Смачивание и растекание припоя, обратимое и необратимое смачивание, адгезия.

Паяное соединение получается в результате перемещения жидкой фазы по твердой и образования между ними прочной связи до затвердевания, при затвердевании и после него. Хорошая смачивающая способность припоя при этом является одним из важнейших условий получения качественного паяного соединения.

Перемещение жидкостей по поверхности твердого тела или внутри его происходит по разным причинам в зависимости от характера их физико-химического взаимодействия. В гидродинамике идеальной жидкости при определении закономерностей ее перемещения исходят из представления об однородной жидкости с заданной плотностью, не имеющей собственной формы. При этом пренебрегают особенностью состояния поверхности жидкости, отличающей ее от внутренней части. Более сложны модель вязкой жидкости и закономерности ее смещения.

В настоящее время при теоретическом изучении перемещения жидкой фазы по паяемому материалу обычно игнорируются возможные химические процессы между ними и учитываются только поверхностное натяжение и коэффициент вязкости жидкости.

Рассмотрим каплю жидкого припоя, лежащую на горизонтальной поверхности в среде флюса, исходя из предположения, что имеются идеально чистые поверхности металла, и что повторное окисление или другие воздействия окружающей среды невозможны. На рис. 5.1 показана трехкомпонентная система, в которую входят твердый металл, жидкость и газ.

1. Твердая фаза;

2. Жидкий припой;

3. Газовая фаза или флюс;

4. q - угол смачивания.

Рис. 5.1 – Схема равновесия капли жидкого металла на твердой поверхности

В момент полного термодинамического равновесия, при отсутствии диффузии или химической реакции, в системе существует граница раздела, на которой встречаются все три фазы. Фазы располагаются под некоторым углом друг к другу. Угол q, образованный касательными к границам раздела между твердым и жидким металлом, с одной стороны, и жидким металлом и газом или флюсом, с другой стороны, называется краевым углом или углом смачивания.

Рассмотрим векторы, исходящие из точки А. Три силы характеризуют величины поверхностной энергии, приводящие систему к равновесию.

Вектор s_жг представляет собой ( см. конспект)

Связь между межфазными поверхностными натяжениями определяется тремя условиями равновесия (Рис. 5.2).

а) б) в)

а) жидкая капля на поверхности;

б) по границе жидкой и твердой фаз в поликристаллическом металле;

в) по границе зерен в контакте с газом.

Рис. 5. 2 – Условия равновесия

Математически равновесие жидкой фазы в контакте с твердой и газообразной представляется в виде:

s_тг = s_жгcosq + s_тж(5.1)

Равновесие жидкой фазы в контакте с твердой представляется в виде:

s_тт = 2s_жтcosq/2 (5.2)

Равновесие твердой фазы в контакте с газообразной представляется в виде:

s_тт = 2s_тгcosq/2 (5.3)

Рассмотрим формулу (5.1). Растекание или смачивание будет иметь место, когда величина s_тг превышает сумму s_жгcosq + s_тж. Показателем соотношения между этими силами может служить величина угла смачивания q. Двумя предельными состояниями является полное отсутствие смачивания, когда q = 180⁰ и полное смачивание, когда q = 0⁰. При 0⁰ < q < 180⁰ имеет место частичное смачивание. Обычно время пайки слишком мало и система затвердевает до наступления равновесия.

Диапазон угла смачивания (0⁰¸180⁰) можно разделить на три интервала следующим образом (Рис. 3):

1 2 3

1 – полное отсутствие смачивания

2 – полное смачивание

3 – частичное смачивание

Рис. 5.3 – Диапазоны углов смачивания

а) q > 90⁰. Если бы система имела возможность затвердевать после достижения полного равновесия, то условие q > 90⁰ указало бы на отсутствие смачивания поверхности твердого металла жидким. Форма капли жидкого припоя определяется в этом случае действием сил тяжести и поверхностного натяжения.

Если система затвердела до того, как было достигнуто термодинамическое равновесие, то соотношение q > 90⁰ указывает на явление, называемое скатыванием припоя. При скатывании на металле остаются следы смачивания, в противном случае поверхность несмачиваемая.

б) 90⁰ > q > М. Данное соотношение указывает на условия предельного смачивания. Обычно М = 75⁰, и если не созданы некоторые необходимые условия, то смачивание такого типа при пайке неприемлемо.

в) q < М. Это неравенство является условием хорошего смачивания. Если необходимо, чтобы паяное соединение было высокого качества, то величину угла М следует брать менее 75⁰.

Движущая сила при растяжении припоя в процессе пайки зависит от краевого угла q, определяемого как

(5.4)

Наилучшие условия создаются при увеличении межфазной поверхностной энергии на границе твердое тело – газ и жидкое тело – газ и уменьшении этой энергии на границе твердое тело – жидкость.