Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Скорость процесса диффузии может меняться в зависимости от направления ее в кристалле. В металлах с кубической плотно упакованной решеткой с высокой симметрией, таких, как железо, никель, медь, алюминий, заметной анизотропии диффузии не проявляется. В этих металлах диффузия в основном имеет вакансионный механизм. В случае же диффузии в металлах, имеющих структуру с низкой симметрией, — ромбоэдрическую и гексагональную (висмут, кадмий), наблюдается резкая зависимость скорости диффузии от направления ее в кристалле. Например, коэффициент самодиффузии при 270° С в монокристалле висмута в направлении ромбоэдрической оси в миллион раз меньше, чем в перпендику-
203
лярном к ней направлении [7] По сравнению с ромбоэдрическими кристаллами гексагональные имеют более высокую симметрию, поэтому анизотропия диффузии в них сказывается значительно меньше
Диффузия при образовании соединения в процессе пайки протекает в твердой, жидкой и газообразной фазах
§ 18. ДИФФУЗИЯ В ПРОЦЕССЕ ПАЙКИ
Диффузия при пайке играет большую роль в процессе формирования паяного соединения. Смачивание, капиллярное течение, образование переходного слоя на границе фаз, выравнивание состава шва связаны с диффузией. Для образования спая между основным металлом и припоем в отдельных случаях достаточно смачивания основного металла расплавом припоя. Однако высокие скорости взаимодействия на границе между твердой и жидкой фазами, а также сравнительная длительность взаимодействия, обусловленная технологией пайки, не позволяют в обычных условиях завершить процесс на стадии смачивания. Поэтому диффузионный массоперенос на границе фаз за время выдержки при пайке получает значительное развитие. Лишь в особых условиях, как, например, при напылении жидких металлов на подложку или при низкотемпературной пай^е без подогрева основного металла, удается получить спаи, в которых массоперенос через границу фаз микрорентгеноспектральным методом не обнаруживается. Во всех других случаях имеет место взаимная диффузия между основным металлом и припоем. Наиболее активно диффузионные процессы протекают при образовании контактно-реакционного спая.
Процесс диффузии компонентов расплавленного припоя в основной металл часто протекает одновременно с процессом растворения припоем поверхности основного металла, причем особенно интенсивно по границам зерен В этом случае, чтобы отразить совместное действие обоих процессов, проникание компонентов припоя в основной металл называют миграцией. Таким образом, термин «миграция» включает в себя и диффузию, и проникание расплава припоя по границам зерен основного металла Глубина проникания припоя зависит от приро-
204
ды взаимодействующих металлов, температуры, скорости нагрева, напряжений в основном металле и т. д. На рис. 62 показаны микроструктуры швов при пайке никеля и меди церием и армко-железа золотом, из которых можно видеть, что проникание припоя по границам зерен основного металла имеет различный характер. Если при пайке никеля расплавленный припой как бы «вымывает» границу зерен, то при пайке меди церием миграция припоя носит характер внедрения не только по границам зерен, но и непосредственно в зерна, что особенно четко проявляется в случае пайки железа золотом.
Благодаря прониканию расплавленного припоя по границам зерен основного металла площадь контакта основной металл — припой увеличивается, что приводит к интенсификации процесса диффузии. Повышенная проницаемость границ зерен обусловлена как повышенной диффузионной подвижностью самой границы зерна, так и возникновением вокруг границ области с повышенной диффузионной проницаемостью, что приводит к образованию своеобразных диффузионных клиньев.
Скорость диффузии компонентов расплавленного припоя в основной металл в отдельных
случаях сильно зависит от ориентировки зерен основного металла. На рис. 63 представлена микроструктура шва при пайке никеля германием, из которой можно видеть, что диффузионный процесс вызвал своебразное декорирование зерен основного металла по границе с зоной сплавления
Рис 62 Микроструктура шва при пайке в водороде никеля (а) и меди (б) церием и армко-железа золотом (б)
Характер миграции припоя cl — температура пайки 1220° С, выдержка 60 сек Х400 б— температура пайки 1020° С выдержка 10 сек, х 650 в — температура пайки 1100° С выдержка 60 сек, Х300
205
Стадии диффузии. При образовании паяного соединения диффузионные процессы условно можно разграничить на четыре стадии:
1) диффузия в твердой фазе, предшествующая образованию в шве жидкости (до момента расплавления припоя или образования жидкой фазы при контактном плавлении) ;
2) диффузия в расплаве припоя с момента его плавления до насыщения основным металлом и образования
Рис. 63. Микроструктура шва при пайке никеля германием в среде водорода. Температура пайки 1000’ С, выдержка 60 сек, Х400
равновесной концентрации жидкости, соответствующей пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидуса диаграммы состояния взаимодействующих металлов;
3) диффузионные процессы в шве с момента установления равновесного состава жидкости в шве;
