Лабораторная работа №8 исследование монтажных паяных соединений
Скачать 452.22 Kb.
|
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 |
Похожие:
 | Тема исследования Исследование структуры и свойств припоев и паяных соединений, используемых в электронике (в рамках гранта daad) | | Исследование случайных процессов при автоматизации Составление таблицы соединений и подключений щита, разработка схемы соединений внешних проводок |
| Лабораторная работа исследование указателей положения Целью лабораторной работы является изучение принципа действия и устройства указателей положения закрылков уп-11-09 и стабилизатора... |  | Лабораторная работа 17 «Исследование законов распределения случайных про- цессов» |
| Лабораторная работа № Исследование тепловых процессов в бортовом преобразователе энергии | | Лабораторная работа №10 исследование эксцентриситетов алидады и лимба горизонтального круга теодолитов типа т2 Цель работы: исследование углового и линейного е элементов эксцентриситетов алидады и лимба |
| Лабораторная работа №10 исследование эксцентриситетов алидады и лимба горизонтальногокруга теодолитов типа т2 Цель работы: исследование углового и линейного е элементов эксцентриситетов алидады и лимба | | Лабораторная работа исследование основных свойств гироскопа Целью лабораторной работы является изучение основных свойств и экспериментальное исследование наиболее важных характеристик гироскопа... |
| Лабораторная работа №5 Изучение устройства высокоточных нивелиров типа н-05. Исследование оптического микрометра с плоскопараллельной пластинкой | | Лабораторная работа Установка и настройка 6 Лабораторная работа Демонстрационный проект 7 Упражнение 1: Работа с основной схемой проекта 7 Упражнение 2: Работа со схемой «Резервуарный парк» Разработка систем диспетчерского контроля и управления с использованием Infinityscada 4 |