Процессы пайки. ПРОЦЕССЫ_ПАЙКИ. 7. процессы пайка
 Скачать 0.91 Mb.
|
7. ПРОЦЕССЫ ПАЙКА 7.1 Особенности процессов пайки Пайка – технологический процесс создания (получения) неразъемного соединения материалов в твердом состоянии с помощью припоев, которые при расплавлении смачивают паяемые поверхности, заполняют капиллярный зазор между ними и образуют паяный шов при кристаллизации. Припои – это металлы и сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, вводимые между соединяемыми основными материалами. На рисунке 7.1. показана конструкция паяного соединения Рисунок 7.1. Конструкция паяного соединения 1,4 –соединяемые основные материалы; 2- паяный шов; 3-галтель (плавный переход припоя, вышедшего за пределы соединяемых кромок)); «а»-величина нахлестки паяного шва Процесс образования паяного соединения состоит из следующих стадий: -нагрев соединяемых деталей до температуры плавления припоя (рис.7.2. а); - плавление припоя (рис.7.2. б); - смачивание, растекание и заполнении капиллярного зазора жидким припоем (рис.7.2. в); - растворение основного металла в жидком припое и взаимная диффузия компонентов основного металла и припоя (рис. 7.2. г); - охлаждение и кристаллизация паяного шва (рис.7.2. д). Практически все перечисленные стадии процесса пайки перекрываются, и окончание одной стадии трудно отделить от начала другой. Кроме того, эти стадии сопровождаются рядом других процессов (восстановление или разрушение пленки окислов, поглощение и выделение газов соединяемыми материалами и припоем, отжиг и рекристаллизация материала соединяемых деталей, химическое взаимодействие материалов с окружающей средой, возникновение или снятие внутренних напряжений в деталях и т. д.). Рисунок 7.2. Основные стадии образования паяного соединения (стрелками показано направление потоков теплоты) Если каким-либо образом на поверхность холодного материала нанести расплавленный припой, то он быстро затвердеет и никакой связи его с соединяемым материалом не произойдет. Поэтому зона пайки или паяемое изделие целиком должны быть прогреты до температуры несколько выше температуры плавления припоя. Расплавленный припой должен растечься по поверхностям соединяемых кромок, а это возможно лишь при хорошей смачиваемости их поверхности припоем. Капля жидкого металла, попадая на поверхность нагретого твердого тела, может растекаться слоем жидкости (рис.7.3. а), может сплющиваться, сохраняя форму капли (рис. 7.3.б), может занимать промежуточное положение, частично растекаясь на поверхности (рис.7.3. в). Рисунок 7.3. Положение капли жидкости на поверхности твердого тела: а-полное отсутствие смачивания; б- ограниченное смачивание; в-полное смачивание Смачиваемостью называется первая стадия физико-химического взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела, результатом которого является растекание жидкости тонким слоем. Физическая сущность процесса смачивания состоит в том, что поверхность контакта твердого тела с атмосферой замещается поверхностью контакта с жидкостью. Количественным критерием смачиваемости является краевой угол смачивания θ (рис. 7.3. в). В зависимости от величины краевого угла θ различают следующие степени смачивания: - при cosθ = 1, θ = 0 – полное смачивание поверхности твердого тела; - при 1 > cosθ > 0, 0° < θ < 90° – ограниченное смачивание (обычно θ < 30–40°); - при 1 < cosθ < 0, 180° > θ > 90° – несмачивание (капля собирается в шарик). На степень смачивания оказывают влияние: - характер взаимодействия в контакте соединяемого материала с припоем; - наличие флюса и состав окружающей газовой среды (водород, инертные газы, вакуум и т. д.); - состояние паяемых поверхностей (вид предварительной обработки, отсутствие окисных пленок, жировых загрязнений и т. д.); - режим пайки. Наличие окисной пленки на поверхностях соединяемых материалов и расплавленного припоя (за исключением спаев стекла с металлом) препятствует смачиванию. Для удаления пленки окислов в процессе пайки применяют флюсы, контролируемые газовые среды, вакуум и другие средства. Наиболее широко из этих средств используются флюсы, известные еще в древности. Перед пайкой или в процессе пайки на соединяемые поверхности деталей и припой наносят флюс в виде водных, спиртовых или глицериновых растворов, паст, в порошкообразном виде. В определенном интервале температур флюс проявляет свое действие. Он обволакивает расплавленный припой и нагретые кромки деталей тонким слоем (рисунок 7.4). При этом поверхности контакта твердого тела и расплавленного припоя с атмосферой замещаются поверхностью контакта с жидким флюсом. Флюс, взаимодействуя с окисной пленкой, обеспечивает протекание физико- химических процессов между припоем и соединяемыми материалами, начальной стадией которых является смачивание. В процессе воздействия флюса происходят также вытеснение флюса растекающимся припоем и защита места пайки от окисления. Рисунок 7.4. Положение капли жидкого припоя на поверхности нагретого твердого тела при наличии флюса (пунктиром показано положение капли при отсутствии флюса) Кроме флюсов для удаления окисных пленок с поверхности соединяемых кромок используется нагрев деталей в контролируемой атмосфере или в вакууме. При этом происходят следующие процессы: диссоциация или возгонка окислов при нагреве в вакууме; их восстановление Однако высокие скорости взаимодействия на границе между твердой и жидкой фазами, а также сравнительно их длительное взаимодействие, обусловленное технологией пайки, не позволяют в обычных условиях завершить процесс взаимодействия на стадии смачивания и растекания припоя. Уже в момент заполнения капиллярного зазора происходит интенсивное растворение основного металла в расплаве припоя и диффузия его в жидкости. Процесс растворения представляет собой разрушение кристаллической решетки твердого металла и переход его в жидкий металл. Внешним проявлением растворения основного металла в припое является смещение границы контакта твердой и жидкой фаз в сторону соединяемого материала (рисунок 7.6). Интенсивность растворения основного металла в расплаве припоя увеличивается с повышением температуры и длительности контакта твердой и жидкой фаз. Способность расплавленных припоев интенсивно растворять основной металл является отрицательным свойством, так как ухудшает смачивание и растекание припоя, вызывая хрупкость в соединении и появление эрозии основного материала. Помимо растворения в системе «расплавленный припой–основной материал» протекают процессы диффузии. Диффузией в общем случае называют проникновение атомов одного вещества в другое. Диффузия при пайке играет большую роль в процессе формирования паяного соединения. Смачивание, капиллярное течение, образование переходного слоя между основным металлом и металлом шва, выравнивание состава шва связаны с диффузией. В условиях пайки протекает диффузия компонента припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя. Диффузия атомов может проходить по поверхности (поверхностная диффузия), по границам зерен (граничная диффузия) и в объеме зерен (объемная диффузия). Схема диффузии по поверхности, по границам зерен и в объеме зерен представлена на рисунке 7.6 . Преобладающая роль диффузии по поверхности и границам зерен отрицательно сказывается на прочности паяных соединений. Рисунок 7.6. Схема диффузионных потоков при взаимодействии припоя с основным металлом: 1-поверхностная диффузия; 2- диффузия основного металла в припой; 3-диффузия припоя в в объем зерна; 4-диффузия по границам зерен Интенсивность протекания процесса диффузии при пайке зависит от многих факторов: - от состояния соединяемых материалов (в материалах, свободных от внутренних напряжений, диффузия протекает значительно медленнее); - от размера зерна основного металла (чем мельче зерно, тем быстрее протекает диффузия); - от температуры пайки; - от времени выдержки при температуре пайки и т. д. Заключительной стадией образования паяного соединения является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. При кристаллизации происходит затвердевание тонкой прослойки расплавленного припоя, находящегося в зазоре, образованного поверхностями соединяемых деталей. При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам и от основного металла, и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе к основному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, ближе к центру шва компонентами припоя. Кристаллизация металла шва начинается в первую очередь на поверхности основного металла, кристаллиты которого являются как бы основой для роста кристаллитов припоя. Помимо этого центры кристаллизации могут возникать и в жидком металле шва. В процессе кристаллизации в паяном шве могут фиксироваться: – твердые растворы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться без нарушения однородности сплава; – эвтектические структуры – механическая смесь твердых растворов компонентов, образующихся при затвердевании жидкого раствора и имеющих наиболее низкую температуру плавления по сравнению со смесями тех же веществ, взятых в других соотношениях; – интерметаллические соединения – химические соединения в металлических сплавах. Твердые растворы образуют металлы, имеющие общий тип кристаллической решетки и очень близкие значения межатомных расстояний. Твердые растворы являются желательными структурами, так как при этом обеспечивается высокая прочность и пластичность паяного соединения. Эвтектические структуры в паяных швах возникают при пайке припоями эвтектического состава или образуются в результате взаимодействия припоя с паяемым металлом. Эвтектические структуры возникают, если сходство металлов недостаточно для образования твердого раствора, а разница в свойствах и строении невелика, чтобы образовать интерметаллические соединения. Припои эвтектического свойства обладают высокой жидкотекучестью, и пайка с применением их протекает наиболее 2. Бездиффузионный спай – образуется при использовании припоев с низкой температурой плавления, если температура нагрева под пайку близка к температуре плавления припоя, а время пайки ограничено временем, необходимым на смачивание и растекание. В этом случае ни заметного растворения основного металла в припое, ни диффузии припоя в основной металл практически не происходит. Соединение определяется прочностью сцепления припоя с поверхностью основного металла, а отсутствие диффузии практически не нарушает структуру паяемого элемента. Такой вид спая целесообразен при пайке полупроводниковых кристаллов на подложку мягкими припоями. 3. Контактно-реакционный спай – образуется в стыке двух материалов без припоя, если они способны образовать сплав с более низкой температурой плавления, чем температура плавления каждого из них. Например, кремний, имеющий температуру плавления 1423 °С, и золото с температурой плавления 1063 °С образуют эвтектический сплав, содержащий примерно 94 % золота с температурой плавления 370 °С. Поэтому, если кристалл кремния нагреть в контакте с золотой пленкой, то за счет взаимной диффузии образуется жидкая прослойка, которая выполнит роль припоя. Этот вид спая используют при посадке кристаллов полупроводниковых приборов в золоченые корпуса при температуре паяния 400 °С и времени образования спая 1 с. 4. Диспергированный спай – образуется при пайке металлов с высокой температурой плавления. В этом случае наблюдается диффузия припоя в основной металл с образованием диффузионной зоны, но вместо растворения основного металла в припое происходит его размывание с отрывом мелкодисперсных частиц, которые остаются в припое во взвешенном твердом состоянии и после образования спая. 7.2 Классификация способов пайки Характер нагрева, способ ввода тепловой энергии, применяемые источники нагрева являются наиболее существенными признаками для процессов пайки. В таблице 7.1. приведена классификация способов пайки на основе вышеуказанных признаков. В процессе пайки может осуществляться общий разогрев, когда до температуры пайки нагревается все изделие, и местный нагрев, когда нагревается более или менее узкий участок изделия, прилегающий к месту соединения. Тепловая энергия в зону соединения может быть введена за счет теплопроводности твердого тела, жидкости, газа, излучением различных видов и электрическим током. Следует отметить, что для многих способов пайки характерно преобразование одного вида энергии в другой, например электрической в тепловую и т. д. По разновидностям технологических приемов нагрева, связанных с различными источниками нагрева, пайка может быть разделена на большое число способов. В таблице 7.1. отражены способы нагрева при пайке, нашедшие в настоящее время применение в отечественной и зарубежной технике. Таблица 7.1. Классификация способов нагрева при пайке Каждый из указанных способов нагрева в свою очередь может быть разделен и по другим техническим признакам. Например, пайка нагретым инструментом может осуществляться с постоянным или импульсным нагревом, с наложением на инструмент механических колебаний ультразвуковой (50–70 кГц) или промышленной частоты (50 Гц). Традиционно пайку делят на низкотемпературную, выполняемую припоями с температурой плавления до 400–500 °С, и высокотемпературную, выполняемую припоями с более высокой температурой плавления. Способы пайки могут быть также классифицированы по такому признаку, как среда, в которой происходит процесс пайки. По этому признаку способы пайки можно разделить пайку в соляных ваннах, в контролируемой атмосфере или в вакууме. По степени механизации и автоматизации способы пайки подразделяются на ручные, механизированные и автоматизированные. 7.3 Характеристика источников нагрева при пайке В настоящее время при пайке используются следующие виды нагрева: Локальный нагрев места пайки. Пайка нагретым инструментом (с использованием паяльника). Источником теплоты является твердое тело в виде постоянно (рис. 7.8) или импульсно (рис. 7.9) нагреваемого инструмента. При постоянном нагреве инструмент имеет, как правило, общий разогрев, обеспечивающий необходимый запас теплоты, аккумулируемой во всей массе инструмента (рис. 7.10). При импульсном нагреве разогрев и охлаждение места пайки и самого инструмента осуществляются в течение каждого цикла пайки. Необходимый тепловой режим пайки обеспечивают следующие характеристики паяльника: В зоне выхода горячего газа располагается паяемое изделие. Тепловой режим пайки обеспечивается за счет изменения расхода газа и температуры нагревателя, а также скоростью перемещения паяемого изделия относительно паяльной головки. Нагрев газопламенными горелками. В данном случае используют миниатюрные кислородно-водородные горелки (рис. 7.12), обеспечивающие весьма узкое высокотемпературное пламя. Последнее позволяет получить в течение короткого времени высокую температуру в местах пайки без повреждения термочувствительных элементов изделия. Рисунок 7.12. Схема пайки пламенем газовой горелки: 1-газовая горелка; 2-пламя; 3-паяемое изделие Нагрев в микроплазменных горелках. С помощью микроплазменных горелок получают концентрированный нагретый поток газа (рис. 7.13 ). Рисунок 7.13. Схема нагрева места пайки плазменной струей (косвенной дугой): 1-вольфрамовый электрод; 2-водоохлаждаемый анод; 3-керамическое сопло; 4-плазменная струя; 5-соединяемые детали В этом случае используется косвенная плазменная дуга. Паяемое изделие при этом электрически не связано с микроплазменной горелкой. Электрическая дуга, горящая между вольфрамовым электродом и водоохлаждаемым соплом, нагревает теплообразующий газ, непрерывно подаваемый через отверстие сопла малого диаметра. На выходе из сопла создается поток высокотемпературной плазмы, направляемый на изделие. Обычно в качестве плазмообразующего газа используется аргон. Для защиты места пайки от окисления во внешнее керамическое сопло подается защитный газ (аргон, гелий или смесь аргона с гелием или водородом). При пайке с помощью потока горячего газа последний необходимо подавать с большой скоростью, чтобы компенсировать потери теплоты из-за его небольшой теплоемкости и ограничивать время нагрева для исключения повреждения чувствительных к перегреву материалов и компонентов изделия. Пайка потоками нагретой жидкости. В качестве теплоносителя используются потоки непрерывно обновляемой жидкой фазы, в роли которой наиболее часто выступает расплав припоя. По характеру течения расплава различают пайку волной и струей припоя. Пайка волной припоя (рис. 7.14, а) заключается в следующем: подаваемый принудительно вверх насосом жидкий металл образует над зеркалом припоя возвышение – стоячую волну расплава, с верхней кромкой которой входят в соприкосновение движущиеся над припоем соединяемые детали. Рисунок 7.14. Схема пайки волной (а) и струей (б) припоя: 1-ванна с припоем; 2- волна припоя; 3-соединяемые детали; 4-струя припоя При пайке струей припоя (рис. 7.14, б) на место соединения подается направленная струя жидкого металла. Струя припоя может быть выполнена с непрерывным одинаковым профилем по всей линии пайки или состоять из множества струй, выходящих из круглых отверстий специального устройства. Струя припоя с непрерывным профилем и волна припоя, выполняя одни и те же задачи, различаются конфигурацией потока припоя. Для волновой пайки характерно перемещение припоя в зоне соприкосновения с местом пайки только под действием силы тяжести, в то время как для струйной пайки используется направленный непосредственно на место соединения поток расплава припоя. Поэтому скорости движения припоя при пайке струей значительно больше, чем при пайке волной припоя, а размеры струи непосредственно меньше размеров волн припоя. Последнее Рисунок 7.17. Схема нагрева соединяемых деталей при индукционной пайке: 1- индуктор; 2-соединяемые детали; 3- припой Интенсивность, максимальная температура и равномерность нагрева зависят от многих факторов. Основными из них являются: форма, размеры и число витков индуктора, частота тока и мощность ВЧ-генератора. При индукционном нагреве могут быть получены очень большие скорости нагрева. Однако это не всегда можно использовать, так как резко возрастает неравномерность нагрева соединяемых деталей. Возникает большая разность температур между поверхностными и внутренними слоями нагреваемой детали, что может сказаться на качестве паяного соединения. Нужную равномерность нагрева достигают за счет уменьшения выделяемой в паяемых деталях мощности либо применением прерывистого нагрева. 11. Нагрев места пайки. При пайке с общим нагревом при использовании массы расплавленной жидкости изделия погружают в соляную ванну или расплавленный припой. В этих случаях нагрев паяемых деталей идет за счет теплопроводности от расплава, нагретого до температуры пайки. Это обусловливает высокую скорость и равномерность нагрева. Существует две разновидности нагрева при пайке в соляной ванне. Первый способ «прямой нагрев» заключается в том, что предварительно собранные в оснастке детали погружают в расплав солей (рис. 137, а). Состав расплава зависит от соединяемых материалов, температуры пайки и других факторов. Например, соляная ванна состава: хлористый натрий (NaCl), хлористый кальций (СаCl2), хлористый барий (ВаС12) имеет температуру плавления – 435 °С, а максимальная рабочая температура состава – 850 °С. Солевой расплав защищает паяемые детали от взаимодействия с окружающей атмосферой не только в процессе пайки, но и при охлаждении, образуя на поверхностях тонкую корку застывшей соли. После пайки детали вынимаются из соляной ванны, охлаждаются и затем погружаются в ванну с горячей водой для удаления остатков солей. Однако таким образом можно паять детали, из которых можно удалить остатки солей после пайки. При косвенном нагреве в соляных ваннах детали помещают в контейнер, в котором создается контролируемая газовая среда или вакуум. Контейнер подогревают до температуры 100–150 °С для удаления с Способы нанесение флюса. Качество получаемых соединений во многом зависит от способов нанесения флюса на паяемые детали и припои. Для нанесения флюса могут быть использованы различные способы, выбор которых определяется составом флюса, технологической схемой процесса пайки, конструкцией и размерами паяемого узла, степенью автоматизации процесса пайки. В практике наибольшее распространение получили методы нанесения флюса кистью, погружением, накатыванием вращающимися щетками или валиками, напылением. Широко используются также методы нанесения флюса в виде пены и с помощью волны или струи флюса. Способы нанесения флюса кистью или погружением в ванну, наполненную жидким флюсующим составом, применяются, как правило, только в индивидуальном и мелкосерийном производстве. Данным способом погружения можно наносить флюсы различной вязкости. Способ нанесения флюса накатыванием заключается в следующем (рис. 7.20): вращающиеся щетки или ролики погружаются примерно на треть своего диаметра во флюс и при вращении захватывают его из ванны; паяемые детали, перемещаясь над ванной, соприкасаются с открытой частью щеток или роликов, и на их поверхность наносится тонкий слой флюса. Этот способ позволяет достигнуть однородности наносимого слоя флюса и легко поддается автоматизации. Рисунок 7.20. Схема нанесения флюса с помощью вращающегося ролика: 1-ванна с жидким флюсом; 2- вращающийся диск; 3- паяемые детали (стрелкой показано направление движения паяемых деталей) Способ напыления при нанесении флюса чаще всего осуществляется с помощью различного рода пульверизаторов (рис. 7.21). Подаваемый через дозатор флюс захватывается потоком воздуха, выходящим из сопла, и направляется на кромки паяемых деталей. Чтобы предотвратить попадание распыленного флюсующего состава в окружающее пространство, в устройстве предусмотрен специальный защитный кожух. Такой способ обеспечивает однородность и толщину нанесенного слоя флюса, легко механизируется и автоматизируется. Рисунок 7.21. Схема нанесения флюса с помощью пульверизатора: 1- паяемые детали; 2-защитный кожух; 3-дозатор флюса; 4- воздушное сопло;5- поток распыленного флюса Нанесение флюса вспениванием (рис.7.21) осуществляется путем контакта поверхности деталей, совершающих поступательное движение, с гребнем пены, в результате чего флюсующий состав покрывает паяемое изделие слоем регулируемой толщины. Рисунок 7.21. Схема нанесения флюса в виде пены 1-ванна с флюсом; 2-внутренний резервуар; 3-вспенивающее устройство; 4- поток пены; 5паяемые детали; 6- сетка Установка для нанесения флюса этим способом состоит из ванны с жидким флюсом и внутреннего резервуара, соединенных между собой так, чтобы жидкий флюс свободно перетекал из одного отсека в другой. При подаче сжатого воздуха через отверстия вспенивающего устройства флюсующий состав во внутреннем резервуаре вспенивается выходящим воздухом и в виде потока пены поднимается над резервуаром. Паяемые детали при контакте с потоком пены разрушают пузырьки флюса, в результате чего происходит покрытие мест пайки тонким слоем флюса. Чтобы предотвратить переполнение ванны вспененным составом, ее закрывают сверху специальной сеткой, размеры ячеек которой несколько меньше среднего диаметра пузырьков пены. Указанная сетка способствует ускоренному превращению пены в жидкость. Напор жидкости при нанесении флюса с помощью волны или струи способствует равномерному распределению его по поверхности соединяемых деталей с заполнением узких зазоров. Подача флюса осуществляется с помощью вращающейся крыльчатки, нагнетающей жидкость в специальный канал, на выходе которого образуется стоячая волна флюсующего состава. 7.4 Типы паяных соединений. Конструкции паяных соединений включают в себя соединения внахлестку, стыковые, телескопические, тавровые, торцовые и комбинированные (таблица 7.2 ). Таблица 7.2. Конструкции паяных соединений Вид соединения Конструкция соединения Внахлестку Телескопическое соединение Стыковое соединение Тавровые соединения Комбинированные соединения Соединения внахлестку являются наиболее распространенными в паяных конструкциях, так как позволяют изменением степени перекрытия деталей достигать заданных свойств соединений. Стыковые соединения в паяных изделиях применяются редко, так как они не всегда обеспечивают необходимое качество соединения. Телескопические соединения широко используются в конструкциях электровакуумных приборов, так как обеспечивают необходимое взаимное расположение деталей в узле при сборке. Многолетний опыт изготовления электровакуумных приборов показал целесообразность применения паяных конструкций, сочетающих в себе одновременно телескопический и торцовый тип соединения. Торцовый тип соединения широко используется при пайке кристаллов и подложек в корпусе приборов. Тавровые соединения используют при монтаже электронных приборов на подложках и печатных платах. При выборе типа паяного соединения учитывают специальные требования: по герметичности, прочности, электропроводимости, коррозионной стойкости и т. д. Основные преимущества процессов пайки: - возможность одновременной пайки большого количества однотипных изделий, либо одного или нескольких изделий сразу в нескольких местах - высокая стабильность качества паяемых соединений - минимальная деформация и остаточные напряжения в связи с равномерным нагревом и охлаждением в процессе пайки. Вопросы к главе 7 1. Что такое пайка? 2. Назовите основные этапы процесса пайки. 3. До какой температуры производится нагрев в процессе пайки? 4. Что такое смачиваемость? 5. Что является количественным критерием смачиваемости? 6. С какой целью в процессе пайки используется флюс? 7. Что используется для удаления пленки окислов в процессе пайки? 8. Какие структуры фиксируются в процессе кристаллизации в паяном шве? 9. Что приводит к ухудшению смачивания припоем в процессе пайки? одит: 10. Назовите способы нагрева при пайке. 11. Назовите способы нанесения на паяемые детали и припои. |
Для получения качественного паяного соединения необходимо, чтобы припой хорошо растекался по поверхностям соединяемых материалов. Под растекаемостью понимают свойство жидких металлов или сплавов (припоев)
распространяться по поверхности или в зазоре соединяемых материалов,
находящихся в твердом состоянии.
В условиях пайки на процесс растекания помимо смачиваемости оказывают влияние: жидкотекучесть, вязкость, поверхностное натяжение жидкости, шероховатость поверхности твердых металлов и другие факторы.
Количественно растекаемость припоев по поверхности металлов можно оценить коэффициентом К
р
, равным отношению площади S
0
припоя до пайки к площади S, занятой припоем после пайки
(К
р
= S
0
/S,). ( 7.1 )
Чем меньше значение К
р
, тем лучше растекается припой по заданному металлу.
Определение растекаемости припоев производится следующим образом: на середину диска из того или иного металла укладывается таблетка припоя диаметром 8 мм и толщиной 0,3 мм, которая в строго горизонтальном положении нагревается до расплавления, а затем охлаждается.
Нагрев производится со скоростью, близкой к скорости нагрева в реальных условиях пайки. Температура нагрева и время выдержки устанавливаются также аналогичными тем, которые наблюдаются при пайке.
На охлажденном образце замеряется площадь, занятая припоем после пайки
(рисунок 7.5), и по указанной ранее формуле определяется значение К
р
Для образования спая между основным металлом и припоем в отдельных случаях достаточно смачивания основного металла расплавом припоя.
Рисунок 7.5. Определение растекания припоя по поверхности паяемого металла: 1-таблетка припоя до нагрева; 2-растекающаяся капля припоя после нагрева; 3-паяемый материал
Интерметаллические соединения образуют металлы преимущественно в том случае, если в параметрах их кристаллических решеток и в химических свойствах имеется большая разница. Интерметаллические соединения могут располагаться в виде одного или нескольких слоев по границе «основной металл–припой» или быть распределены в шве в виде включений. Качество паяного шва при образовании интерметаллических соединений между взаимодействующими металлами, как правило, будет ниже, так как эти соединения обычно имеют высокую хрупкость.
В результате протекания всех стадий процесса пайки между соединяемыми деталями возникает паяное соединение, схема строения которого представлена рисунке 7.7.
Рисунок 7.7. Схема строения паяного соединения после кристаллизации
(пунктиром показано первоначальное положение соединяемых кромок)
Исходя из представленной схемы, можно дать определения основным элементам соединения. Паяное соединение (элемент соединяемых деталей) включает в себя паяный шов и прилегающие к нему участки основного металла.
Паяный шов – элемент паяного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации жидкой фазы.
Диффузионная зона – граничащий с паяным швом слой основного металла, образовавшийся в результате диффузии компонентов припоя в основной металл.
Рассмотренный тип образующегося спая носит название растворно-
диффузионный спай. Характер диффузии и растворение в зоне спая зависят от типа соединяемых материалов и припоя, от температуры и времени их взаимодействия, поэтому в классификации спаев различают четыре основных типа:
1. Растворно-диффузионный спай – наиболее широко встречается в практике (структура и схема его образования подробно изложены ранее).
Температура рабочего конца жала задается обычно на 30–100◦ выше температуры плавления припоя.
Рисунок7.8 Схема нагрева места пайки паяльником:
1-нагреватель; 2-жало паяльника; 3-припой:
4-подложка; 5-контактная площадка; 6-проводник.
Рисунок 7.9 Схема нагрева импульсно-нагреваемым инструментом: 1-паяльник;
2-проводник; 3-припой;
4-контактная площадка;
5-подложка
Рисунок 7.10
Температурный режим рабочего конца паяльника:
1-постоянный нагрев;
2-при импульсном нагреве
Пайка нагретым газом. В качестве теплоносителя используют нагретые газы: аргон, водород, азот или смесь газов. В большинстве случаев стремятся исключить из состава теплоносителя кислород, окисляющий металл в процессе пайки.
При использовании электрических нагревателей (рис.7.11) газ под избыточным давлением направляется в устройство нагрева и затем поступает к соплу рабочей головки. Для нагрева газа чаще всего используются электронагревательные элементы, устанавливаемые вокруг трубопроводов или в специальных камерах, по которым пропускают теплоноситель.
Рисунок 7.11. Схема нагрева места пайки нагретым газом:
1-нагреватель; 2-2-сопло; 3-паяемое изделие
Способы пайки волной и струей припоя получили наибольшее распространение при выполнении групповых соединений (например, при пайке печатных плат). Характерной особенностью этих способов является специфическое дозирование припоя, которое происходит всегда в процессе пайки по мере касания расплавом паяемых изделий.
Пайка
концентрированными
потоками
энергии.
Пайка сфокусированными лучами в оптическом или инфракрасном диапазоне волн осуществляется за счет энергии мощных дуговых ламп. Оптические системы для фокусировки лучей выполняются либо на основе собирающих линз
(рис.7.15, а), либо с помощью различного рода отражающих зеркал
(рефлекторов). При этом предпочтение отдается системам с рефлекторами
(рис. 7.15, б), так как собирающие линзы, изготовленные из стекла, поглощают инфракрасные лучи с длиной волн, равной и более 2 мкм. Для повышения отражающих свойств рефлекторов их рабочие поверхности тщательно полируются, покрываются никелем, золотом или серебром.
Конструкции рефлекторов могут быть самые разнообразные. Однако во всех схемах устройств в одной фокусной точке (f
1
) помещается источник излучения, в другой (f
2
) – место пайки.
Рисунок 7.15. Схема нагрева при пайке лучистой энергией: а-фокусировка оптической системой; б- фокусировка эллиптическим зеркалом; 1-зеркало; 2-источник излучения; 3-линза; 4-соединяемые детали
Пайка излучением лазера представляет co6oй одну из разновидностей пайки излучением. Узконаправленный монохроматичный световой поток лазера фокусируется оптической системой на поверхности материала, обеспечивая локальность и высокую скорость нагрева. Это позволяет выполнять соединения в непосредственной близости от термочувствительных элементов приборов.
Пайка электронным лучом производится в вакуумных камерах.
Электронный луч (поток электронов) формируется и фокусируется на
Электронный луч, так же как и лазерный, характеризуется высоким значением удельной энергии, обеспечивает быстроту и локальность нагрева, позволяет проводить точное регулирование и управление тепловой энергией.
Отличительной чертой способов пайки излучением лазера и электронным лучом является возможность получения паяных соединений без контакта с инструментом, что позволяет исключить загрязнения мест пайки.
Немаловажным фактором при пайке излучением лазера является возможность вводить энергию через прозрачные среды, т. е. осуществлять пайку в контролируемой газовой атмосфере или в вакууме.
При электроконтакной пайке сопротивлением используется джоулева теплота, которая выделяется при прохождении тока через соединяемые детали или через одну из них. Электрический ток при этом может подводиться с двух сторон деталей (рис.7.16, а) либо с одной (рис. 7.16, б).
Рисунок 7.16. Схема нагрева соединяемых деталей при пайке электросопротивлением: а-двухсторонний подвод тока; б-односторонний подвод тока;: 1-электроды; 2-соединяемые детали; 3-припой; 4-направление токовых линий
Чтобы обеспечить надежный электрический контакт между электродами и деталями прикладывают усилие Р. Силу тока и длительность его протекания подбирают так, чтобы расплавить припой и прогреть соединяемые кромки, не перегревая близлежащие участки изделия, чувствительные к перегреву.
Индукционная пайка. В процессе нагрева соединяемых деталей при индукционной пайке деталь помещают в магнитное поле индуктора, состоящего из одного или нескольких витков медной трубки, через которую пропускается охлаждающая вода (рис. 7.17). В результате взаимодействия переменного магнитного поля и материала детали в ней наводятся вихревые токи (токи Фуко), за счет которых и происходит нагрев.
При пайке погружением в расплавленный припой (рис. 7.18) используется теплота, аккумулированная в самом припое. Детали с предварительно нанесенным на их поверхность флюсом приводят в соприкосновение с зеркалом расплавленного припоя и выдерживают в течение заданного промежутка времени. Дозирование припоя происходит в процессе пайки по мере касания расплавом паяемых изделий.
Рисунок 7.18. Схема нагрева при пайке погружением в расплавленный припой: 1-ванна расплавленного припоя; 2- соединяемые детали; 3- нагреватель.
Пайка конвекцией и излучением. Для пайки с общим нагревом используется передача теплоты от нагревателя к изделию конвекцией и излучением при использовании установок с контролируемой газовой атмосферой и излучением при использовании вакуумных установок. Разогрев нагревателя осуществляется при прохождении через него электрического тока.
Конструкция такого нагревателя представлена на рисунке 7.19.
Соединяемые детали 3 устанавливаются на подставке 4 внутри листового нагревателя 2. Электрический ток подводится через токопроводы 1.
Соединяемые детали и нагреватель располагаются в камере с контролируемой атмосферой либо в вакуумной камере. Припой в место соединения закладывается при сборке деталей под пайку.
Рисунок 7.19. Схема пайки деталей с общим нагревом от листового нагревателя: 1-токоподводы; 2-листовой нагреватель; 3- соединяемые детали;4-подставка