Оценка качества монтажных соединений электронной аппаратуры (стр. 7 из 11)

– температура, превышающая ;

– скачок температурного коэффициента расширения при температуре выше и ниже ее.

В том случае, когда рассматривается практически чистый полимер (

) в присутствии очень малого количества диффундирующего вещества ( и т.д.), свободный объем полимера

. (2.10)

Увеличение свободного объема полимера приводит к повышению диффузионной подвижности низкомолекулярного вещества. Вместе с тем свободный объем полимера согласно формуле (2.9), возрастает при повышении температуры и концентрации растворителя или пластификатора. При этом присутствие растворителя способствует более резкому по сравнению с исходным полимером возрастанию свободного объема с повышением температуры. Теория свободного объема предполагает, что перемещение диффундирующей молекулы происходит без затрат энергии и зависит только от вероятности появления вблизи молекулы микрополости необходимого размера.

Температурная зависимость коэффициента диффузии в виде соотношения (2.9) с учетом (2.10) позволяет выявить воздействия пластифицирующих веществ, понижающих температуру стеклования полимера. При использовании органических растворителей достаточно высокой остается роль структуры полимера, поскольку вклад энергии образования свободного объема в коэффициент диффузии остается на высоком уровне.

При взаимодействии 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 массопереноса 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 растворно-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 взависимости 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-диффузионнын 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.

Несовершенство режимов и исходных материалов приводит к дефектам в соединениях. 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 Me-Пр и Пр-Me образуются из-за сильной химической связи между паяемыми металлами и припоем. По этой же причине могут появляться трещины в местах контакта паяемого металла с жидким припоем, который «охрупчивает» металл.

Одной из причин появления трещин могут быть большие внутренние напряжения при значительных различиях коэффициентов термического расширения и низкой пластичности соединяемых металлов.

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

Основой образования соединения является адгезия, которая является результатом проявления сил молекулярного взаимодействия между поверхностью и наносимым слоем, т.е. тех же сил, которые действуют между структурными частицами в самих твердых телах - ван-дер-ваальсовых, валентных, металлических и др. При образовании соединения возможно образование следующих видов связи.

Физическая универсальная ван-дер-ваальсова связь обусловливает наиболее слабую адгезию с энергией связи порядка единиц килоджоулей на моль (0,01 - 0,1 эВ/атом), и формируется во всех случаях контакта двух тел, сближенных до расстояния межмолекулярного взаимодействия. В частности, она может возникать при нанесении металлических и других слоев на загрязненные поверхности, на плохо подготовленные поверхности окисленных металлов, керамики, стекла и др., если не созданы условия для формирования иных, более мощных сил связи.

Химическая связь, более прочная возникает в результате перестройки электронных оболочек атомов при их сближении и обобществлении валентных электронов в валентных или металлических связях. Химическая связь с энергией порядка сотен килоджоулей на моль (1 эВ и более на связь) приводит к образованию весьма прочных адгезионных соединений, устойчивых к воздействию различных внешних факторов.

Разновидностью химической связи, характерной для полимерных поверхностей является водородная связь, в этом случае атом водорода связан с сильно электроотрицательным атомом. Энергия этой связи порядка 40 кДж/моль. Она реализуется при взаимодействии с гидратированной поверхностью твердого тела веществ, содержащих гидроксильные и другие полярные группы. В частности, так взаимодействует с окисленными поверхностями металлов и полупроводников вода.

Металлическая связь возникает при пайке, когда на свежее протравленную поверхность металла, освобожденную от окисла, наносится расплавленный припой, хорошо смачивающий эту поверхность. Энергия металлической связи сравнима с сравнима с энергией химической, поэтому адгезия, обусловленная ею, как правило, высока.

Такое деление адгезии по типам связи является в значительной мере условным. На практике чаще всего реализуются промежуточные виды связей. Например, связь может быть валентной, но электронное облако смещено к одному из атомов, так что связь в то же время является ионной, и т. д.

Таким образом, адгезия сопровождается образованием прослойки между МОС и соединяемыми поверхностями, физические свойства прослойки будут отличаться от свойств исходных материалов. Это дает обоснование возможности использования концепции прореагировавшего вещества (ПВ) при моделировании процессов формирования свойств МОС в составе соединения, и представляется возможным использование молекулярно – кинетического и феноменологического термодинамического описание процессов.

Молекулярно – кинетическое описание рассматриваемых процессов может быть основано на справедливости использования закона действия масс, определяющий кинетику химических реакций, допускающего следующую формулировку: «скорость химической реакции пропорциональна частоте соударений между молекулами в единице объема и, следовательно, пропорциональна мольно-объемным концентрациям W_i реагирующих веществ в данный момент, взятых в степенях, которые соответствуют их стехиометрическим коэффициентам».