Пути очистки поверхности металла от окисной пленки в условиях пайки

Окисная пленка препятствует образованию химической межатомной связи на границе основной металл-припой. Это положение не распространяется на металлостеклянный спай, при образовании которого используется окисная пленка на металле, смачиваемая подобной ей по природе межатомных связей стеклофазой.

Возможны следующие физико-химические механизмы удаления окисной пленки на металлах при пайке:

1) флюсование, протекающее по механизмам химического взаимодействия флюса с окисной пленкой, диспергирования окисной пленки под влиянием расплавленного флюса, растворения окисной пленки, а также основного металла и припоя во флюсе;

2) диссоциация окисла при нагреве в вакууме;

3) восстановление окисла в активных газовых средах и вакууме;

4) диспергирование окисной пленки под влиянием расплавленного припоя или в результате контактного плавления взаимодействующих металлов;

5) растворение окисла в основном металле при нагреве в отсутствие доступа кислорода;

6) восстановление окисла компонентами основного металла или расплавленного припоя (самофлюсование);

7) возгонка (сублимация) окисла;

8) диспергирование окисла под воздействием ультразвуковых колебаний.

Флюсованиезаключается в смачивании основного металла и припоя флюсом, удалении им окисных пленок, вытеснения флюса расплавленным припоем и защите зоны шва от окисления.

Физико-химический механизм флюсования недостаточно изучен. Считается, что в процессе флюсования образуются легкоплавкие комплексы между окисной пленкой и активатором, содержащемся во флюсе, например:

МеО + В₂О₃= МеОВ₂О₃.

При наличии во флюсе фторидов последние активно растворяют в себе окисную пленку. При низкотемпературной пайке с флюсами на основе водного раствора хлористого цинка последний гидролизуется с образованием HCl:

ZnCl₂+H₂O=ZnO+ 2HCl.

Хлористый водород взаимодействует с окислом по реакции

MeO+ 2HCl=MeCl₂+H₂O.

Окисная пленка по меди хорошо растворяется в органических кислотах, например, абиетиновой, входящей в состав канифоли, салициловой и других. Флюсующими свойствами обладают продукты разложения органических веществ, входящих в состав флюсов: глицерина, спиртов, этиленгликоля и других.

Диссоциация окисла- это процесс его термического разложения по реакции

МеО₂= Ме + О₂.

Различные металлы обладают различным сродством к кислороду, с возрастанием которого падает упругость диссоциации окисла, растет его термодинамическая прочность и соответственно затрудняется очистка поверхности от окисной пленки:

Cu - Ni - Co - Mo - Fe - W - Cr - Mn - Ti - Al.

сродство к кислороду

Оценки показывают, что даже для металлов, стоящих в левой части ряда (Cu, Ni), требуются весьма низкие парциальные давления кислорода и высокие температуры для диссоциации окислов. Для большинства же других металлов данный механизм очистки практически невозможно использовать, так как он требует создания глубокого вакуума и нагрева до температур, превышающих Т_плметалла. Исключение составляют благородные металлы Pt, Au и Ag, поверхность которых можно полностью очистить от кислорода в атмосферных условиях при нагреве до 200-300⁰С. Эта особенность и предопределяет широкое использование Au и Ag в электронной технике в качестве тонких покрытий под пайку и для защиты от коррозии.

Восстановлениеокислов в активных газовых средах можно осуществить по реакциям типа:

MeO + H₂ = Me + H₂O,

MeO + CO = Me + CO₂.

Из газов наиболее активный восстановитель - водород. Продуктами его взаимодействия с окислом являются пары воды, которые всегда присутствуют в рабочей камере и которые следует из нее удалять, чтобы постоянно сдвигать реакцию вправо, в сторону очистки поверхности от окисла.

Восстановимость окисла зависит от типа прочности связи между атомами металла и кислорода в окисле, нестехиометрии состава окисла, наличия примесей, степени гидратации и других факторов. Общепринятой точки зрения на механизм очистки поверхности при нагреве в вакууме или восстановительной среде, учитывающей перечисленные факторы, не существует.

Диспергирование окисной пленки под влиянием расплавленного припоя также зависит от строения пленки и от химического сродства взаимодействующих металлов. Если пленка содержит дефекты структуры: микротрещины, поры, рыхлоты, то жидкий металл легко проникает к поверхности твердого и вступает с ним во взаимодействие. В случае образования жидкой фазы на границе между основным металлом и окислом происходит постепенное отделение (диспергирование) окисной пленки. Диспергированию способствует контактное плавление взаимодействующих материалов и растворение основного металла в припое. По некоторым данным имеет значение испаряемость компонентов жидкой фазы. Испаряющиеся атомы проникают через несплошности в пленке, осаждаются на поверхности основного металла, вступая с ним во взаимодействие под пленкой. Следует отметить, что если контактирующие металлы не вступают во взаимодействие (не обладают достаточным химическим сродством), то даже искусственное повреждение окисной пленки может не обеспечить смачивания.

Растворение окисла в основном металлеможно осуществить при нагреве в вакууме или безокислительной среде применительно к металлам, способным растворять в себе кислород в больших количествах. Известно, что наибольшей растворимостью кислорода в твердом состоянии обладают переходные металлы IV группы: Ti, Zr, Hf. В значительно меньшей степени, чем Ti, растворяют кислород металлы V группы (V, Nb, Ta). Резко падает растворимость кислорода в металлах VI группы (Cr, Mo, W). Расчеты показывают, что растворенный кислород связан термодинамически прочнее в решетке металла, чем он связан с металлом в решетке окисла, что и обеспечивает переход O₂из решетки окисла в решетку металла при нагреве в безокислительной среде.

Восстановление окисла компонентами взаимодействующих металловможно осуществлять при пайке углеродистых сталей, в которых роль такого компонента выполняет углерод в стали. Процесс очистки состоит в диффузии углерода к поверхности и реакции с окислом:

2MeO+C= 2Me+CO₂().

Для эффективного протекания процесса восстановления содержание углерода в стали должно быть не ниже 0,3-0,4%. Малоуглеродистую и нержавеющую сталь типа Х18Н10Т (содержание углерода менее 0,1%) таким путем очистить от окисла нельзя. Иногда в припои вводят компоненты, обладающие сродством к кислороду, способные восстанавливать окислы на основном металле или образовывать с ними легкоплавкие композиции. Этот прием получил название самофлюсования, а соответствующие припои называют самофлюсующими. Самофлюсующими свойствами обладают Li, B, P. Анализ показывает, что процесс самофлюсования возможен лишь при достаточно высоких температурах (600 ^оС и выше).

Возгонка (сублимация) окисла возможна для ограниченного числа металлов, окислы которых сравнительно легко испаряются (обладают достаточной летучестью). Испаряемость окисла характеризуют стандартной термодинамической характеристикой - теплотой сублимации H0S. Процессы возгонки и диссоциации окисла часто сопутствуют друг другу, поэтому в составе газовой фазы над окислами в камере обнаруживают как атомарные Ме и О, так и молекулы МеО.

Диспергирование окисла под воздействием ультразвуковых колебанийосновано на явлении кавитации (нарушении сплошности жидкости). Под действием ультразвука в жидкости (расплаве) возникают области повышенного давления и разрежения, что оказывает абразивное воздействие на поверхность металла, в частности на окисную пленку. Таким путем можно удалить окисную пленку и добиться смачивания металлов, имеющих стойкую во всех отношениях окисную пленку, например алюминия.

Большинство рассмотренных физико-химических механизмов очистки поверхности становятся эффективными при нагреве до высоких температур (порядка 800 ⁰С) и требуют вакуума для своего осуществления. Они применимы, главным образом, к пайке ЭВ-приборов. В условиях низкотемпературной пайки методы очистки от окисной пленки в процессе пайки основаны на флюсовании, диспергировании окисной пленки в результате контактного плавления или воздействия ультразвука, восстановлении в H₂(ограниченно).