3.2真空環(huán)境下材料......




3.2　真空環(huán)境下材料的表面氧化膜行為
　　 由文獻(xiàn)［3］、［8］及［9］得出的真空條件具有如下的保護(hù)材料表面及去除氧化膜作用：
　　 ①保護(hù)作用。真空下元器件不會出現(xiàn)增碳及污染變質(zhì)等問題而阻礙釬料鋪展。
　　 ②除氣、改善作用。基金屬和釬料周圍存在低壓，能夠排除金屬在釬焊溫度下?lián)]發(fā)出來的揮發(fā)性氣體或雜質(zhì)，可以使基金屬的性能得到改善，利于釬料鋪展。
　　 ③真空狀態(tài)降低了真空室內(nèi)的氧分壓，導(dǎo)致氧化物的不穩(wěn)定。按照理論計算，氧化物分解所需的真空度是極高的。試驗中實際采用的真空度要低得多，不能期望氧化物自行分解。但是，真空環(huán)境使氧化膜處于不穩(wěn)定、易于去除的狀態(tài)。
　　 ④凈化作用。真空環(huán)境下還原、揮發(fā)或溶解等多重作用，有助于去除元器件表面氧化物，可以使金屬表面活性增強，利于釬料的潤濕。
　　 ⑤蒸發(fā)作用。真空環(huán)境不單單是造成氧化物的不穩(wěn)定，還有利于某些易揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)。這種蒸發(fā)能凈化金屬表面、破壞金屬表面氧化膜，使之變成混合物或低價氧化物而被抽走。
　　 ⑥真空下液態(tài)釬料的吸附作用使氧化膜強度下降，并由于熱物理性能不同而破碎，彌散溶入釬料中。
　　 由于真空能促成一些中性氣體中所沒有的去膜過程的進(jìn)行，所以能得到更好的去膜效果。此外，真空還能夠消除氣體介質(zhì)釬焊時在焊縫中形成氣孔的可能性。
3.3　真空對釬料鋪展固液界面行為的影響
　　 真空下液態(tài)Sn-Pb釬料在Cu表面的鋪展，構(gòu)成了一個由固、液、氣相(真空)組成的三相界面體系。從熱力學(xué)的觀點來看，釬料的鋪展行為要取決于潤濕三相系統(tǒng)吉布斯自由能的降低。當(dāng)系統(tǒng)中存在兩種介質(zhì)的界面(表面)時，熱力學(xué)基本公式為：
dG＝－SdT+VdP＋γdA+μdN　　(1)
式中：G——吉布期自由能；
T——絕對溫度；
S——熵值；
N——組份質(zhì)量；
μ——組份化學(xué)勢；
dA——表面面積增量；
γ——表面張力。
所以說釬料鋪展?jié)櫇竦某潭热绾我Q于三相接觸線表面張力(或界面張力)對液態(tài)熔融釬料的綜合作用。各主要工藝參數(shù)對界面張力的影響最終決定了釬料的鋪展程度。圖5為釬料鋪展?jié)櫇駸崃W(xué)模型。
式中：γSG——固氣界面張力；
γLG——液氣界面張力；
γSL——固液界面張力；
θ——接觸角。
　　 這是T.Young在1805年提出的著名的楊氏方程。可以看出，三相線的移動、釬料對母材的潤濕取決于具體條件下的三相相互作用。γSG增大、γLG及γSL減小，都能使cosθ增大，使鋪展面積增大，改善潤濕性。從物理意義上說，γLG減小意味著液體內(nèi)部原子對表面原子的吸引力減弱，液體原子容易克服自身引力趨向表面，使表面積擴(kuò)大、釬料容易鋪展。γSL減小，表明固體對液體原子的吸引力增大，使液體內(nèi)部的原子容易被拉向固－液界面，即容易鋪展。
　　 真空下Cu金屬表面張力(固－氣界面張力)γSG增大。表面原子外側(cè)缺少原子或分子之間的相互作用，表面附近分子的平衡位置受到表面的影響，會產(chǎn)生移動。當(dāng)表面以外是更稀松的介質(zhì)如氣體時，來自內(nèi)部的吸引力大于來自外部的，平衡位置將向內(nèi)移動如圖6所示。圖中：(a)表示和真空相接的固體Cu表面，表面層a及第二層b之間的距離比內(nèi)部的層間距d-e小得多；(b)表面和氣體相接的固體表面，層間距A和B大于a-b；(c)表示和Sn-Pb釬料液氣系統(tǒng)相接的固體表面，液體下的層間距D-E大于氣體下的A-B。三相接觸線區(qū)(t)中，固體表面層在A和D之間。真空下來自Cu表層內(nèi)部的引力遠(yuǎn)大于來自外部的，即真空下γSG增大。
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　　另外，盡管真空對Cu和液態(tài)Sn-Pb釬料的界面張力γSL影響很小，但是都對液氣界面張力γLG影響很大。真空狀態(tài)下，γLG表現(xiàn)為液態(tài)釬料對真空環(huán)境的界面張力。實質(zhì)上，在真空狀態(tài)下，尤其是在真空度較高時，液態(tài)釬料蒸發(fā)。這時的γLG應(yīng)具體體現(xiàn)為液態(tài)Sn-Pb釬料與其蒸氣之間的界面張力。隨溫度和真空度的升高，蒸氣密度加大，從而增加了表面分子的引力，氣液兩相密度差值變小。而氣液界面形成單位面積體系能量增值US為
式中：NL——液體單位體積中的分子數(shù)；
NG——蒸氣相單位體積中的分子數(shù)；
rL——液體中分子間的平衡距離；
A——Van Der Walls引力常數(shù)。
　　 即使在分子引力常數(shù)A與溫度無關(guān)的情況下，溫度上升、真空度加大總使(NL－NG)變小和rL變大，兩者均以平方形式出現(xiàn)，故US必變小，液氣界面張力γLG值變小。
　　 由TYoung方程，γLG變小和γSG增大都使接觸角變小、鋪展面積變大，于是真空下無釬劑釬料在基金屬銅表面得到良好的潤濕。
3.4　利于釬料鋪展的真空度最佳值
　　 真空條件有利于無釬劑釬料的鋪展。但是釬料的鋪展面積并不是隨真空度的增高而一直增大，到了一定真空度以后(如上文試驗中的4.2×10－2Pa)鋪展面積值開始下降。試驗結(jié)果表明存在著真空度的最佳值。這一真空度最佳值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧化物的分解壓。分析這一最佳值產(chǎn)生的原因，在于真空的去膜作用與真空下釬料蒸發(fā)作用的共同作用結(jié)果。這一最終結(jié)果決定了釬料的鋪展行為。在低真空時，真空去膜作用小同時釬料蒸發(fā)也小。釬料鋪展面積主要隨著真空度的增加而增加。在較高真空時，去膜作用已經(jīng)達(dá)到了一定水平，不再有明顯的增強。而液態(tài)釬料的蒸發(fā)卻因真空度的增高而加劇。釬料顯著蒸發(fā)的結(jié)果是消耗了部分加熱能量，此時輸入的能量不足以使釬料充分潤濕，所以釬料的鋪展面積反而減小。
　　 在高真空下如果加大激光功率或延長加熱時間，也就是增大激光輸入總能量以彌補因釬料元素顯著蒸發(fā)而產(chǎn)生的能量損耗，釬料也可以獲得良好的鋪展。例如，真空度為2.2×10－2Pa時采用I＝2.8A、t＝1950ms規(guī)范進(jìn)行釬焊試驗，結(jié)果釬料的鋪展面積為13.770mm2。在2.4×10－2Pa時采用I＝2.9A、t＝1640ms規(guī)范進(jìn)行釬焊試驗，結(jié)果釬料的鋪展面積為12.694mm2。釬料的鋪展情況都很不錯。但在激光加熱過程中觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合真空計指針明顯發(fā)生大幅度的擺動。這表明釬料元素蒸發(fā)嚴(yán)重。同時，加大激光輸入能量容易損壞被焊元器件。一般認(rèn)為，這種強規(guī)范不可取。
4　在表面組裝中的應(yīng)用
　　被焊元器件分別為片式貼裝電阻473和823(電阻值分別為47kΩ和82kΩ)。釬料仍為上文所述的無釬劑Sn-Pb釬料。圖7為片式電阻的結(jié)構(gòu)及所設(shè)計的裸銅焊盤幾何形狀。接頭形式如圖8。
　　片式電阻無釬劑表面組裝工藝流程為：