Способы пайки по удалению оксидной пленки

Флюсовая пайка. Для обеспечения удаления оксидов с поверхно­сти паяемых металлов и припоя, а также для предупреждения образования

I

о

Я

о

о

Флюсовая -		10'
Ультразвуковая
Т» t
В нейтральной газовой среде
В вакууме
Готовым полностью расплавляемым припоем		И"
Композиционным припоем
Контактно-реактивная
Реактивно-флюсовая
Капиллярная	"1	По заполнению зазора припоем
Некапиллярная
Кристаллизация при охлаждении
Кристаллизация при выдержке (диффузионная) -	J
Паяльником		«а* ИР Saiq
Нагретыми штампами
Нагретыми блоками
Нагревательными матами
Нагретым газом
Погружением в расплавленную соль
Погружением в расплавленный припой
Волной припоя *"
Экзотермическая	Я
Электролитная
В печи
Газопламенная
Световыми лучами
Инфракрасными лучами
Лазерная	вв!
Электронно-лучевая
Плазменная	: ~1
Дуговая
Индукционная
Электросопротивлением
	и Я 11 §1 Sill 1111 " 1?
Без давления
Под давлением	J
Одновременная
Неодновременная (ступенчатая)

I

новых оксидов при нагреве в процессе пайки применяются паяльные флюсы. Пайка с применением флюса называется флюсовой. Флюсы могут быть твер­дыми (порошкообразные смеси различных солей), жидкими (водные раство­ры хлористых солей или спиртовые растворы органических соединений), а также газообразными. Интенсивность воздействия флюсов на оксидную пленку ограничена их температурным интервалом активности. Нижний пре­дел этого интервала — минимальная температура, при которой флюс вступа­ет во взаимодействие с оксидами. С повышением температуры активность флюса возрастает. По достижении максимальной температуры активность флюса значительно снижается из-за выгорания, испарения или улетучивания отдельных его компонентов.

Механизм воздействия флюса на оксиды металлов сложен, многообра­зен и включает в себя: растворение оксидной пленки основного металла и припоя во флюсе; химические взаимодействия флюса с оксидной пленкой, в результате чего образуются легкоплавкие шлаки; химическое взаимодейст­вие флюса с основным металлом, в результате чего происходит постепенное разрушение оксидной пленки, отрыв ее от основного металла и перевод в шлак; восстановление оксидной пленки.

В реальных условиях пайки эти процессы зачастую взаимосвязаны или протекают параллельно.

Пайка в активной газовой среде. В качестве восстанови­тельной газовой среды применяется водород или его заменители: оксид уг­лерода, азотно-водородная смесь, получаемая посредством диссоциации ам­миака при нагреве выше 535 °С:

2NH₃=N₂ + 3H₂

Восстановление оксидов идет по реакции

МеО + Н₂ = Ме + Н₂0

Необходимо отметить, что вследствие взрывоопасности водород приме­няют редко и, как правило, в печах малого размера.

Пайка в нейтральной газовой среде. В качестве ней­тральных газовых сред используют аргон, гелий, азот. Инертные газы предо­храняют паяемый металл и припой от окисления в процессе пайки. Если же в пространство печи или контейнера, в которых ведется пайка, аргон постоянно подавать под некоторым давлением, т. е. пайку вести в проточной нейтральной среде, то часть кислорода вместе с воздухом вытесняется и парциальное давле­ние его в контейнере или печи становится меньше. Тем самым создаются усло­вия для непрерывного самопроизвольного распада оксидов — диссоциации.

Чтобы активизировать нейтральные газовые среды, в них часто добав­ляют газообразные флюсы: фтористый водород (HF), трехфтористый бор (BF₃) и другие, которые, взаимодействуя с оксидной пленкой, способствуют ее удалению. 530

Пайка в вакууме. Бесфлюсовая пайка с применением разреженно­го газа при давлении ниже 10⁵ Па называется пайкой в вакууме. При созда­нии в печи или контейнере вакуума с определенной степенью разрежения парциальное давление кислорода становится ниже упругости диссоциации оксидов. Эти условия необходимы для диссоциации оксидов и предупрежде­ния повторного окисления поверхностей паяемых деталей при нагреве в процессе пайки. В вакууме обычно паяют медь, никель, вольфрам, титановые сплавы, высоколегированные и жаропрочные стали. Сплавы, содержащие в своем составе значительное количество алюминия или хрома, при пайке в низком и среднем вакууме требуют дополнительного флюсования, так как оксиды алюминия и хрома очень устойчивы, имеют малое давление пара и начинают испаряться при высоких температурах, близких к температурам их плавления.

Ультразвуковая пайка. Для удаления оксидов с поверхности некоторых металлов (например, алюминия) при низкотемпературной пайке применяют способ их ультразвукового разрушения. Он основан на свойстве упругих механических колебаний ультразвуковой частоты при прохождении через жидкости вызывать кавитацию. Ультразвуковые колебания создаются в расплавленном припое, нанесенном на паяемый металл специальным па­яльником.

Способы пайки по кристаллизации паяного шва

Кристаллизация при охлаждении. Как правило, температу­ра нагрева при пайке на 50—100° выше температуры плавления припоя. При этой температуре вследствие взаимодействия основного металла и припоя образуется сплав в жидком состоянии, из которого формируется структура паяного шва. При окончании нагрева паяемые детали охлаждаются и начи­нается кристаллизация паяного шва.

На структуру и свойства паяного шва влияют не только физико-хими­ческие свойства образовавшегося в шве сплава, температура пайки, процесс диффузии, но и в значительной степени скорость охлаждения. Медленное охлаждение способствует образованию более равновесной структуры и, сле­довательно, прочного и пластичного паяного соединения.

Кристаллизация при выдержке (диффузионная пайка). Диффузионной называется такая пайка, при которой образование паяного со­единения совмещено с изотермической обработкой. Изотермическая обработка обусловливает прохождение диффузии с целью направленного изменения свойств паяного соединения, в том числе посредством кристаллизации металла шва при температуре пайки, которая выше температуры солидуса припоя.

Скорость диффузии, как известно, зависит от коэффициента диффузии и концентрации диффундирующих элементов на границе раздела.

Диффузионная пайка обеспечивает более гомогенный (однородный) со­став паяного шва, позволяет повышать его прочность и пластичность из-за предотвращения образования интерметаллидных прослоек или растворения их в основном металле.

Способы пайки по получению припоя

Пайка готовым полностью расплавляемым припо-е м. Пайка, при которой используется заранее изготовленный припой, назы­вается пайкой готовым припоем.

При печной и других видах групповой пайки готовый припой наносится в процессе сборки дозированными заготовками, представляющими собой кольца, изготовленные из проволоки, шайбы, штампованные из фольги или ленты, и т. д. При газопламенной пайке припой подается в зону шва с пла­вящегося конца прутка. При пайке паяльником припой наносится на паяе­мую поверхность с помощью облуженной части жала паяльника.

Пайка композиционным припоем. При этом способе пайки используется припой, содержащий в своем объеме наполнитель. Под напол­нителем следует понимать материал, который применяется для образования в паяльном зазоре системы капилляров или для обеспечения специальных свойств паяного соединения. Применяются следующие типы припоев:

а) полученный спеканием порошка или волокон тугоплавкого материала
с последующей пропиткой жидкой легкоплавкой фазой;

б) состоящий из порошка или волокон тугоплавких составляющих, смо­
ченных легкоплавкой жидкой фазой;

в) состоящий из смеси порошков тугоплавких составляющих;

г) представляющий собой сетку, изготовленную из волокон металла-на­
полнителя и легкоплавкой составляющей припоя.

Контактно-реактивная пайка. Пайка, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления, называется кон­тактно-реактивной. Она основана на способности некоторых металлов обра­зовывать в месте контакта сплавы (эвтектики или твердые растворы), темпе­ратура плавления которых ниже температуры плавления любого из соеди­няемых металлов. В ряде случаев, когда соединяемые металлы не образуют между собой подобного типа сплавы, используют промежуточную прослой­ку или наносят покрытие на соединяемые поверхности напылением, гальва­ническим или каким-либо другим способом.

При контактно-реактивной пайке детали необходимо сдавливать. При­менение небольшого давления на первой стадии процесса создает лучший физический контакт между деталями, а также способствует выдавливанию избытка жидкой фазы. Вместе с избытками жидкости удаляются частицы оксидов, присутствие которых в паяном шве может отрицательно влиять на проч¹ ость соединения.

Реактивно-флюсовая пайка. Пайка, при которой припой обра­зуется в результате разложения компонентов флюса, называется реактивно-флюсовой. Типичным примером такой пайки является пайка алюминия флю­сом из хлорида цинка, основанная на способности алюминия вытеснять цинк из расплавленной соли при 400 °С:

3ZnCl₂ + 2А1 = 2А1С1₃ + 3Zn

Образовавшийся цинк и является припоем, соединяющим детали из алюминия. В ряде случаев металл (продукт взаимодействия основного металла с флюсом) не является припоем. Он покрывает поверхность в месте пайки и улучшает смачиваемость дополнительным припоем, кото­рый вводится в зазор. Так, с помощью флюса AgCl можно осуществить реактивно-флюсовое лужение (покрытие) титана серебром. Процесс идет по реакции

Ti + 4AgCl = TiCl₄ + 4Ag

При 350—400 °С хлорид титана в виде газа улетучивается с поверхности титана, разрушая при этом оксидную пленку Ti0₂, а восстановленное сереб­ро покрывает чистую поверхность титана, которую затем можно подвергать пайке другими способами.

Способы пайки по заполнению зазора

Капиллярная пайка. Пайка, при которой расплавленный припой заполняет паяльный зазор и удерживается в нем преимущественно поверхно­стным натяжением, называется капиллярной. Капиллярные явления присущи почти всем способам пайки. Но проявляются они в основном тогда, когда между паяемыми деталями имеется перекрытие — нахлестка — и при сборке обеспечивается паяльный зазор. В каждом конкретном случае в зависимости от применяемого источника нагрева, паяемого металла, припоев и т. д. вели­чина зазора определяется опытным путем, но для пайки наиболее распро­страненных металлов и используемых при этом припоев рекомендованы оп­тимальные величины паяльных зазоров.

Некапиллярная пайка. Пайка, при которой расплавленный при­пой заполняет зазор преимущественно под действием своей массы или при­лагаемой к ней извне силы.

К некапиллярной пайке относится пайкосварка, при которой соединяе­мым кромкам заготовок придается форма, подобная разделке кромок при сварке плавлением.

Соединение деталей осуществляется приемами, характерными для свар­ки; только в качестве присадочного металла используется припой, т. е. ме­талл или сплав, температура плавления которого ниже температуры плавле­ния основного металла.

К некапиллярной пайке можно отнести и сваркопайку. Сваркопайкой называется пайка разнородных материалов, при которой более легкоплавкий материал локально нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления, и выполняет роль припоя.

Способы пайки по источнику нагрева

Пайка в печи. Ее применение в производстве объясняется следую­щими факторами.

1. Высокой производительностью, которая обеспечивается возможно-, стью пайки сложных изделий одновременно в нескольких местах или пайки большого числа однотипных изделий, загруженных в печь с помощью кон­вейера или других средств механизации.

2. Высокой стабильностью качества паяного соединения из-за возмож­ности точного контроля температурных режимов пайки на любой стадии технологического процесса, а также создания контролируемой атмосферы при пайке (вакуум, восстановительная, инертная атмосфера).

3. Минимальными деформациями и остаточными напряжениями в пая­ных узлах в связи с равномерным нагревом и охлаждением их в процессе пайки.

Для пайки применяют печи с подогревом электросопротивлением, ин­дукционные, газопламенные. Печи могут быть с воздушной атмосферой, контролируемой атмосферой (заполненные водородом, смесью водорода с азотом или оксидом углерода, диссоциированным аммиаком) или вакуумные.

В ряде случаев более целесообразно создавать контролируемую атмо­сферу не во всем объеме печи, а в специальных контейнерах.

Индукционная пайка дает возможность осуществлять локаль­ный нагрев, обеспечивая большую скорость нагрева места пайки и, следова­тельно, высокую производительность (это ее основное отличие от других типов пайки). Процесс индукционной пайки легко поддается автоматизации, а установки для нее без особых трудностей встраиваются в автоматизиро­ванные линии. Индукционный нагрев может производиться в любой атмо­сфере, в том числе в вакууме.

От лампового или машинного генератора ток высокой частоты подводит­
ся к охлаждаемому индуктору. В паяемой детали под воздействием переменно­
го магнитного поля, образованного
током, проходящим по индуктору,
возникают мощные вихревые токи,
разогревающие ее до необходимой
температуры. Нагрев определяется
мощностью генератора, расстояни-
Рнс. 29.3. Типы индукторов: ^{ем от} индуктора по детали, а его

а — наружный; б — внутренний; в — плоский глубина — частотой тока.

Рис. 29.4.Схема нагрева пайки методом электросопротивления: а — на контактных машинах; б — с использова­нием сварочных трансформаторов; / — электроды; 2 — детали; 3 — припой; 4 — трансформатор

Некоторые типы индукторов приведены на рис. 29.3. Наряду с перечисленными ранее преимуще­ствами индукционный нагрев име­ет ряд недостатков. Это прежде всего наличие деформаций и на­пряжений вследствие неравномер­ного нагрева при пайке, опреде­ленные трудности контроля за тем­пературным режимом из-за высо­кой скорости нагрева, ограничен­ные возможности пайки крупнога­баритных изделий, а также деталей сложной конфигурации.

Пайка электросопротивлением (рис. 29.4). Как видно из рисунка, при этом методе пайки можно использовать машины для контакт­ной сварки (рис. 29.4, а) и сварочные трансформаторы (рис. 29.4, б). В обоих случаях нагрев осуществляется в результате выделения теплоты в месте кон­такта между деталями, где величина сопротивления максимальна.

Припой, размещенный между деталями в виде фольги или нанесенный предварительно на паяемые поверхности, плавится при нагреве, образуя пая­ное соединение.

К пайке электросопротивлением относится пайка с нагревом только од­ного электрода, теплота от которого передается за счет теплопроводности через деталь к месту расположения припоя. Этот метод нагрева применяется для пайки деталей малых толщин, в основном при изготовлении изделий электронной техники.

Э

I

Ьг^

---------- о о сг~ ш~У--- ^-и

Электролитная пайка. Электролитная пайка (рис. 29.5) осуществляется при контакте пая­емых деталей с водным электро­литом, через который пропускает­ся постоянный электрический ток. В качестве электролита использу­ются 10—15%-ные водные рас­творы Na₂C0₃.

Рис. 29.5. Схема пайки в электролите: / — паяемыедетали; 2 — источник тока; 3 — электрод; 4 —пузырьки водорода; 5 —электролит

Электрический ток, проходя через электролит, разлагает его. Выделившийся на стенках паяе­мых деталей водород увеличивает сопротивление прилегающего к ним слоя, что вызывает нагрев

деталей и плавление припоя. Этот метод применяется только при пайке дета­лей небольших размеров.

Пайка погружением. Существуют две основные разновидности пайки погружением в зависимости от среды, которая используется в качестве источника нагрева: пайка погружением в расплавленную соль и пайка по­гружением в расплавленный припой. В обоих случаях температура жидкой ванны на 30—50 °С выше температуры плавления припоя.

Как правило, состав соляной ванны подбирается таким образом, чтобы соли являлись флюсом для паяемого металла. Поэтому, выполняя роль теп­лоносителя и флюса, расплав солей при погружении в него деталей очищает их от оксидов и обеспечивает защиту от окисления в процессе пайки.

Пайка волной. Сущность этого процесса состоит в том, что пода­ваемый в специальное сопло механическим или магнитным способом и по­стоянно перемешиваемый припой образует над поверхностью ванны непре­рывную волну. Детали, например радиоэлементы, установленные на печат­ной плате, вместе с ней перемещают над волной припоя. Касаясь припоя, выводы деталей запаиваются. Пайка волной припоя широко распространена в производстве печатного радиомонтажа.

Недостатком метода пайки погружением в расплавленный припой и волной является расходование большого количества припоя. Кроме того, при погружении деталей в припой неизбежно облуживание всей поверхности деталей. Для уменьшения расхода припоя на поверхности деталей, не подле­жащих пайке, наносят различные покрытия, маски из эпоксидных смол, эма­лей и другие минеральные и органические покрытия.

Пайка световыми лучами. При пайке световым лучом с помощью ламп обеспечивается нагрев с малой тепловой инерционностью. Так, для квар­цевой лампы время достижения номинального энергетического потока с мо­мента ее включения составляет 0,6 с. Достоинством нагрева световыми лу­чами является бесконтактный подвод энергии, в том числе через оптически прозрачные стенки. С их помощью можно паять на воздухе, в инертной сре­де, вакууме, а также нагревать магнитные и немагнитные материалы, в широ­ких пределах регулировать температуру нагрева, визуально наблюдать за процес­сом пайки. В зависимости от типа лампы, ее мощности, подводимого к ней на­пряжения может быть получена температура от 1980 до 2930 °С.

Электронно-лучевая пайка. Электронно-лучевой нагрев при­меняется для локальной пайки, в том числе импульсной, пайки изделий элек­тронной и радиотехнической промышленности, пайки деталей из тугоплав­ких металлов. Высокая концентрация электронного пучка существенно со­кращает время нагрева и плавления припоя, что особенно важно при пайке чувствительных к нагреву тугоплавких металлов. Пайка может производить­ся как неподвижным сфокусированным лучом, так и сканирующим (совер­шающим, например, поперечные колебания). В качестве примера можно

назвать пайку электронным лучом электрических выводов к контактным площадкам пленочных микросхем.

Электронно-лучевой нагрев эффективен при пайке металлокерамиче-ских узлов, сильфонных конструкций.

Лазерная пайка. Нагрев паяемых деталей с помощью лазера явля­ется весьма перспективным, особенно при пайке микроминиатюрных дета­лей, контактов и т. п. Лазерный нагрев в определенном отношении более универсален, чем электронно-лучевой: световой луч свободно проходит сквозь прозрачные преграды, не требуется электрического контакта с дета­лью, пайка возможна не только в вакууме, но и на воздухе или в защитной атмосфере. Высокая удельная тепловая мощность лазерного луча способст­вует испарению с поверхности припоя и основного металла оксидных пле­нок, что улучшает процесс пайки.

Газопламенная пайка. Для высокотемпературной пайки могут применяться газовые горелки, в которых тепловая энергия образуется в ре­зультате сгорания какого-либо горючего газа, например ацетилена С₂Н₂, в струе кислорода.

Плазменная пайка. При использовании плазменных горелок пай­ка существляется плазмой, образуемой в плазматроне. Плазменная горелка позволяет за счет изменения силы тока, диаметра сопла регулировать в ши­роких пределах как общее количество вводимой в детали теплоты, так и ве­личину поверхности нагрева.

Пайка паяльником. С помощью паяльников производится пайка низкотемпературными припоями. Перенос теплоты в зону пайки осуществ­ляется вследствие контакта рабочей части паяльника с паяемыми поверхностями.

Существует большое разнообразие паяльников, которые различаются способом нагрева, мощностью, формой. Они могут быть с периодическим и постоянным нагревом. Паяльники с периодическим нагревом по мере их охлаждения подогреваются от постоянного источника теплоты (пламени, электрической дуги). Аккумули­рованная их массивной медной рабочей частью теплота расходу­ется на расплавление припоя и нагрев паяемых деталей. Обычно такие паяльники применяются при пайке и лужении крупногабарит­ных и массивных деталей.

Рис. 29.6. Схема ультразвукового паяльника

Для бесфлюсового лужения алюминиевых сплавов, не содержа­щих магния, применяют специаль­ный прибор, названный ультразву­ковым паяльником (рис. 29.6), кото-

рый имеет магнитострихтор 6, излучающий колебания, передающиеся наконеч­нику 5. Возбуждаемые в расплавленном припое колеблющимся наконечником кавитационные пузырьки 4 эффективно разрушают оксидные пленки 3. Обмотка магнитостриктора подключается к высокочастотному генератору 1, дающему импульсы с частотой 15—20 кГц. Наконечник нагревается спиралью 2, через которую пропускается электрический ток. При лужении наконечник должен рас­полагаться как можно ближе к поверхности детали, но не касаться ее. Наконеч­ник паяльника изготавливается из стойкого к кавитационному разрушению се­ребряно-никелевого сплава.

Облуженные с помощью ультразвука детали можно паять обычным электрическим паяльником, без флюса, с применением оловянно-цинковых или оловянно-свинцовых припоев.