Формирование сварного и паяного соединений

Создание надежного соединения двух материалов происходит при их тесном контакте; оно обусловлено образованием межатомных связей атомов соединяемых поверхностей. Результатом такого меж­атомного взаимодействия является формирование соединения, свой­ства которого зависят от степени близости структуры соединитель­ного слоя к структуре соединяемых объемных материалов. Если соединяются тела различной физической природы, то необ­ходимо, чтобы соединительный слой (сварной шов) обеспечивал плавный переход свойств от одного тела к другому. Только в этом случае можно надеяться на получение соединений, качественных с точки зрения эксплуатации.

Данные положения подтверждаются многими экспериментами. Например, при сближении двух идеально чистых и гладких поверх­ностей с одинаковой кристаллической структурой на малые рас­стояния (порядка 10 нм) между ними возникают силы притяже­ния. В результате соединение происходит без дополнительных за­трат энергии. Согласно данным, приведенным в гл. 1 и 5, этот процесс сопровождается уменьшением свободной энергии за счет снижения поверхностной энергии на значение, равное сумме энергий двух соединенных (исчезнувших) поверхностей. В реальных ус­ловиях таких идеальных поверхностей не встречается. Реальные по­верхности, которые необходимо соединить, имеют высокую концен­трацию физических неоднородностей и химических загрязнений, а также микронеровности, определяемые степенью чистоты обработ­ки поверхностей. Соединить такие поверхности простым соприкос­новением невозможно, так как межатомные связи могут образовы­ваться только в местах непосредственного соприкосновения отдель­ных участков поверхностей (см. рис. 4, б), площадь которых не­достаточна для образования прочного соединения.

Таким образом, даже из самых общих физико-химических пред­ставлений становится ясно, что для создания прочных соединений с заданными электрофизическими характеристиками необходима тщательная предварительная обработка соединяемых поверхностей с целью ликвидации микронеровностей (шероховатости) и удале­ния загрязнений. Такая обработка называется подготовкой поверх­ности к сварке, пайке и клейке. Иногда целенаправленную обра­ботку поверхностей совмещают с самим процессом соединения. Если соединяемые поверхности одновременно подвергаются воздействию давления, высоких температур или (и) вибрации, то ликвидиро­вать микронеровности можно, увеличив площадь соприкосновения их чистых участков. При этом усилие сжатия приводит к механи­ческому разрушению загрязняющих пленок, высокие температуры способствуют взаимной диффузии металлов через границу соеди­нения (диффузионное соединение металлов), вибрации вызывают вибрационные разрушения (измельчения) загрязняющих пленок и т. п. К таким методам создания соединений можно отнести тер­мокомпрессионную, диффузионную и ультразвуковую сварки.

Одним из основных способов сварки является сварка плавле­нием, которая применяется для соединения массивных конструк­тивных элементов, но практически неприемлема при соединении тонкопленочных устройств. Оплавленные поверхности, соприкаса­ясь друг с другом, образуют однородный расплав (сплошной слой) в зоне соединения, при затвердевании которого получается качест­венное соединение с плавным переходом физических свойств от первого материала ко второму (если материалы различны) и ма­лым изменением свойств сварного шва по сравнению с массивным образцом (для одинаковых материалов). Схема создания сварного соединения данным методом показана на рис.7. По своей фи­зико-химической природе сварка плавлением близка к пайке - важ­нейшему способу создания неразъемных электрических контактов в радиоэлектронных устройствах.

Пайка - процесс соединения твердых металлических конструк­тивных элементов с помощью специального материала - припоя, более легкоплавкого, чем соединяемые металлы. Припой в жид­ком или твердом состоянии вводится в пространство между соеди­няемыми поверхностями и при затвердевании или рекристаллизации и диффузии образует с ними прочное соединение. Припой должен обеспечивать хорошую смачиваемость соединяемых поверх­ностей, растворение поверхностных загрязнений, образование при затвердевании ненапряженных прочных и электрически эффектив­ных соединений с металлами.

Существует несколько технологических способов пайки: точеч­ная, погружением, волной припоя, оплавлением предварительно на­несенных пленок припоя (луженых) и др.

а)

Рис. 7. Схема создания сварного соединения путем плав­ления и изменение свойств П в сварном шве при соединении различных (а) и одинаковых (б) материалов:

/- соединение оплавленных поверхностей; // - образование сплошного слоя между поверхностями; /// - получение твердого сварного шва

В процессе пайки происходит оплавление соединяемых метал­лов при контакте с жидким припоем, т. е. образование низкоплавкой пары металл — припой. Неразъемное соединение металлов с помощью пайки получается при их контактном локальном плавле­нии в результате хорошего смачивания припоем, растекания, за­полнения зазоров (капиллярный зазор) и сцепления при затвер­девании жидкой фазы. Реальные процессы, протекающие при этом на поверхности паяемых металлов, довольно сложны и лишь приб­лиженно описываются уравнением

В системе металл - припой - газовая среда поверхностные на­тяжения непостоянны и в зависимости от локального действия температуры могут заметно изменяться во времени, что, в свою очередь, может привести к необратимым термическим и химическим процессам на межфазовых границах, характеризу­емым метастабильным равновесием. Вследствие этого создаются ненадежные контакты, которые легко разрушаются даже при не­значительном воздействии внешних факторов (эксплуатации).

Изложенные данные о природе сварных и паяных соединений позволяют условно разделить процесс создания соединения метал­лов на три стадии:

1) сближение соединяемых материалов на расстояние, при ко­тором возможно межатомное взаимодействие (образование физи­ческого контакта);

2) возникновение межатомной связи (металлического или хи­мического типа), обеспечивающей прочное «сцепление» соединяе­мых материалов;

3) формирование соединения с заданными физическими и элек­трическими свойствами в результате специальной обработки соеди­нительного слоя (сварного или паяного шва).

К таким видам обработки можно отнести отжиг дефектов, вза­имную диффузию материалов и рекристаллизацию в результате специальных режимов нагрева и охлаждения системы металл - соединительный слой.

На третьей стадии может происходить зарастание замкнутых микро- и макроскопических пор и релаксация напряжений, что улучшает качество соединительного слоя. Условия и режимы про­ведения процесса выбираются в каждом конкретном случае исходя из свойств и природы соединяемых материалов и требований, предъ­являемых к ним.