Структура паяных соединений

В зависимости от физико-химических свойств основного металла и припоя, а также режимов пайки, переходный слой (спай) между ними может иметь различное строение. При взаимодействии чистых металлов, т. е. когда пленки оксидов с основного металла и жид­кого припоя удалены, можно получить спаи нескольких видов: бездиффузионные, растворно-диффузионные, контактно-реакцион­ные, диспергированные.

Взаимодействие основного металла и расплавленного припоя, протекающее при недостаточном нагреве и ограниченное во вре­мени, может происходить на стадии хемосорбции, когда процессы диффузии на межфазной границе не получили развития. Получен­ный спай называют бездиффузионным. Он образуется при малом времени контакта твердого и жидкого металлов. Бездиффузион­ный спай без массопереиоса основного металла и припоя в обыч­ных условиях пайки получить практически невозможно. Такой спай можно создать в специальных условиях, например при на­пылении припоев на основной металл и регулировке температуры подложки.

Спай, возникающий в зоне контакта твердого и жидкого ме­таллов при их высоких взаимных растворимости и диффузии, на­зывается расгворно-диффузионным. В зависимости от природы основного металла и припоя растворно-диффузионный спай может образовываться металлами с неограниченной и (или) ограничен­ной взаимной растворимостью, а также металлами, создающими эвтектические и (или) перитектические сплавы и химические сое­динения. С увеличением температуры и времени пайки бездиффу­зионный спай может превращаться в растворно-диффузионный.

Строение спаев различно в зависимости от характера и про­должительности взаимодействия металла и припоя на межфазо­вой границе. Если припой не насыщается металлом до концен­траций, соответствующих линии ликвидуса, то происходит неизо­термическая кристаллизация шва, вследствие чего спай пред­ставляет собой смесь кристаллических образований, возникаю­щих в результате выделения избыточного компонента сплава при быстром охлаждении шва.

Если достигается изотермическая кристаллизация (медленное охлаждение), то формируется диффузионная зона. Спай в этом случае имеет структуру, характерную для этого вида кристалли­зации в соответствии с диаграммой состояния металл - припой. При длительных выдержках изотермическая кристаллизация при­поя может произойти во всей зоне сплавления, образуя растворно-диффузионный спай.

Расплавленные припои, смачивая твердый металл, оказывают на него адсорбционное воздействие. В зависимости от условий под влиянием адсорбционного воздействия основной металл может стать более пластичным или более хрупким, а также обнаружить склонность к самопроизвольному диспергированию. Адсорбцион­ное понижение прочности твердых металлов под действием распла­вов более легкоплавких металлов наблюдается у металлов, диа­грамма состояния которых является эвтектической с узкой об­ластью твердых растворов.

При пайке в области эвтектической температуры жидкая фаза имеет эвтектический состав. При более высоких температурах концентрация жидкой фазы изменяется согласно линии ликвидуса и соответствует точке пересечения ее с изотермой температуры пайки.

Жидкая фаза возникает в зоне контакта металлов преимуще­ственно на границах зерен и дефектах их структуры. В отдель­ных случаях она образуется в объеме зерен. Например, при пайке меди серебряными припоями наблюдается образование жидкой фазы в зернах серебра.

При большом количестве твердых частиц в шве затвердева­ние зоны сплавления носит характер спекания порошков в при­сутствии жидкой фазы. В результате образуется диспергирован­ный спай.

Дефекты в паяных соединениях появляются в результате несо­вершенства механизма пайки. Например, непропаи и неспаи воз­никают при плохом смачивании паяемых металлов жидким при­поем, приводящем к неполному затеканию припоя в зазор. Хруп­кие прослойки химических соединений или интерметаллидов на поверхностях раздела Ме -Пр и Пр-Ме образуются из-за силь­ной химической связи между паемыми металлами и припоем. По этой же причине могут появляться трещины в местах контакта паяемого металла с жидким припоем, который «охрупчивает» ме­талл. Трещины могут также возникнуть вследствие больших внутренних напряжений при значительных различиях коэффициен­тов термического расширения и низкой пластичности соединяемых металлов.

В большинстве случаев общей причиной возникновения дефек­тов в паяных соединениях является несовершенство контактных процессов на межфазовых поверхностях при большом различии состояний этих поверхностей (например, неизотермичность поверх­ностей контакта, наличие на них оксидных пленок, влаги или (и) жиров и т. п.).

Для формирования качественного паяного соединения необхо­димо создать определенные условия, которые обеспечили бы про­текание таких процессов на границе основной металл - припой и в области припоя, как флюсование, смачивание, капиллярное те­чение, диффузия, растворение, кристаллизация.

Поскольку физико-химические основы этих процессов, кроме флюсовапия, были рассмотрены в предыдущих главах, кратко остановимся только на процессе флюсования.