Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений



Скачать 452.22 Kb.
страница1/3
Дата02.06.2013
Размер452.22 Kb.
ТипЛабораторная работа
  1   2   3
Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ МОНТАЖНЫХ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель работы – экспериментальное исследование электрических и механических свойств монтажных соединений, полученных пайкой в различных условиях.

Оборудование, приборы, документация и материалы: разрывная машина РМ-50; приспособления для пайки; электрический паяльник с термопарой, измерителем и автоматическим регулятором температуры; индикатор времени; мост постоянного тока МО-62; кусачки; нож; шлифовальная бумага; график градуировки термопары.

І. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.1. Получить необходимые приборы, материалы, графини.

1.2. Ознакомиться с инструкциями по эксплуатации оборудования и приборов.

1.3. Определить объем испытаний для каждого значения переходного сопротивления и разрывного усилия. Среднее значение величин должно быть получено в результате статистической обработки многократных измерений.

1.4. Снять зависимость переходного сопротивления пайки и прочности паяного соединения на разрыв * от температуры перенагрева припоя над ликвидусом для пайки встык. Измерения выполнить для припоя ПОС-6І, провода одного диаметра при температурах 200, 250, 300, 350° С, время пайки должно быть одинаковым и равным 3 с.

1.5. Снять зависимость переходного сопротивления и прочности паяного соединения на разрыв * от марки припоя (ПОС-30, ПОС-40, . ПОС-6І, ПОС-90).

Эксперимент выполнить на образцах проводов одного диаметра при степени перенагрева над ликвидусом припоя 50° С. Время пайки должно быть одинаковым и равным 3 с.

1.6. Снять зависимость переходного сопротивления пайки и прочности на разрыв паяного соединения от времени пайки (1, 3, 5, 7 с). Эксперимент выполнить для припоя ПОС-6І при перенагреве над ликвидусом 30° С для проводов одного диаметра.

1.7. Оформить отчет о работе, который должен содержать:

расчет количества паек для каждого эксперимента (см. приложение);

графики зависимостей переходного сопротивления пайки и прочности

на разрыв от факторов по пп. 1.4-І.6;

список применяемого оборудования и приборов с указанием номера и

класса точности;

выводы и рекомендации по работе;

подпись студента.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Пайка – один из основных методов соединения деталей и проводников в радиоаппаратостроении. Технологи часто пользуются любым припоем, ока­завшимся под рукой, а не требуемым для данного случая. Недооценка важности многих аспектов процесса пайки приводит к тому, что доля отказов паяных соединений от общего числа отказов РЭА составляет до 50 %. Повышение надежности элементов и узлов без одновременного повышения надежности паяных соединений не позволяет достигнуть высокого качества радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим исследования процесса пай­ки имеют большое значение.


В настоящее время пайка успешно применяется во всех областях техники. Ее технологичность непрерывно возрастает с появлением новых конструкционных материалов, сварка которых сопряжена со значительными трудностями. Наряду с широкими возможностями соединения разнородных металлов и сплавов, металлов с неметаллами, осуществляемого в широком интервале температур (вплоть по комнатной), пайка, являясь во многих случаях групповым методом обработки, обеспечивает высокую производительность труда и часто экономически более выгодна, чем сварка.

Пайка металлов имеет наибольшее сходство со сваркой плавлением, однако между этими процессами имеются глубокие различия. При сварке плавлением соединение происходит путем плавлення в зоне сварки основного и присадочного металлов (сплавов) с последующей совместной кристаллизацией расплава. Сварка, плавлением осуществляется при температу­рах выше точки плавлення основного металла. При пайке основной металл не плавится (некоторое исключение составляет контактно-реакционная пайка), т.е. он находится в твердом состоянии. Соединение образуется из-за плавлення и кристаллизации сравнительно легкоплавкого при­садочного металла, называемого припоем, и последующей взаимной диффузии. Пайку можно осуществить при любых температурах ниже точки плавления основного металла (сплава), что делает пайку более универсальной. Различия между сваркой плавлением и пайкой усугубляются с увеличением разности температур основного металла (сплава) и припоя и с увеличением несоответствия их физико-химических свойств. Формировние шва и образование связей при пайке определяются процессами смачивания, растекаемости, капиллярного течения (жидкотекучести) и диффузионными процессами на границе основного металла (сплава) и расплавленного припоя.

Таким образом, основные признаки всех разновидностей пайки следующие:

І) пайка осуществляется при температуре ниже точек плавлення соединяемых металлов;

2) процесс пайки связан с введением между соединенными металлами (сплавами) расплавленного припоя, которое осуществляется чаще всего капиллярным течением расплава припоя в зазоре, либо введением припоя в зазор в виде фольги или гальванического покрытия и т. д.;

3) соединение образуется в результате взаимодействия твердого основного металла (сплава) с жидким припоем. Если условия для такого взаимодействия отсутствуют, паяное соединение не образуется;

4) завершающей стадией пайки является кристаллизация металлической прослойки между соединенными поверхностями. Рассмотрим основные закономерности пайки.

2.1. Смачиваемость подложки припоем

Капля расплавленного припоя может растекаться по поверхности подложки тонким слоем жидкости, в других условиях принимать сплющенный вид, наконец, оставаться каплей, сплющиваясь при сильном перенагреве над ликвидусом припоя и стягиваясь в первоначальную форму при охлаждении (рис. 7-2.1).

Рис. 7-2.1

Здесь речь идет о различных степенях смачиваемости, причем, если в первом случае смачиваемость хорошая, то последний иллюстрирует практическую несмачиваемость. Физическая сущность смачивания определяется тем, что при введении припоя поверхность раздела твердая подложка – газовая среда (атмосфера, защитная среда печи для пайки, флюса) замещается поверхностью раздела подложка – жидкий припой. Любая поверхность раздела фаз обладает избыточной энергией, называемой поверхностной, из-за нескомпенсированности сил взаимодействия частиц твер­дого тела, жидкости или газа, находящихся на поверхности, в противоположность глубинным частицам. Состояние равновесия термодинамической системы характеризуется минимальным значением свободной энергии; поэтому уменьшение поверхностной энергии подложки на границе раздела с жипким припоем по сравнению с границей подложка – газовая среда является более благоприятным с точки зрения термодинамики, и процесс смачивания развивается до наступления некоторого нового равновесия. Й наоборот, увеличение поверхностной энергии в рассмотренном случае не приводит к смачиванию. Поверхностная энергия может быть выражена через силу поверхностного натяжения * .

На рис. 7-2.2 изображены векторы сил поверхностного натяжения в случае нового равновесия для смачивания (а) и несмачивания (б) подлож­ки расплавленным припоем.

На рис. 7-2.2 * - сила поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело – газовая среда; * - сила поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело – жидкий припой; * -

сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкий припой – газо­вая среда.

Рис. 7-2.2

На рисунке векторы показаны в олной из точек одновременного наличия трех фаз: твердой, жидкой и газовой. Йменно, что в случае скачивания (рис. 7-2.2, а) * , т. е. уменьшается поверхностная энергия на границе раздела при замещении газа расплавленным припоем.

Новое равновесие определяется появлением вектора * . На рис. 7-2.2 можно увидеть, что в состоянии нового равновесия * ,

где * - угол, который называется краевым углом смачивания или его предельным углом. Его легко определить экспериментально, поэтому ве­личина краевого угла чаще служит мерой смачиваемости, чем разность векторов сил поверхностного натяжения. *

В предельном случае смачиваемости, когда поверхностная энергия подложки одинаковая при замещении газовой среды жидким припоем, * - 90°. При * > 90° наступает полное несмачивание.

На практике пля удовлетворительного смачивания краевой угол, должен быть меньше 40°.

Величина краевого угла зависит и от степени перенагрева над ликвидусом, времени выдержки при нагреве, состава газовой среды. При смачивании величина * уменьшается с ростом степени перенагрева припоя и времени видержки.

Краєвой угол можно также рассматривать как величину, выражающую соотношение сил адгезии и когезии в системе подложка – расплавленный припой.

2.2. Растекаемость припоев

Смачиваемость – необходимое, но не достаточное условие получения качественной пайки. Более сложное свойство – растекаемость – способность припоя в жидком состоянии изменять форму (стремясь к тонкому слою) и распространяться, растекаться по поверхности подложки. Если смачиваемость – чисто физический процесс, то растекаемость имеет два аспекта – фичический и металлургический. Последний связан с взаимодействием на границе раздела подложка – расплавленный припой, чаще всего в виде взаимной диффузии металла и припоя с образованием диффузионной зоны. Из-за диффузии меняются составы припоя и основного материала в поверхностном слое, а также диаграмма состояния припоя, солидус и ликвидус, интервал кристаллизации, поверхностная энергия на границе раздела и т. д.

Растекание припоя происходит при условии:

Процесс растекания прекращается, когда неравенство становится равенством: * .

Из-за взаимодействия подложки и припоя это равенство неустойчиво. Взаимодействие после некоторой выдержки во времени может привести к случаю: * .

При этом происходит коагуляция, припой собирается в шарики, оголяя лишь недавно покрытые места подложки. Такие случаи часты для металлов и сплавов, склонных к образованию пленок (например, для алюминия).

Растекаемость припоев зависит от следующих факторов:

а) степени перенагрева над ликвидусом;

б) газовой среды из-за изменения * ;

в) состояния поверхности подложки. В этом случае зависимость очень сильная. Пленки с неметаллической связью (оксиды, сульфиды, органические, например, жировые) снижают поверхностную энергию, уменьшая * , и резко ухудшают растекаемость. С этим связаны трудности пайки окисленных или легко окисляющися поверхностей, а также необходимость очистки и защиты металлов при пайке от загрязнений и окислений;

г) микрогеометрии подложки. Высота микронеровностей подложки из-за рассматриваемого далее капиллярного течения жидкого припоя имеет оптимальное значение. Одинаково плохи поверхности и грубо обработанные и отполированные. В среднем, оптимальна обработка по 5...6 классам шероховатости.

Количественно растекаемость характеризуется коэффициентом растекаемости *

где * - площадь подложки под припоем до пайки; * - площадь подложки под припоем после пайки (определяется экспериментально вся­кий раз для реальных условий пайки).

2.3. Жидкотекучесть припоев

Жидкотекучесть припоев – это способность расплавленных припоев заполнять шов, двигаться по наклонным и вертикальным каналам против силы тяжести. Жидкотекучесть припоев во многом подобна жидкотекучести литейных сплавов при заполнении ими литейной формы. Главное отличие припоев от литейных сплавов заключается во взаимодействии жидких при­поев со спаиваемыми материалами, тогда как для литейных сплавов такое взаимодействие недопустимо. Для простых металлов жидкотекучесть зависит от плотности, теплоемкости, скрытой теплоты кристаллизации и теплообмена между жидкой фазой и стенками шва, а также между стенками шва (литейной формы) и окружающей средой. Для металлических сплавов жидкотекучесть определяется, главным образом, интервалом кристаллизации.

Интервал кристаллизации зависит от концентрации составляющих припой компонентов и может быть определен по фазовой диаграмме.

Диаграмма состояния металлического сплава может быть определена как геометрическое место критических точек в координатах температура-концентрация. Критические точки при изменении температуры соответствуют или изменению агрегатного состояния вещества, или аллотропическому изменению типа кристаллической решетки, или пределу растворимости од­ного из компонентов сплава. Критические точки могут быть определены экспериментально при охлаждении или нагревании сплавов определенной концентрации либо термическим анализом по скачкам производной * зависимости температуры от времени, или дилатометрическим анализом по скачкам производной * зависимости объема образца от температуры, или магнитным и другими методами.

На рис. 7-2.3 показана типичная кривая охлаждения (кривая термического анализа) для простого металла. Здесь * - истинная температура плавлення; * - температура кристаллизации, которая и является критической точкой. Характерна горизонталь­ная полочка на кривой охлаждения – тем­пература остается в течение отрезка времени * постоянной, несмотря на продолжающееся охлаждение.

Рис. 7-2.3

Происходит выделение скрытой теплоты кристаллизации, поддерживающей температуру постоянной до полного окончания кристаллизации.

В точке * система нонвариантна согласно правилу Гиббса: *

где С - число степеней свободы термодинамической системи; К - число компонентов (в данном случае один);

* - число фаз (в течение времени кристаллизации существует две фазы – жидкая и кристаллическая).

Фазовые диаграммы по числу компонентов разделяются на двухкомпонентные, трехкомпонентные и т. д. Наиболее просты двухкомпонентные диаграммы, т. е. концентрацию компонентов в сплаве можно выразить на одной оси, и зависимость температура – концентрация представляется на плоскости. Диаграммы имеют разный вид для различных возможных фаз металлических сплавов. В сплавах возможно образование следующих фаз: твердых растворов с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов друг в друге, химических соединений, интерметаллических соединений. Если компоненты сплава не образуют твердых растворов или соединений, сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов. Механическая смесь кристаллов имеет место и для твер­дных растворов с ограниченной растворимостью за пределами растворимости (только в этом случае смешиваются кристаллы твердых растворов).

Наиболее часто встречающаяся для припоев двухкомпонентная диаграмма состояния твердых растворов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге показана на рис. 7-2.4, б. Здесь А и В - искомые компоненти; Х - ось концентрацй; СДЕ - линия ликвидуса;

Рис. 7-2.4

* - линия солидуса; * и * - устойчивые отрезки линии предельной растворимости *; * - линия эвтектики; * - эвтектическая точка.

Пунктиром изображены неустойчивые состояния. На рис. 7-2.4, а показаны некоторые из кривых охлаждения, по критическим точкам которых построена диаграмма.

Геометрическими местами диаграмма разделена на шесть фазовых полей. В поле выше по температуре линии ликвидуса * - все сплавы независимо от концентрации находятся в жидком состоянии. Кристаллизация для любого сплава, например концентрации * , начинается с пересечения линии ликвидуса, когда начинают выпадать кристаллы твердого раствора * , в котором компонент А играет роль растворителя. Фазовое поле * является двухфазным, в нем одновременно присутствуют жидкий расплав и кристаллы * . В фазовом поле * кристаллизуется твердый раствор * на основе компонента * (растворитель).

В процессе кристаллизации состав жидкой и твердой фаз в этих фазовых полях все время меняется. Определить состав фаз позволяет изометрическая прямая – конода, проведенная через точку рассматриваемой температуры на линии концентрации выбранного сплава. Для сплава * на рис. 7-2.4, в показана конода * при температуре * . Проекция на ось концентрации точки пересечения коноды с линией ликвидуса дает состав жидкой фазы. Проекция на ось концентраций точки пересече­ния коноды с линией солидуса дает состав твердой фазы. Видно, что в интервале кристаллизации * для сплава * происходит свободный рост кристаллов твердого раствора * переменного состава. Кристаллизация в этом случае происходит в интервале температур, так как система моновариантна: С=2+1-2=2.

Поэтому на кривой охлаждения сплава (см. рис. 7-2.4, а) имеется участок с меньшим, чем скорость охлаждения, наклоном.

В условиях свободного роста кристаллов * для сплава * происходит дендритная кристаллизация (рис. 7-2.5). Кристаллизационный зародыш І растет в направлении граней, образуя главные оси дендрита 2, на которых образуются оси 3 более высоких порядков. Такой древовидный рост кристаллов затрудняет перемещения жидкой фазы расплава и сильно снижает жидкотекучесть.

Рис. 7-2.5

Столкновения растущих дендритов при кристаллизации друг с другом создают пространственные дефекты – граняцы кристаллов, насищенные примесями, загрязнениями и межкристаллитной микропористостью, что снижает механические свойства паяного шва.

Кристаллизация эвтектического сплава * происходит иным образом. Температурный интервал кристаллизации равен нулю (нонвариантная система). Кроме того, конода, которой в данном случае является линия эвтектики, показывает неизменность состава исходной фазы в течение всего времени кристаллизации. Это возможно только в том случае, если появлению зародыша твердого раствора * состава точки К тут же сопутствует появление зародыша твердого раствора * состава точки * .

Свободный рост кристалла одного из растворов исключается, что приводит к отсутствию дендритов и высокой жидкотекучести. В результате кристаллизации эвтектики получается мелкописперсная механическая смесь кристаллов твердых растворов * . Нонвариантность системы во время кристаллизации обусловлена одновременным существованием трех фаз; жидкой, кристаллов твердых растворов * ;

С=2+1-3=0

Теперь ясно, что жидкотекучесть припоя или литейного сплава зависит от интервала кристаллизации и максимальна у эвтектики. Можно добавить, что из-за мелкозернистости структуры эвтектики часто обладают более высокими механическими свойствами (рис. 7-2.6).

Рис. 7-2.6

Механические свойства сплавов пропорциональны площади поверхности раздела между фазами, которая имеет максимальное значение у высокодисперсной эвтектики. Этим объясняются скачки твердости * , пределов прочности * и текучести * на кривых (см. рис. 7-2.6).

Высокая жидкотекучесть эвтектик имеет свои положительные и отрицательные стороны. Положительная сторона заключается в резком повышении надежности пайки в малых зазорах, причем капиллярные силы превалируют над силами тяжести. Это очень важно, например, при групповой пайке печатных плат с металлизированными монтажными отверстиями. Однако желаемый эффект может быть достигнут только при условии малых зазоров при температуре пайки (табл. 7-2.1).

Таблица 7-2.1

Радиальный зазор при пайке


Припой

Ликвидус

Интеварл кристаллизации

Температура пайки

Зазор, мкм

Медь

1083 С

0

1100 С

0 + 50

Серебро

960 С

0

1000 С

0 + 45

ПСр72

779 С

0

800 С

0 + 45

ПЗлМ37

990 С

20

1010 С

25 + 65

ПОС61

183 С

0

210 С

0 + 60


Из таблицы витекает необходимость ужесточения допусков на размеры деталей для пайки и технологических расчетов зазоров при температурах пайки.

Припои с высокой жидкотекучестью непригодны для заполнения больших зазоров, получения толстых слоев, гладких швов и т. д. При использовании таких припоев для монтажных соединений получается так называемая "скелетная" пайка в отличие от капельного вида соединений, выполненных припоем с конечным значением интервала кристаллизации.

2.4. Температура ликвидуса

Из фазовой диаграммы, показанной на рис. 7-2.4, б, видно, что эвтектический припой имеет наименьшую температуру ликвидуса. Это обстоятельство является полезным во многих случаях, например, когда крайне нежелателен перегрев, или при осуществлении ступенчатой пайки.
  1   2   3

Похожие:

Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconТема исследования
Исследование структуры и свойств припоев и паяных соединений, используемых в электронике (в рамках гранта daad)
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа важнейшие классы химических соединений
Цель работы – ознакомление с важнейшими классами неорганических соединений: оксидами, гидроксидами, солями, способами их получения...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconИсследование изучение строения и физиологические процессы. Эксперимент серия опытов. Лабораторная работа
Совокупность относительно однородных приемов, операции освоения действительности ( теоретические- практические) подчиненных расширению...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №1 Работа в Oracle Database Express Edition 1 Лабораторная работа №6
Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №7 по дисциплине " Методы и средства гидрометеорологических измерений". Исследование анемометров
Лабораторная работа №. Исследование анемометров. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерении”. – С. Петербург.:...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа по химии. «Важнейшие классы химических соединений». Косяк Анна Факультет: нук рлм
Получить представление о классах химических соединений и как распознавать оксиды, соли, основания, кислоты в растворах. Освоить способы...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №1 «Важнейшие классы неорганических соединений»
Аллотропия. Сложные вещества. Органические и неорганические вещества. Основные классы неорганических соединений. Оксиды, их состав...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №2 «Исследование динамики гармонических колебаний в поле силы тяжести» Какие силы называются консервативными?
Лабораторная работа №2 «Исследование динамики гармонических колебаний в поле силы тяжести»
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №3. Знакомство с прерываниями. Лабораторная работа №4. Программная обработка клавиатуры
Лабораторная работа №1. Знакомство с общим устройством и функционированием ЭВМ. Изучение структуры процессора, организации памяти,...
Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений iconЛабораторная работа №1 Эквивалент. Закон эквивалентности
...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org