесса кристаллизации при образовании неустойчивого фронта кристаллизации : а - диаграмма состояния; б - слой перед фронтом кристаллизации, обогащенный растворенным компонентом; в - устойчивый фронт кристаллизации; г - неустойчивый фронт кристаллизации; (1- область концентрационного переохлаждения).

Концентрация растворенного компонента в твердой и жидкой фазах, находящихся в равновесии, различны. Степень этого различия определяет коэффициент распределения К, который можно выразить как отношение содержания растворенного компонента СТ в образующейся твердой фазе и концентрации этого компонента в основной массе расплава С0 :

kCТ

С0

Значения коэффициента распределения для различных систем взаимодействующих при пайке металлов могут изменяться:

k 1; k 1; k 1.

36

Компоненты системы сплавов, для которых значения коэффициента распределения k 1, повышают температуру ликвидус расплава, а в системах,

значения Т. При этой температуре концентрация растворенного компонента в образующейся твердой фазе составит Ст=КС0 и будет меньше, чем в исходной жидкой фазе. Слой расплавленного припоя, обогащенный растворенным компонентом, который «выталкивается» растущими кристаллами, имеет у поверхности раздела фаз максимальную концентрацию СЖ, которая уменьшается по мере удаления от фронта кристаллизации.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава в системе, для которой коэффициент распределения k 1 и растворенный в сплаве компонент отталкивается образующейся твердой фазой и накапливается перед продвигающейся поверхностью раздела «кристалл-расплав». При значении коэффициента распределения k 1 соответствующая диаграмма состояния относится к типу, когда температура солидус и ликвидус понижаются с повышением концентрации растворенного в сплаве компонента.

Такое состояние в системе кристаллизующегося расплава возникает

приводит к обогащению слоя расплава непосредственно перед фронтом кристаллизации растворенным компонентом, при этом возникает градиент концентрации этого компонента и, в соответствии с диаграммой состояния, снижается температура кристаллизующегося расплава.

В жидком растворе в то же время идут диффузионные процессы,

обогащенного растворенным компонентом, невелика и составляет тысячные доли миллиметра и зависит от скорости диффузии в расплаве и от скорости роста твердой фазы.

припоя с содержанием растворенного компонента С0 и закона распределения растворенного компонента на фронте кристаллизации (изменения

37

концентрации Сж ) можно определить равновесную температуру ликвидус ТЛ как функцию расстояния х от фронта кристаллизации.

Равновесная температура ликвидус ТЛ возрастает с изменением расстоянием от фронта кристаллизации, поскольку, чем меньше содержание растворенного компонента в сплаве, тем выше температура ликвидус. Фактическая температура жидкости перед растущим кристаллом приведена также на рис. 14.

В равновесных условиях процесса кристаллизации на поверхности раздела фаз «кристалл - расплав припоя» существует равновесие, поэтому линия ликвидус должна проходить через точку Т при расстоянии х = 0 от фронта кристаллизации. В основном же ее форма определяется отводом

тепла, степень которого определяется технологическими параметрами процесса пайки.

На рис.14,в показано условие, при котором поверхность раздела «кристалл-расплав припоя» находится при равновесной температуре ликвидус и все точки в жидкости перед фронтом кристаллизации находятся при температуре, превышающей температуру ликвидус. Такое условие

температуры ликвидус) жидкостью и снова расплавляется.

На рис.14,г представлен случай неустойчивости плоского фронта кристаллизации: расплав припоя непосредственно перед фронтом кристаллизации находится при температуре, которая ниже ее равновесной температуры ликвидус; таким образом этот расплав оказывается переохлажденным. Такое переохлаждение называется концентрационным

переохлаждением, потому что оно вызвано изменением концентрации растворенного компонента в слое расплава, непосредственно прилегающем к фронту кристаллизации.

Концентрационное переохлаждение приводит к неустойчивости плоского фронта кристаллизации, и теперь любой выступ, образующийся на

концентрационного переохлаждения перед плоской поверхностью раздела фаз.

Следовательно, устойчивость или неустойчивость плоского фронта кристаллизации определяется значениями отношения градиента температуры в расплаве у границы раздела фаз, GЖ,[ C/см], к

скорости роста кристалла V, [см/c] (скорости перемещения поверхности раздела). Это отношение для конкретного состава кристаллизующегося расплава будет зависеть от наклона линии ликвидус mЛ, [ C/ат%],

концентрации растворенного компонента в твердой фазе у границы

38

раздела фаз CТ, [ат%], коэффициента распределения К, коэффициента диффузии растворенного компонента в расплаве, DЖ, [см2/c].

ориентированные кристаллы, при этом образуется так называемая «текстура роста» – явление, характерное для паяных швов. Для роста кристаллов непосредственно из расплава условия пайки также весьма благоприятны, поскольку в расплаве имеется большое количество центров кристаллизации, появившихся при растворении оксидных пленок и основного металла, либо наличие остатков флюса при флюсовой пайке или присутствие различных примесей.

При кристаллизации паяных швов обычно происходит в той или иной мере направленное заращивание соединительного зазора при движении фронтов кристаллизации от поверхности паяемого металла. В центральной

термического) значительна, то ячейки выбрасывают ветви и превращаются в дендриты. Характерной чертой дендритной кристаллизации является

перитектическим превращением (рис.15). При перитектическом превращении расплав и возникающая из него и растущая твердая фаза взаимодействуют с образованием новой твердой фазы. Такое превращение в бинарных сплавах протекает в изотермических условиях и может быть записано следующим образом :

Р + α=β.

Рассмотрим кристаллизацию припоя состава Pb-20%Bi. При равновесной кристаллизация сплавы свинца, содержащие 23-36% Bi, претерпевают перитектическое превращение при 184 С. В сплаве точно перитектического состава (33% Bi) превращение закончится при этой температуре образованием -фазы. При более низкой температуре данный сплав состоит только из - фазы. При дендритной кристаллизации большинства сплавов неполное протекание диффузионных процессов приводит к тому, что перитектическое превращение происходит в интервале температур.

39

Дендриты -фазы образуются первыми, причем концентрация висмута в них постепенно увеличивается от KC0 до 23% Вi при достижении перитектической температуры. Затем начинает образовываться -фаза, окружая -фазу и предотвращая дальнейшее протекание перитектического превращения. Когда образуется вторая фаза, она окружает первую и перитектическое превращение происходит только за счет диффузии через слой второй фазы. При дальнейшем понижении температуры -фаза продолжает расти, пока при завершении затвердевания не образуется эвтектика.

Ж+

Рис.15. К описанию кристаллизации сплава системы Pb-Bi.

40