Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 92 из 102)

Самым распространенным способом удаления оксидов в процессе пайки является флюсование. Флюс как химический реагент имеет два основных назначения: очистить поверхность металла от оксидов; уменьшить поверхностное натяжение припоя и угол смачивания. Типичные представители активных флюсов содержат в качестве растворителя воду или спирты, активаторами являются неорганические и органические кислоты либо их соли, например соляная или фосфорная кислота, неорганические соли (ZnCl₂, NH₃Cl, SnCl₂, CuCl и др.). При взаимодействии хлористого цинка и воды образуется соляная кислота, которая растворяет оксиды на поверхности металла:

ZnCl₂ H₂O Zn(OH)ClHCl, CuO 2HCl CuCl₂ H₂O

В результате образуется хлористая медь, которую ввиду ее хорошей растворимости в воде необходимо удалять с поверхности детали. Поскольку флюс на основе хлористого цинка обладает высокой активностью, его остатки оказывают коррозионное воздействие и должны тщательно удаляться.

Самофлюсование заключается в том, что в состав припоев вводят раскислители (бор, фосфор, литий, калий, натрий), обладающие восстановительными свойствами:

MeO P PO Me.

Примером являются припои систем Сu—P, Cu—Mn—Ni—B (ВПр4), которые используются при пайке сталей в нейтральных газовых средах или вакууме.

Ультразвуковое удаление оксидных пленок основано на введении упругих механических колебаний частотой 18—45 кГц в расплавленный припой и создании в нем кавитации, а также ряда сопутствующих явлений: звукового давления, микро- и макропотоков. Кавитацией называется явление возникновения, развития и захлопывания газовых полостей в жидкой среде. Реальные жидкости и расплавы содержат нерастворимые примеси, на поверхности которых в трещинах и углублениях могут находиться нерастворенные пузырьки газа размером 10^–6—10^–7 м. При введении в расплав УЗ-колебаний интенсивностью 10⁴ Вт/м² эти зародыши кавитации начинают пульсировать с частотой колебаний. Их количество увеличивается за счет образования разрывов в жидкой среде при интенсивностях ультразвука более 2·10⁴ Вт/м².

При захлопывании пузырька сконцентрированная в ничтожно малом объеме кинетическая энергия трансформируется частично в силовой импульс и частично в тепловую энергию. Из центра захлопнувшегося пузырька распространяется ударная сферическая волна, давление в которой на расстоянии, равном 10R₀ (по расчетным данным), составляет 150 Па, а температура — 1000 С и выше. Захлопывание кавитационных полостей и создание микропотоков в расплавленном припое приводят к удалению оксидных пленок с поверхности металла, что позволяет осуществлять пайку и лужение труднопаяемых металлов: алюминия, магния и никеля, тугоплавких металлов и сплавов на их основе.

Генерация упругих механических колебаний УЗ-частоты осуществляется магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями с частотой колебаний 22 и 44 кГц и амплитудой колебаний 10—25 мкм. Преобразователи встраиваются в ванны и паяльники, излучающие поверхности которых изготавливаются из кавитационно-стойких материалов (нержавеющие стали, титановые сплавы). Электрическая мощность установок для УЗ-пайки не превышает 0,4—2,5 кВт. Время пайки или лужения составляет 5—10 с, скорость перемещения излучателя паяльника (0,8—1,6)·10^–2 м/с, а оптимальный зазор между торцом излучателя и паяемой поверхностью 0,2—3,0 мм (рис. 6.10).

1 окисел; 2 припой; 3 излучатель паяльника; 4 кавитационный пузырек;

5 шлак; 6 металл

Рис. 6.10. Схема ультразвуковой пайки

С помощью УЗ-металлизации удается соединять непаяемые материалы — керамику, стекло, ферриты и др. Однако это требует специальных припоев, объективного контроля режимов процесса (амплитуды и частоты колебаний), а также специальных мер против повышенного окисления припоя.

Плазмохимический способ заключается в использовании энергии потока ускоренных ионов активных газов, получаемых в вакууме при ионно-плазменном или магнетронном распылении. Воздействие ионного луча на поверхность металла приводит к испарению оксидной пленки в зоне обработки. Недостатком является необходимость высокого вакуума, сложного технологического оборудования, что ограничивает применение метода.

Взаимодействие на границе "основной металл — жидкий припой" связано с процессами смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности. Процесс смачивания основного металла припоем состоит в замене межатомных связей, возникших между металлами в твердой фазе, на металлическую связь атомов на границе раздела между ними. При этом взаимодействие сил поверхностного натяжения определяет контактный угол смачивания

(рис.6.11). Условию равновесия капли на поверхности отвечает минимум свободной поверхностной энергии Е_п, под которой понимают избыток энергии поверхностных атомов вследствие несбалансированности сил связи в решетке. При этом изменение поверхностной энергии описывается уравнением Юнга:

dE

,

dS

Из этого выражения следует, что

^cos

.

Величина cos

служит параметром для количественной оценки степени смачивания:

1) полное смачивание при cos = 1, = 0;

2)

ограниченное смачивание при 0 < cos 1 (0 90^o, ζ_2,3 ζ _1,3); 3) несмачивание при –1 cos < 0 (90^o < 180^o, ζ _2,3 > ζ _1,3).

Работа сил адгезии W_а связана с образованием межфазной границы с энергией ζ _2,3 вместо единичных поверхностей с энергиями ζ _1,2 и ζ _1,3:

W_a

_2,3 .

Для преодоления сил сцепления частиц внутри самой жидкости (сил когезии) необходимо затратить работу сил когезии по образованию двух единичных поверхностей жидкости с энергиями ζ _1,2, т. е.

Wк 2 1,2 .

С учетом приведенных выражений можно получить формулу 2 W^a W^к cos.

W_к

Жидкие металлы и сплавы обладают более высоким поверхностным натяжением, чем неметаллические жидкости. Так, для припоя типа ПОС 61 ζ_1,2 = 0,5 Н/м, что на порядок превышает поверхностное натяжение воды. В этом случае образование связи под действием сил Ван-дер-Ваальса не может обеспечить смачивание. Для выполнения при пайке условия смачивания на межфазной границе должны образовываться высокоэнергетические межатомные связи химической природы с большой работой сил адгезии W_а (металлические, металлоковалентные и др.). Реальные пути улучшения смачивания заключаются в применении защитных газовых сред (снижение ζ_1,2) и более тщательной очистке контактирующих поверхностей твердой и жидкой фаз от оксидных пленок (снижение ζ_2,3).

1 газ; 2 припой; 3 основной металл

Рис.6.11. Схема равновесия сил поверхностного натяжения

При рассмотрении условий равновесия системы "припой—основной металл" во флюсовой среде (рис. 7.12) вместо ζ_1,2 вводят ζ_2,4 (межфазное натяжение на границе "флюс—основной металл"). При этом ζ_2,4< ζ_1,2, ζ_3,4< ζ_1,3, а уравнение для краевого угла имеет вид

cos

.

Для реализации условия смачивания в данном случае необходимо вытеснение припоем прореагировавшего флюса по мере удаления оксидной пленки с поверхности основного металла, что выполняется при ζ_2,3 < ζ_3,4. При достаточном химическом сродстве компонентов основного металла и припоя энергия

мала, а работа W_а велика. В этом случае реализуется второе условие смачивания: W_а >