Заполнение припоем капиллярного зазора между кристаллом и корпусом при пайке

Экспериментальным исследованиями установлено, что
прямой зависимости между растеканием и течением припоя в зазоре нет. Некоторые припои хорошо растекаются по поверхности, но не затекают в капиллярный зазор и наоборот. Это связано с процессами взаимодействия расплавленного припоя с паяемым металлом. Известно, что в капиллярном зазоре жидкий припой интенсивно насыщается компонентами паяемого металла, что изменяет поверхностное натяжение расплава. На различие в процессах растекания припоя по поверхности и течение в зазоре может влиять наличие в расплаве отдельных кристаллов и кристаллических образований. При размерах в расплаве, превышающих величину капиллярного зазора, течение припоя в зазоре не будет.

Механизм смачивания припоем связан или с взаимодействием их парообразной фазы с паяемым металлом или поверхностной диффузией расплавленного припоя. Растекание припоя при смачивании, как правило, происходит в две стадии. Первая стадия соответствует быстрому растеканию припоя под действием сил поверхностного натяжения. На первой стадии жидкий припой растекается с краевым углом смачивания, близким к нулю. Эта стадия продолжается доли секунды, форма капли припоя соответствует схеме равновесия жидкого металла на идеально гладкой твердой поверхности.

Вторая стадия происходит тогда, когда от жидкой капли припоя растекаются потоки жидкого металла по границам зерен паяемой поверхности (рис. 4.9).

 

 

!!!

 

Рис. 4.9. Внешний вид припоев на границе с покрытием (химическое никелирование) после нагрева в водороде при температуре 390±20 ºС в течение 3 мин: а – ПОС40; б – ПОС61; в – ПСр2,5

Так как металлы, входящие в состав припоев, имеют различное давление насыщенного пара при температуре пайки, то, по всей видимости, при смачивании имеют место оба указанных механизма.

Рассмотрим перемещение жидкого припоя в горизонтальном капиллярном зазоре (рис. 4.10). При ограниченном смачивании припоем поверхности капиллярное давление в зазоре выражается через краевой угол смачивания

                                                           (1)

где σ_1,2 – поверхностное натяжение между припоем и газовой средой; h – величина зазора; θ – краевой угол смачивания.

В предположении ламинарного течения припоя в зазоре (согласно Пуазейлю жидкость у стенок покоится, т. е. U = 0 при y = h /2) имеет место параболическое распределение скорости потока припоя по толщине. Для средней скорости потока

                                                                 (2)

где l – длина заполненного зазора; h – величина зазора; η – вязкость жидкости.

Интегрируя выражение (2), получим время заполнения припоем горизонтального зазора длиной l:

                                                  (3)

где К_р – энергетический коэффициент растекания:

                                                 (4)

К_р – зависит от соотношения сил адгезии припоя с паяемой поверхностью сил когезии между частицами припоя. Растекание происходит при К_р > 0 и интенсифицируется с увеличением положительного его значения.

 

Рис. 4.10. Схема для расчета времени заполнения горизонтального капиллярного зазора h при пайке кристалла к корпусу: 1 – кристалл; 2 – корпус

 

Выражение (3) справедливо для динамической теории течения расплавов. Согласно этой теории, скорость течения расплавленного припоя зависит от длины шва и величины зазора, разности давлений на входе и выходе из зазора, а также от вязкости припоя. Динамическая теория исходит из условия непрерывного течения в капиллярном зазоре припоя, не учитывая наличия взаимодействия припоя с металлами паяемых поверхностей. Поэтому и время заполнения капиллярного зазора, и глубина затекания припоя в зазор значительно отличаются от результатов, получаемых экспериментально.

Поэтому для определения фактического времени заполнения припоем соединительного зазора при пайке кристалла к корпусу необходима разработка специального способа и установки для реализации этого способа, позволяющих контролировать данный параметр в реальных условиях.

Пример конкретного применения расчета. Время заполнения капиллярного зазора припоем ПОС40 при пайке кристалла к корпусу ТО-220 при изготовлении транзисторов КТ8232А1. Размер кремниевого кристалла 5,1´5,6 мм. Покрытия паяемых поверхностей: коллекторной стороны кристалла – напыленное серебро, а корпуса химический никель.

Исходные данные для расчета: поверхностное натяжение припоя ПОС40 σ_ж (474·10^–5 Н/см); динамическая вязкость припоя ПОС40 при температуре 280 ºС η (0,0229);

Величину зазора h выбираем в интервале от 0,05 до 0,2 мм.

Для расчетов удобнее пользоваться формулой , т. к. угол растекания припоя θ легко определяется при экспериментальных исследованиях.

Эксперименты показали, что припой ПОС40 идеально растекается по паяемым поверхностям кристалла и корпуса (рис. 4.7). Поэтому берем θ = 0 º.

Подставляя в выражение (3) известные значения, определяем время заполнения зазора припоем ПОС40 при пайке кристалла к корпусу (рис. 4.11).

Согласно рис. 4.11 время заполнения зазора между кристаллом и корпусом полностью смачивающих соединяющих поверхностей, составляет сотые доли секунды.

 

Рис. 4.11. зависимость времени заполнения горизонтального капиллярного зазора при пайке припоем ПОС40 кристалла к корпусу ТО-220 транзисторов КТ8232А1 от величины зазора

 

Из данных расчетов следует, что в реальных условиях время заполнения соединительного зазора зависит от технологии подготовки соединяемых поверхностей и припоя под пайку, а также от металлургического взаимодействия припоя с контактируемыми поверхностями в процессе пайки.

Таким образом, время пайки кристаллов к корпусам ППИ можно существенно сократить, применяя импульсный нагрев соединяемых элементов. А для интенсификации процессов взаимодействия припоя с поверхностями кристалла и корпуса необходимо подвергать одну из соединяемых деталей воздействию ультразвуковых или низкочастотных колебаний.