Глава 29. Пайка металлов

Основные понятия и определения

Пайкой называют образование соединения с межатомными связями в результате нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавле­ния, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

В качестве припоя при пайке используется металл или сплав с темпера­турой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. Для удаления оксидов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвра­щения их образования в процессе пайки применяется вспомогательный ма­териал, называемый паяльным флюсом.

Свойство материалов образовывать паяное соединение при заданном режиме пайки называется паяемостью. 524

Растекание расплавленного припоя по паяемой поверхности и его взаи­модействие с основным металлом условно протекают в три стадии.

1. Фронтальное перемещение припоя по поверхности металла характе­ризуется слабым взаимодействием припоя и основного материала; при по­вышении температуры или по мере увеличения выдержки эта стадия перехо­дит в следующую.

2. Локальное перемещение припоя и растворение паяемого металла в жидком припое характеризуются образованием легкоплавких структур (эв-тектик, твердых растворов с минимумом на кривой ликвидуса).

3. Фронтальное растворение металла в припое характеризуется интен­сивным общим взаимодействием припоя с паяемым металлом.

Формирование конкретных структур в той или иной стадии определяет­ся продолжительностью и температурой пайки, а также природой взаимо­действующих металлов.

Наиболее прочные и пластичные паяные швы обеспечиваются при обра­зовании твердых растворов, которые возникают при пайке металлов, обла­дающих общим типом кристаллических решеток и имеющих близкие значе­ния межатомных расстояний.

Менее прочным является шов с эвтектической структурой. Такая струк­тура образуется, если пайка осуществляется припоями эвтектического соста­ва (ПОС61, ПСр72) или когда основной металл и металлы, входящие в со­став припоя, недостаточно сходны по типу кристаллических решеток.

Отрицательно на прочность паяных швов влияет наличие хрупких ин­терметаллических соединений.

Процесс пайки металлов имеет много общего с процессом сварки плав­лением. Однако пайка отличается от сварки следующими характерными осо­бенностями.

1. Пайка производится при температуре ниже температуры плавления обоих или хотя бы одного из соединяемых металлов.

2. В процессе пайки между соединяемыми деталями в определенный момент находится жидкая металлическая прослойка припоя.

3. В отличие от сварки плавлением паяное соединение образуется не в результате непосредственного взаимодействия металлов соединяемых дета­лей, а вследствие взаимодействия припоя и основного металла.

4. Обязательным условием пайки являются смачивание паяемых по­верхностей припоем, диффузия компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя и последующая кристаллизация жидкой прослойки.

Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизво-

дательный технологический процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.

Пайка уменьшает, а иногда полностью исключает остаточные напряже­ния и деформации. К числу очень важных преимуществ пайки следует отне­сти возможность соединения разнородных металлов, а также металлов с не­металлами. С помощью пайки можно получать неразъемные и разъемные соединения. Последнее очень важно в производстве радиоэлектронной аппа­ратуры, когда возникает необходимость демонтажа при настройке или заме­не дефектных приборов, установленных на печатной плате.

Возможность варьировать размеры соединяемых пайкой поверхностей (величины нахлестки) позволяет обеспечить равнопрочные с основным ме­таллом соединения. При этом получается более благоприятная форма соеди­нения с меньшей концентрацией напряжений, чем при контактной сварке.

Перечисленные выше преимущества пайки позволяют рассматривать ее как прогрессивный технологический процесс, находящий все более широкое применение в производстве.

Физико-химическое взаимодействие расплавленного припоя с паяемым материалом, проявляющееся в растекании припоя или образовании мениска с краевым углом смачивания, называют смачиваемостью.

В момент полного термодинамического равновесия при условии отсут­ствия диффузии или химической реакции в системе твердое тело — жидкий припой — газ существует граница раздела всех трех фаз — твердой, жидкой, газообразной (рис. 29.1). Двугранный угол 9 между плоскостью, касатель­ной к поверхности припоя у границы смачивания, и смоченной припоем пло­ской поверхностью паяемого металла называют краевым углом смачивания. Различают равновесный краевой угол, определенный в равновесной системе паяемый материал — припой, и неравновесный.

Условие равновесия системы (рис. 29.1) может быть представлено в ви­де равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке А:

с,₃ = c₂₃ + o₁₂cos9,

где векторы, исходящие из точки
А, — силы, характеризующие ве­
личины поверхностной энергии,
приводящие к равновесию; о"2,з —
поверхностное натяжение между
жидким припоем и твердым те­
лом; CTi_>3 — поверхностное натя-
Рис. 29.1. Схема равновесия векторов сил ^{жение Me}W твердым телом (ос-
поверхностного натяжения капли жидкости новным металлом) и газом. Обе
на поверхности твердого тела: эти силы действуют вдоль твердого

/ — газовая фаза, 2 —жидкость; 3 —твердое тело тела, но в противоположных на-

правлениях: стр — сила, приводящая к растеканию жидкости по поверхности металла, т. е. сила растекания и смачивания; CTi,₂ — поверхностное натяже­ние между жидким металлом и газом, действующее по касательной к по­верхности жидкого металла. Эта сила, которая называется поверхностным натяжением и возникает в любой жидкости, стремится до минимума умень­шить поверхность капли припоя.

При отсутствии других сил поверхностное натяжение придало бы капле сферическую форму, так как из всех сил равного объема шар обладает ми­нимальной поверхностью. Гравитационные напряжения и напряжения между жидкостью и окружающей средой обычно противодействуют этому поверх­ностному натяжению так, что жидкость принимает какую либо отличную от сферы форму.

Растекание и смачивание будут иметь место, если о, ₃ > с₂₃ + с, ₂ cos9:

cos9 = -^ 2£,

°1,2

где cos9 характеризует смачивающую способность жидкости. Величина угла 9 служит показателем смачивания металла жидким припоем. Двумя предельными состояниями этого является полное отсутствие смачивания, когда 9 = 180°, и полное смачивание, когда 9 = 0°. При 0°<9<180° имеет место частичное смачивание.

При пайке существенная роль принадлежит капиллярным силам. Капил­лярные явления в паяльном зазоре обусловлены в основном тем, что криво­линейная поверхность жидкости испытывает различное давление с вогнутой и выпуклой сторон. Если р\ и р₂ — соответственно давления с вогнутой и выпуклой сторон поверхности жидкого припоя, то по первому закону капил­лярности (Лапласа) имеем

где ct_1i2 — поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой средой; R^ и /?₂ — радиусы кривизны поверхности. При малом диаметре капилляра свободная

поверхность жидкости будет иметь форму сферы, тогда R = — /cos 9, где 9 —

краевой угол смачивания. Разность давлений р\ -р₂ между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности мениска может быть выражена через высоту столба жидкости над заданным уровнем и его плотность: р,- р₂ = hyg, где у — плот­ность жидкости. Тогда уравнение Лапласа примет вид

fcos9 соэЭ^ 4с,,cos9

откуда высота подъема припоя в капилляре

4а, ₂ cos 6

В случае капиллярного течения припоя между двумя параллельными пластинками высоту подъема можно определить из тех же соотношений. Если учесть, что расстояние а между пластинами мало, а ширина пластин достаточно велика, то поверхность припоя в зазоре примет форму цилиндра, для которого Rf = a/cosQ, а /^ = оо. После преобразования получим уравне­ние для круглого капилляра

2а, ₂ cos0

hyg = —^!,

а

откуда высота подъема припоя между пластинками

2а,, cos 9

h = —Ь1——.

Wg

Ha заполнение жидким припоем зазора определенное воздействие ока­зывает состояние поверхности паяемых деталей. Припой лучше смачивает поверхность, если на ней имеется небольшая шероховатость, риски. Иногда риски, неглубокие канавки, наносят специально. Они служат дополнитель­ными капиллярами. Однако шероховатость поверхности влияет на растека­ние припоев, химически слабо воздействующих с паяемым материалом. При наличии же значительного физико-химического взаимодействия между ними жидкий припой легко растворяет шероховатые выступы. Поэтому влияние шероховатости при пайке такими припоями на их растекание менее заметно.

29.2. Способы пайки

Современные способы пайки принято классифицировать по следующим независимым признакам: удалению оксидной пленки, кристаллизации паяно­го шва, получению припоя, заполнению зазора припоем, источнику нагрева, наличию давления на паяемые детали, одновременности выполнения паяных соединений.

Классификация способов пайки по указанным признакам приведена на рис. 29.2.