Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
В ходе взаимодействия атомов основного металла и расплавленного припоя возможна «коллективизация» электронов и образование металлической связи. Химическая связь образуется между атомами, обладающими дополнительной энергией, равной или большей энергии активации. Прочная связь между ними возникает, когда они находятся на расстояниях, при которых возможно перекрытие их волновых функций [15]. Этот процесс термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению энергии системы в связи с сокращением свободной поверхности.
15
О химической природе процесса взаимодействия на границе основной металл — расплав припоя свидетельствует выделение теплоты при смачивании [16, 17].
Таким образом, природа смачивания может быть обусловлена как слабым взаимодействием (физическая адсорбция), так и хемосорбцией с образованием более или менее прочной химической связи.
Как показано выше, процесс взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя * можно рассматривать как химическую реакцию на границе фаз. Скорость реакции в общем виде при условии, что с поверхности взаимодействующих металлов удалены окис-ные пленки, а атомы их находятся в состоянии физической адсорбции, можно выразить уравнением [18]
^=№-*)v.exp(_-?)e*p^-), <U>
где х — число атомов, вступивших в химическую связь; N0—число контактирующих атомов на поверхности основного метала; v — частота собственных колебаний атомов, обычно принимаемая для металлов равной 1013 сект1-, Q — энергия активации образования химических связей; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; S—k\nW\W2 — энтропия активации, учитывающая вероятность Wi благоприятной ориентации возбужденных атомов каждого металла друг относительно друга и вероятность W2 совпадения моментов их возбуждения.
Поскольку при пайке происходит смачивание основного металла и возникает ориентационное соответствие частиц твердого металла и расплава, то необходимость благоприятной ориентации можно не учитывать.
При температуре пайки все атомы основного металла и припоя возбуждены, поэтому член, учитывающий энтропию,
Тогда уравнение примет вид:
____________¦ ¦ <’-2)
* Рассматривается взаимодействие чистых металлов.
16
Проинтегрировав при 7’=const и подставив t=0, х=0, t = ta, x = N, получим время, в течение которого прореагирует N атомов:
Из уравнения (Г.З) можно получить выражение, описывающее изменение относительной прочности спая:
Таким образом, полученное соотношение позволяет приближенно оценить относительную прочность спая.
В отдельных случаях пайки, несмотря ,на то что с основного металла окисная пленка удалена, взаимодействие не наступает. Расплавленный припой собирается в каплю и в таком состоянии остается на поверхности основного металла, между тем, как эти же металлы в других сочетаниях, например, тот же основной металл, но с другим припоем или наоборот, при приблизительно тех же условиях и режиме пайки взаимодействуют. Это свидетельствует о том, что в указанных случаях необходим нагрев до более высоких температур. В зависимости от > природы металлов перегрев может иметь значения от нескольких десятков до сотен градусов. Так, при пайке армко-железа серебром в среде водорода для растекания ‘ припоя необходим перегрев по сравнению с температурой плавления серебра в 140° С, при пайке армко-железа алюминием в вакууме 6,65 ¦ 10_3 н/м2 (5 - 10—5 мм рт. ст.) —540° С. Только при таком перегреве в отмеченных случаях припой растекается и смачивает основной металл [19]. Наиболее высокий перегрев требуется при пайке армко-железа в среде водорода (точка росы — 50° С) при применении в качестве припоев свинца, таллия, олова, индия и галлия (табл. 1).
Таким образом, если припой после расплавления при соблюдении требований, необходимых обычно для образования спая, не смачивает поверхность основного металла, это еще не значит, что между ними невозможно взаимодействие. Чтобы взаимодействие наступило, необходима термическая или другая активация, которая поз-
(1.3)
(1.4)
17
Таблица 1
Температуры плавления и кипения Pb, Tl, Sn, In, Ga и температуры пайки ими армко-железа
Наименование припоев
Температура, °С Свинец Таллий Олово Индий Галлий
Плавления припоя Кипения припоя Пайки 327,3 1740 1000 303 1457 1120 231,9 2360 1000 156,2 2000 960 29,8 2000 1100
волила бы разорвать связи, имеющиеся в поверхностных слоях основного металла и припоя, и образовать новые, общие между ними, связи.
При изменении температуры или других параметров процесса пайки условия взаимодействия в контакте основной металл — припой изменяются, что в свою очередь меняет условия равновесия в зоне реакции. При этом переход атомной системы основной металл — припой в равновесие в соответствии с новыми условиями осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Это запаздывание атомной системы характеризуют или временем запаздывания (ретардации) или, если рассматривать обратный переход системы в первоначальное состояние, временем релаксации, под которым понимают промежуток времени, необходимый для ослабления вызванного возмущения до некоторой определенной величины после устранения внешнего воздействия [20]. При пайке очень важно получить соединение с определенными свойствами, поэтому в ходе образования спая в некоторых случаях необходимо учитывать период релаксации межфазной энергии. Например, для образования рассматриваемого ниже «бездиффузионного» спая следует так вести процесс пайки, чтобы время контактирования основного металла с расплавом припоя было не больше времени релаксации. Продолжительность периода запаздывания диффузионных процессов тр приближенно можно оценить по уравнению [11]:
