Интенсивность протекания процесса диффузии при пайке зависит от многих факторов: от состояния соединяемых материалов (в материалах, свободных от внутренних напряжений, диффузия протекает значительно медленнее); от размера зерна основного металла (чем мельче зерно, тем быстрее протекает диффузия); от температуры пайки; от времени выдержки при температуре пайки и т. д.
Заключительной стадией образования паяного соединения является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. При кристаллизации происходит затвердевание тонкой прослойки расплавленного припоя, находящегося в зазоре, образованного поверхностями соединяемых деталей.
При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам и от основного металла, и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе к основному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, ближе к центру шва компонентами припоя. Кристаллизация металла шва начинается в первую очередь на поверхности основного металла, кристаллиты которого являются как бы основой для роста кристаллитов припоя. Помимо этого центры кристаллизации могут возникать и в жидком металле шва. В процессе кристаллизации в паяном шве могут фиксироваться:
– твердые растворы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться без нарушения однородности сплава;
– эвтектические структуры – механическая смесь твердых растворов компонентов, образующихся при затвердевании жидкого раствора и имеющих наиболее низкую температуру плавления по сравнению со смесями тех же веществ, взятых в других соотношениях;
– интерметаллические соединения – химические соединения в металлических сплавах.
Твердые растворы образуют металлы, имеющие общий тип кристаллической решетки и очень близкие значения межатомных расстояний.
Твердые растворы являются желательными структурами, так как при этом обеспечивается высокая прочность и пластичность паяного соединения. Эвтектические структуры в паяных швах возникают при пайке припоями эвтектического состава или образуются в результате взаимодействия припоя с паяемым металлом. Эвтектические структуры возникают, если сходство металлов недостаточно для образования твердого раствора, а разница в свойствах и строении невелика, чтобы образовать интерметаллические соединения. Припои эвтектического свойства обладают высокой жидкотекучестью, и пайка с применением их протекает наиболее легко, однако прочность паяных швов при этом ниже, чем в случае образования твердых растворов. Интерметаллические соединения образуют металлы преимущественно в том случае, если в параметрах их кристаллических решеток и в химических свойствах имеется большая разница. Интерметаллические соединения могут располагаться в виде одного или нескольких слоев по границе «основной металл–припой» или быть распределены в шве в виде включений. Качество паяного шва при образовании интерметаллических соединений между взаимодействующими металлами, как правило, будет ниже, так как эти соединения обычно имеют высокую хрупкость.
В результате протекания всех стадий процесса пайки между соединяемыми деталями возникает паяное соединение, схема строения которого приведена на рис.3.6.
Рис.3.6 Схема построения паяного соединения после кристаллизации
(пунктиром показано первоначальное положение соединяемых кромок)
Исходя из представленной схемы, можно дать определения основным элементам соединения. Паяное соединение (элемент соединяемых деталей) включает в себя паяный шов и прилегающие к нему участки основного металла.
Паяный шов – элемент паяного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации жидкой фазы.
Диффузионная зона – граничащий с паяным швом слой основного металла, образовавшийся в результате диффузии компонентов припоя в основной металл.
Рассмотренный тип образующегося спая носит название растворно-диффузионный спай. Характер диффузии и растворение в зоне спая зависят от типа соединяемых материалов и припоя, от температуры и времени их взаимодействия, поэтому в классификации спаев различают четыре основных типа:
1. Растворно-диффузионный спай – наиболее широко встречается в практике (структура и схема его образования подробно изложены ранее).
2. Бездиффузионный спай – образуется при использовании припоев с низкой температурой плавления, если температура нагрева под пайку близка к температуре плавления припоя, а время пайки ограничено временем, необходимым на смачивание и растекание. В этом случае ни заметного растворения основного металла в припое, ни диффузии припоя в основной металл практически не происходит. Соединение определяется прочностью сцепления припоя с поверхностью основного металла, а отсутствие диффузии практически не нарушает структуру паяемого элемента.
3. Контактно-реакционный спай – образуется в стыке двух материалов без припоя, если они способны образовать сплав с более низкой температурой плавления, чем температура плавления каждого из них. Например, кремний, имеющий температуру плавления 1423 °С, и золото с температурой плавления
1063 °С образуют эвтектический сплав, содержащий примерно 94 % золота с температурой плавления 370 °С. Поэтому, если кристалл кремния нагреть в контакте с золотой пленкой, то за счет взаимной диффузии образуется жидкая прослойка, которая выполнит роль припоя.
4. Диспергированный спай – образуется при пайке металлов с высокой температурой плавления. В этом случае наблюдается диффузия припоя в основной металл с образованием диффузионной зоны, но вместо растворения основного металла в припое происходит его размывание с отрывом мелкодисперсных частиц, которые остаются в припое во взвешенном твердом состоянии и после образования спая.