Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 93 из 102)

ζ2,4 .

1 газ; 2 флюс; 3 припой; 4 основной металл

Рис. 6.12. Схема равновесия сил поверхностного натяжения во флюсовой среде

Растекание припоя по поверхности основного металла происходит в результате взаимодействия сил поверхностного натяжения и сопровождается сближением жидкой и твердой фаз. Коэффициент растекания определяется из условия разности работ сил адгезии и когезии:

W_а W_{к 1,2}(cos 1) 0.

При смачивании и растекании припой заполняет зазоры между соединяемыми деталями, образуя мениски вблизи вертикальных стенок и проявляя тем самым капиллярные свойства. Разность давлений, действующих на искривленную поверхность жидкости, называют капиллярным давлением p_к, которое определяется уравнением Лапласа:

p_к

,

где p₁, p ₂ — давление жидкости для выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно; R₁, R₂ — радиусы кривизны рассматриваемого элемента поверхности.

Для выпуклой поверхности Р_к считают положительным и направленным внутрь жидкости, для вогнутой поверхности Р_к отрицательно и направлено наружу от поверхности жидкости. При малом диаметре D капилляра свободная поверхность жидкости имеет форму сферы (рис. 7.13) радиусом

Подставив значение радиуса мениска в уравнение Лапласа, получим p₁.

Разность давлений p₁ – p ₂ уравновешивается столбом расплавленного припоя высотой h:

.

D

Из уравнений видно, что высота подъема припоя в капилляре круглого сечения прямо пропорциональна его поверхностному натяжению и смачивающей способности и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности припоя:

h

.

Отличие расплавов припоев от обычных жидкостей состоит в том, что жидкий припой представляет собой систему, состоящую из нескольких компонентов, и в процессе его растекания происходит физико-химическое взаимодействие компонентов и основного металла, дополнительное растворение элементов основного металла в припое, взаимодействие с газовыми и флюсующими средами. При вытеснении припоем флюса из капилляра высота подъема припоя будет определяться выражением

_h1 D 4g (1,2_прcos _ф ) .

В горизонтальном капилляре шириной h для припоя с вязкостью

время затекания t на длину капилляра L определяется следующим образом:

2

t.

На втором этапе физико-химического взаимодействия припоя и основного металла основную роль играют процессы диффузии. Теоретически процесс диффузии при постоянной температуре и стационарном во времени потоке вещества описывается первым уравнением Фика:

m

,

где m — количество диффундирующего вещества; D — коэффициент диффузии; С — концентрация вещества; x — координата. Минус указывает на то, что процесс диффузии идет в направлении уменьшения концентрации вещества.

Рис. 7.13. Схема подъема жидкости в капилляре

В реальных условиях скорость диффузии — величина переменная во времени, поэтому процесс диффузии описывается вторым уравнением Фика:

,

где C _t — скорость изменения концентрации диффундирующего вещества.

Коэффициент диффузии зависит от температуры:

D D₀ e Q (R T) ,

где D₀ — коэффициент, зависящий от типа кристаллической решетки; Q — энергия активации диффузии; R — универсальная газовая постоянная: R = 8,31 кДж/(кмоль·град); Т — абсолютная температура.

Для практических целей решение второго уравнения Фика имеет вид

C_x

,

где С_х — концентрация диффундирующего вещества на глубине x от поверхности; С₀ — концентрация элемента на поверхности; Ф — интеграл функции ошибок Гаусса.

На скорость процесса диффузии помимо температуры оказывает влияние состояние металла. Наклеп, сопровождающийся искажением кристаллической решетки и появлением вакансий, увеличивает диффузию по границам зерен и вдоль дислокации, что приводит к увеличению диффузионной зоны. Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить механическую прочность соединений, однако образование интерметаллидных соединений в спае типа Cu₃Sn, AuSn₂ при глубокой взаимной диффузии компонентов вызывает снижение прочности паяных соединений.

Процесс кристаллизации при пайке сопровождается затвердеванием жидкой металлической прослойки расплавленного металла, находящегося в зазоре.

Основными особенностями кристаллизации при пайке являются:

неравновесность процесса, т. е. отсутствие выравнивания состава в жидкой

фазе, что приводит к выделению в паяном шве наряду с легкоплавкими тугоплавких фаз повышенной хрупкости; влияние основного металла, которое проявляется в эпитаксиально-

ориентированной кристаллизации зерен припоя вблизи поверхности основного металла; ярко выраженная ликвация в паяном шве — появление зональных

неоднородностей, дендритных образований, отличающихся меньшей прочностью; зависимость характера кристаллизации от объема припоя в зазоре.

Для получения надежных паяных соединений применяют эвтектические припои с узкой зоной кристаллизации, а также уменьшают время кристаллизации, что способствует получению мелкозернистой структуры спая. В результате физико-химического взаимодействия припоя и основного металла образуется паяное соединение с определенной структурой. Паянный шов включает зону сплавления (припой) и образовавшиеся диффузионные зоны на границе между припоем и основным металлом (рис. 6.14.).

Конечная структура и состав паяного соединения зависят от природы взаимодействующих металлов, их химического сродства, времени и температуры пайки. Различают следующие спаи:

бездиффузионный, в котором существующими методами анализа не удается

обнаружить зоны диффузии; такой спай образуется между металлами со слабым химическим сродством, низким коэффициентом взаимной диффузии, малым временем пайки и ограниченной температурой (например, соединение Fe—Sn); растворно-диффузионный, в котором реагирующие компоненты образуют твердые растворы или промежуточные фазы (интерметаллиды, например Au—Sn,

Ag—Sn и др.); контактно-реакционный, который возникает при контакте металла с полупроводником; в результате образуется эвтектический сплав с низкой температурой плавления (Au—Si).

1,5 соединяемые детали; 2,4 зоны диффузии; 3 припой

Рис. 6.14. Структура паяного соединения

6.3. ПРИПОИ, ФЛЮСЫ, ПАСТЫ

Припои предназначены для горячего облуживания поверхностей и образования паяного соединения деталей при сборке и монтаже конструкций ЭА и должны удовлетворять следующим требованиям: высокая механическая прочность в заданных условиях эксплуатации, высокие электропроводность и теплопроводность, герметичность, стойкость против коррозии, жидкотекучесть при температуре пайки, хорошее смачивание основного металла, малый температурный интервал кристаллизации.

По температуре плавления припои подразделяются на следующие группы

(ГОСТ 17349—71): особолегкоплавкие, Т_пл 145 С; легкоплавкие, 145 С < Т_пл 450 С; среднеплавкие, 450 С < Т_пл 1100 С; высокоплавкие, Т_пл > 1100 С. Прежнее деление (низкотемпературные, Т_пл < 450 С, и высокотемпературные) устарело. В производстве ЭА используются припои первых трех групп. Основную группу легкоплавких припоев составляют оловянно-свинцовые припои системы Pb—Sn (рис.6.15).