釺焊知識_釺焊特點_釺焊理論

   時間:2014-03-07 14:17:04
釺焊知識_釺焊特點_釺焊理論簡介
釺焊分為硬釺焊和軟釺焊。主要是根據釺料(以下稱焊料)的熔化溫度來區分的,一般把熔點在450℃以下的焊料叫作軟焊料,使用軟焊料進行的焊接就叫軟釺焊;把熔點在450℃以上的焊料叫作硬焊料,使用……
釺焊知識_釺焊特點_釺焊理論正文

釺焊分為硬釺焊和軟釺焊。主要是根據釺料(以下稱焊料)的熔化溫度來區分的,一般把熔點在450℃以下的焊料叫作軟焊料,使用軟焊料進行的焊接就叫軟釺焊;把熔點在450℃以上的焊料叫作硬焊料,使用硬焊料進行的焊接就叫硬釺焊。在美國MIL SPEC軍用標準中,是以800?(429℃)的金屬焊料的熔點作為區分硬釺焊和軟釺焊的標準。
電子裝聯用錫焊是一種軟釺焊,其焊料主要使用錫Sn、鉛Pb、銀Ag、銦In、鉍Bi等金屬,目前使用最廣的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag系列共晶焊料,熔點一般在185℃左右。

釺焊意味著固體金屬表面被某種熔化合金浸潤。這種現象可用一定的物理定律來表示。如果從熱力學角度來考慮浸潤過程,也有各種解釋的觀點。有一種觀點是用自由能來解釋的。
?F=?U-T?S 在這裡,F是自由能,U是內能,S是熵。 ?F與兩種因素有關,即與內能和熵的改變有關。一般S常常趨向於最大值,因此促使-T?S也變得更小。實際上,當固體與液體接觸時,如果自由能F減少,即?F是負值,則整個系統將發生反應或趨向於穩定狀態。由此可知,熵是浸潤的促進因素,因為熵使?F的值變得更小。 ?F的符號最終決定於?U的大小和符號,它控制著浸潤是否能夠發生。為了產生浸潤,焊料的原子必須與固體的原子接觸,這就引起位能的變化,如果固體原子吸引焊料,熱量被釋放出來,?U是負值。如果不考慮?U的大小和量值,那麼,熵值的改變與表面能的改變有同樣的意義,浸潤同樣是有保證的。在基體金屬和焊料之間產生反應,這就表明有良好的浸潤性和粘附性。如果固體金屬不吸引焊料,?U是正值,這種情況下,取決於?U在特殊溫度下的大小值,才能決定能否發生浸潤。這時,增加T?S值的外部熱能,能對浸潤起誘發作用。這種現象可以解釋弱浸潤。在焊接加溫時,表面可能被浸潤,在冷卻時,焊料趨於凝固。在開始凝固的區域,?U是正值,其值比T?S大得多,當?F最終變為正值時,浸潤現象就發生了。

有兩種情況,一種是兩種浸潤材料互相發生浸潤,導致結合,二者都呈現低表面能,這時的焊點具有良好強度。單純的粘附作用不能產生良好的浸潤性。假如把兩種原子構成的固體表面弄得很光滑,在真空中疊合在一起,它們可能粘附在一起,這種現象是兩個光滑斷面之間的范德華力作用。這種結合接度以范德華力為基礎,超過了任何接點的應用強度。生產中不會出現這種情況,因為范德華力是在很短距離時才起作用。實際工程上,表面都且有粗糙性,阻止原子密切接觸。可是在一些局部,原子結合力也會起作用,這是很微小的。實際上,從宏觀來觀察時,也包括范德華力在內。
一般情況下,低表面能的材料在高表面能的材料上擴展,在這種情況下,整個系統的表面自由能減小。一個系統兩個元件表面自由能相同時,就不發生擴展,或者說停止了擴展。
電子裝聯常用的錫-鉛系列焊料焊接銅和黃銅等金屬時,焊料在金屬表面產生潤濕,作為焊料成分之一的錫金屬就會向母材金屬中擴散,在界面上形成合金屬,即金屬間化合物,使兩者結合在一起。在結合處形成的合金層,因焊料成分、母材材質、加熱溫度及表面處理等因素的不同會有變化。釺料的機理必須從以下

 

幾個方面來解釋:

1、擴散理論
2、晶間滲透理論
3、中間合金理論
4、潤濕合金理論
5、機械嚙合理論

漫流

漫流也叫擴展或鋪展,它是一種物理現象,服從一般的力學規律,沒有金屬化學的變化。通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。正如前面所述,漫流過程就是整個系統的表面自由能減小的過程。一個系統兩個元件自由能相同時,不會產生漫流。在電子錫焊裝聯中,我們所討論的一般都是液相體在固體表面上的漫流,漫流與液體的表面能,固體的表面性質等有關。這是一種液體沒固體表面的流動即流體力學問題,同時也有毛細作用。漫流是浸潤的先決條件。

浸潤(Wetting)

軟釺焊的第一個條件,就是已熔化的焊料在要連接的固體金屬的表面上充分漫流以後,使之熔合一體,這樣的過程叫作“浸潤”(或潤濕)。 粗看起來,金屬表面是很光滑的。但是,若用顯微鏡放大看,就能看到無數凹凸不平,晶粒界面和划痕等,熔化的焊料沒著這種凹凸與傷痕,就產生毛細作用,引起漫流浸潤。

產生浸潤的條件

為了使已熔焊料浸潤固體金屬表面,必須具備一定的條件。條件之一就是焊料與固體金屬面必須是“清潔”的,由於清凈,焊料與母材的原子間距離就能夠很小,能夠相互吸引,也就是使之接近到原子間力能發生作用的程度。斥力大於引力,這個原子就會被推到遠離這個原子的位置,不可能產生浸潤。當固體金屬或熔化的金屬表面附有氧化物或污垢時,這些東西就會變成障礙,這樣就不會產生潤濕作用,金屬表面必須清潔,這是一個充分條件。
由於本論壇不支持文檔中夾圖表,因此在這裡省略金屬結構和原子相互作用力的示意圖解釋,請大家海涵。

表面張力

表面張力是液體表面分子的凝聚力,它使表面分子被吸向液體內部,並呈收縮狀(表面積最小的形狀)。液體內部的每個分子都處在其它分子的包圍之中,被平均的引力所吸引,呈平衡狀態。但是,液體表面的分子則不然,其上面是一個異質層,該層的分子密度小,平均承受垂直於液面、方向指向液體內部的引力。其結果,出現了在液體表面形成一層薄膜的現象,表面面積收縮到最小,呈球狀。這是因為體積相同、表面積最小的形狀是球體。這種自行收縮的力是表面自由能,這種現象叫做表面張力現象,這種能量叫做表面張力或表面能。這個表面能是對焊料的潤濕起重要作用的一個因素。

毛細管現象

將熔化的清潔的焊料放在清潔的固體金屬表面上時,焊料就會在固體金屬表面上擴散,直到把固體金屬潤濕。這種現象是這樣產生的:焊料藉助於毛細管現象產生的毛細管力,沿著固體金屬表面上微小的凸凹面和結晶的間隙向四方擴散。
液態金屬不同於固體金屬,其點陣排列不規則,以原子或分子的形態做布朗運動。因此,處在這種狀態下的金屬具有粘性和流動性,而沒有強度。在這種情況下,金屬在熔點附近的體積變化為3~4%左右。
關於毛細現象,有多種圖表進行解釋,初中物理課本的水銀和水在細玻璃管壁的平衡形態,就是一個很好的解說。毛細原理是液態金屬和固體金屬間潤濕的基礎,有一個著名的托馬斯-楊公式表示,大致是液態金屬原子之間的作用力,液態金

 

屬和固體金屬原子之間的作用力,液態金屬原子和環境(空氣、助焊劑等)原子作用力之間,三者的合力與液體球面切線的夾角,指向液態金屬擴展的方向,則具有潤濕的傾向,夾角越大,則潤濕能力越強。具體可查閱相關資料。

擴散(Diff usion)

前面對軟釺焊中的重要條件——浸潤問題作了敘述,與這種浸潤現象同時產生的,還有焊料對固體金屬的擴散現象。由於這種擴散,在固體金屬和焊料的邊界層,往往形成金屬化合物層(合金層)。
通常,由於金屬原子在晶格點陣中呈熱振動狀態,所以在溫度升高時,它會從一個晶格點陣自由地移動到其它晶格點陣,這人現象稱為擴散現象。此時的移動速度和擴散量取決於溫度和時間。例如,把金放在清潔的鉛面上,在常溫加壓狀態下放幾天,就會結合成一體,這類的結合也是依靠擴散而形成的。
一般的晶內擴散,擴散的金屬原子即使很少,也會成為固溶體而進入基體金屬中。不能形成固溶體時,可認為只擴散到晶界處。因在常溫加工時,靠近晶界處晶格紊亂,從而極易擴散。
固體之間的擴散,一般可認為是在相鄰的晶格點陣上交換位置的擴散。除此之外,也可用複雜的空穴學說來解釋。當把固體金屬投入到熔化金屬中攪拌混合時,有時可形成兩個液相。一般說來,固體金屬和熔化金屬之間就要產生擴散。下面,就介紹這些金屬間發生的擴散。

擴散的分類

擴散的程度因焊料的成分和母材金屬的種類及不同的加熱溫度而異,它可分成從簡單擴散到複雜擴散幾類。
大體上說,擴散可分為兩類,即自擴散(Self-diffusion)和異種原子間的擴散——化學擴散(Chemical diffusion)。所謂自擴散,是指同種金屬原子間的原子移動;而化學擴散是指異種原子間的擴散。如從擴散的現象上看,擴散可分為三類:晶內擴散(Bulk diffusion)、晶界擴散(Grain-boundary diffusion)和表面擴散(Surface diffusion)。
通過擴散而形成的中間層,會使結合部分的物理特性和化學特性發生變化,尤其是機械特性和耐腐蝕性等變化更大。因此,有必要對結合金屬同焊料成分的組合進行充分的研究。

1、表面擴散:

結晶組織與空間交界處的原子,總是易於在結晶表面流動。可認為這與金屬表面正引力作用有關。因此,熔化焊料的原子沿著被焊金屬結晶表面的擴散叫做表面擴散。表面擴散可以看成是金屬晶粒形核長大時發生的一種表面現象,也可以認為是金屬原子沿著結晶表面移動的現象,是宏觀上晶核長大的主要動力。當氣態金屬原子在固體表面上凝結時,撞到固體表面上的原子就會沿著表面自由擴散,最後附著在結晶晶格的穩定位置上。這種情況下的原子移動,也稱為表面擴散。一般認為,這時的擴散活動能量是比較小的。如前如述:表面擴散也分為自擴散和化學擴散兩種。
用錫-鉛系列焊料焊接鐵、銅、銀、鎳等金屬時,錫在其表面有選擇地擴散,由於鉛使表面張力下降,還會促進擴散。這種擴散也屬表面擴散。

2、晶界擴散:

這是熔化的焊料原子向固體金屬的晶界擴散,液態金屬原子由於具有較高的動能,沿著固體金屬內部的晶粒邊界,快速向縱深擴展。與異種金屬原子間晶內擴散相比,晶界擴散

 

是比較容易發生的。另外,在溫度比較低的情況下,同後面說到的體擴散相比,晶界擴散容易產生,而且其擴散速度也比較快。
一般來說,晶界擴散的活化能量可比體擴散的活化能量小,但是,在高溫情況下,活化能量的作用不佔主導地位,所以晶界擴散和體擴散都能夠很容易地產生。然而低溫情況下的擴散,活化能量的大小成為主要因素,這時晶界擴散非常顯著,而體擴散減少,所以看起來只有晶界擴散產生。
用錫-鉛焊料焊銅時,錫在銅中既有晶界擴散,又有體擴散。另外,越是晶界多的金屬,即金屬的晶粒越小,越易於結合,機械強度也就越高。 由於晶界原子排列紊亂,又有空穴(空穴移動),所以極易熔解熔化的金屬,特別是經過機械加工的金屬更易結合。然而經過退火的金屬,由於出現了再結晶、孿晶,晶粒長大,所以很難擴散。經退火處理的不鏽鋼難以焊接就是這個道理。為了易於焊接越見,加工后的母材的晶粒越小越好。

3、體擴散(晶內擴散)

熔化焊料擴散到晶粒中去的過程叫做體擴散或晶內擴散。焊料向母材內部的晶粒間擴散。由於晶界之間的能量起伏,因此這個擴散階段,可形成不同成分的合金。沿不同的結晶方向,擴散程度不同。由於擴散,母材內部生成各種組成的合金。在某些情況下,晶格變化會引起晶粒自身分開。對於體擴散,如焊料的擴散超過母材允許固溶度,就會產生象銅和錫共存的那種晶格變化,使晶粒分開,形成新晶粒。這種擴散是在銅及黃銅等金屬被加熱到較高溫度時發生的。

4、晶格內擴散

將焊料沿著晶體內特定的晶面,以特定的方向擴散的過程叫做晶格內面擴散或網孔狀擴散。這是由於固體金屬的不規則,熔化的金屬原子向某一個面析出及晶格缺陷而引起的。這種擴散也可沿結晶軸方向發生,焊料金屬可分割晶粒,引起和晶界擴散相類擬的現象。
在電子產品用的錫鉛焊料中,幾乎不發生這種擴散,這裡僅做為參考。

5、選擇擴散

用二種以上的金屬元素組成的焊料焊接時,其中某一金屬元素先擴散,或者只有某一金屬元素擴散,其它金屬元素根本不擴散,這種擴散叫做選擇擴散。前面所說的擴散,都是以熔化金屬向母材中的擴散現象作為分類依據的。這裡所講的擴散,是指熔化金屬自身的擴散方式。
當用錫-鉛焊料焊接某一金屬時,焊料成分中的錫向固體金屬中擴散,而鉛不擴散,這就是前面說的選擇擴散。因此在合金層靠焊料一側,在顯微鏡下觀察金相,可看到一層薄薄的黑色帶狀,這就是富鉛層。釺焊紫銅和黃銅時也同樣有這種擴散。

關於擴散,菲克定律定量地描述了各種關係。由於公式和圖表製作的不便,在這裡就省略了,感興趣的同志可以參考相關書籍。

 

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