Глава 2

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНТАЖНОЙ ПАЙКИ

2.1. Классификация способов нагрева

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механи­ческого и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Технологические процессы образования межсоединений так или иначе стимулируются нагревом (примерно выше 100 °С). Они протекают при плав­лении или диффузии в твердой фазе и могут сопровождаться химическими ре­акциями. Монтажные соединения образуются в процессах пайки и сварки.

По способу воздействия на объект производства технологические процес­сы образования монтажных соединений разделяют на изотропные и локальные.

Изотропные — процессы с температурным воздействием на все изделие или поверхность. Локальные — процессы с избирательным воздействием на ограниченной площади (в «точке»).

К изотропным относят процессы, выполняемые в однородной среде, например в печах с заданной газовой средой, в ваннах для пайки.

К локальным — точечную сварку и пайку, лазерную обработку.

В процессе пайки развиваются реакции на границах жидкого, а потом и затвердевшего, припоя и поверхностей спаиваемых деталей. Течение твердофаз­ных реакций определяется двумя механизмами: диффузией и процессами на гра­нице фаз: жидкой (расплавленный припой) и твердой (соединяемые детали).

2.2. Процессы на границе раздела

Развитие процессов на границе раздела: припой — спаиваемые поверхнос­ти — проходит несколько стадий: адсорбция — адгезия — смачивание — физи­ческое растворение или поверхностные химические реакции — сцепление.

2.2.1. Первая стадия – адсорбция

Энергия взаимодействия поверхности тела с газовой фазой или разбавлен­ным раствором вызывает избирательное концентрирование одного из ве­ществ (компонента раствора) на поверхности тела или в приповерхностном слое. Такое явление называется адсорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а адсорбируемое ве­щество — адсорбатом. Обратный адсорбции процесс — процесс отделения от поверхности ранее адсорбированного вещества — называется десорбцией.

Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию). При физической адсорбции энергия взаимодействия между адсорбатом и поверхностью не столь значительна, чтобы изменить физико-химическую природу адсорбата, а следовательно, и его свойства. При хемосорбции об­разуется химическая связь между поверхностью и адсорбируемым веществом. Физическая адсорбция вызывается Ван-дер-ваальсовыми силами и протекает очень быстро, особенно при понижении температуры поверхности. Хемосорбция при низких температурах протекает медленно, но при повышении тем­пературы ее скорость быстро растет подобно поведению химических реакций. Энергия физической адсорбции соизмерима с теплотой конденсации (испа­рения). Для органических растворитsелей она составляет 8... 15 кДж/моль, для металлов — 10...40 кДж/моль, поэтому физическая адсорбция обрати­ма и энергетическое состояние адсорбированных молекул мало отличается от свободных.

Энергия хемосорбции сравнима с теплотой химических реакций (50...400 кДж/моль). Как всякая химическая реакция, хемосорбция сопро­вождается изменением электронной структуры взаимодействующих мо­лекул. В отличие от обычных химических реакций хемосорбция протекает только в мономолекулярном слое на поверхности раздела фаз.

Количественную характеристику адсорбции, как изменение химичес­кого потенциала и поверхностного натяжения соответствующего компонен­та при адсорбции, можно описать с помощью соотношения

_,

где С_i — концентрация i-го компонента, Sn — поверхность раздела, σ_s — по-верхностное натяжение, µ_i — химический потенциал i-го компонента.

Пусть dC_i/dS_n = Г — избыток массы компонента на единице поверхности раздела по сравнению с единицей объема соприкасающихся фаз. Так как

_то

где — поверхностная активность адсорбируемого компонента.

Последнее выражение называется адсорбционным уравнением Гиббса. В соответствии с этим уравнением на поверхности раздела адсорбируются вещества, понижающие ее поверхностную энергию относительно окружающей среды, что уменьшает общую свободную энергию системы. Очевидно, что количество адсорбируемого вещества пропорционально площади поверхности раздела.

Обычно из растворов сильнее адсорбируются те вещества, которые меньше растворимы в данном растворе. Согласно уравнению Гиббса адсорбируемые вещества снижают поверхностное натяжение растворителя. Вещества, сильно уменьшающие поверхностное натяжение растворителя, называют поверхностно-активными (ПАВ).