Пайка при монтаже ячеек эвс. Механизм пайки.
Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между ними расплавленного припоя и взаимодействующего с ними, что приводит к образованию паянного соединения (ПС). В качестве припоя при монтаже ячеек ЭВС используются преимущественно легкоплавкие сплавы эвтектического типа на основе олова и свинца.
Механизм пайки характеризуется физико-химическими процессами, проходящими при формировании паянных соединений во время монтажа ячеек ЭУ. К таким процессам преимущественно относятся:
активация поверхностей соединяемых металлов и припоя; смачивание припоем контактируемых поверхностей;
растекание припоя по контактируемым поверхностям с заполнением зазоров и капилляров в зоне пайки;
взаимодействие жидкой фазы припоя с основными металлами, проявляющееся в растворении припоем поверхностных слоев металлов и диффузии металлов на границах металл-припой;
кристаллизация жидкого расплава.
Активация соединяемых металлов и припоя обеспечивается за счет нагрева основных металлов и расплавления припоя при введении его в зазор между сопрягаемыми поверхностями металлов либо при оплавлении уже имеющейся дозы припоя между контактируемыми металлами. В первом случае эффективность активации снижается вследствие взаимодействия металлов и припоя с кислородом воздуха и образования оксидной пленки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную пленку и защитить контактируемые поверхности от дальнейшего окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия. При использовании припойных паст защита от окисления сопрягаемых материалов осуществляется за счет флюса, содержащегося в самой пасте. Таким образом, пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как ее можно проводить в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемым поверхностям и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляются оксидные пленки. Основными процессами, происходящими при удалении оксидов металлов являются:
химическое взаимодействие между флюсом и оксидами припоя с образованием растворимого во флюсе соединения;
химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит постепенный отрыв оксидной пленки и перевод ее в шлак;
адсорбционное понижение прочности оксидной пленки под действием расплава припоя и диспергирование ее;
растворение оксидной пленки основного металла и припоя во флюсе.
Неправильный выбор флюса либо нарушение технологических режимов флюсования и пайки может привести к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образуют в паянном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность паянных соединений.
Использование флюсов – не единственный метод удаления оксидов и избежания окисления металлов в процессе пайки, иногда для этих же целей в процессе пайки применяют специальные технологические газовые среды либо ультразвук, однако, это заметно усложняет технологический процесс монтажа.
После расплавления припоя и достижения атомами сопрягаемых металлов требуемого уровня энергии активации происходит смачивание твердых поверхностей контактируемых материалов жидким припоем. От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхности основных металлов, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства ПС. При смачивании атомы металлов сближаются на расстояние менее 100нм и в поверхностных слоях сопрягаемых металлов возникают связи, активность образования которых определяется строением внешней электронной оболочки контактируемых металлов. Смачивающую способность припоя обычно оценивают по коэффициенту его смачивания, определяемому из выражения:
где θ – угол смачивания; F(Т −Г) , F(Т −Ж) , F(Ж−Г) – соответственно силы поверхностного натяжения на границах твердой и газообразной фаз, твердой и жидкой фаз, жидкой и газообразной фаз; Cosθ – коэффициент смачивания припоем конкретного металла.
Растекание припоя по поверхности основного металла во многом зависит от смачивающей способности припоя и продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения F в точке на границе трех фаз (например, точка О, см.рис)
Схематическое представление равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела;
1 – диэлектрическое основание платы;
2 – контактная площадка (основной металл);
3 – капля жидкого припоя;
4 – газообразная среда;
θ – угол смачивания припоем основного металла;
Таким образом, на процессы смачивания и растекания припоя влияют следующие факторы:
способ удаления оксидной пленки (например, при использовании флюсования важными факторами являются свойства флюса, а также характер его взаимодействия с припоем и соединяемыми материалами);
технология предварительной подготовки контактируемых поверхностей;
физико-химические свойства припоя и основных металлов;
характер взаимодействия припоя с основными металлами;
технологический режим процесса пайки и др.
В процессе растекания припоя сразу же происходит взаимодействие жидкой фазы припоя с основными металлами, проявляющееся в растворении и диффузии металлов, в результате чего на границах твердой и жидкой фаз образуются растворно-диффузионные прослойки (РДП).
Скорость протекания этих процессов и, соответственно, ширина РДП1 и РДП 2 зависят от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева, а также остаточных напряжений в основных металлах. Так интенсивность растворения основных металлов в расплаве припоя увеличивается с повышением температуры и длительности контакта твердой и жидкой фаз, при этом происходит разрушение кристаллической решетки твердых металлов и переход их в расплав припоя за счет диффузии. Процесс диффузии в этом случае протекает как в сторону припоя (для атомов основного металла), так и в сторону основного металла (для атомов ингредиентов припоя). Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить прочность соединений, хотя способствуют некоторому возрастанию контактного сопротивления Rk , но образования интерметаллидов в зонах растворно-диффузионных прослоек вызывают хрупкость паянных соединений и существенное увеличение контактного сопротивления получаемых при этом электрических контактов. Следовательно, в результате растворения и диффузии образуется макроструктура паянного соединения, упрощенная модель которой может быть представлена в виде, изображенном на рис (а), с эквивалентной схемой электрического сопротивления (см.рис (б)) получаемого соединения.
После удаления источника тепловой энергии наступает процесс кристаллизации жидкой фазы. При кристаллизации происходит затвердевание зоны расплава, которое связано с формированием микроструктуры спая и, в сущности, фиксирует процессы взаимодействия между основными металлами и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. Кристаллизация расплава начинается на поверхностях границ основных металлов с жидкой фазой и на частицах тугоплавких металлов расплава. Скорость кристаллизации влияет на форму и размеры кристаллитов, а также на величину остаточных напряжений в паянном соединении. В любом процессе, происходящем при микроконтактировании параметры технологических сред и средств реализации пайки должны быть оптимизированы для обеспечения требуемых показателей качества и надежности ЭК.