Оценка качества монтажных соединений электронной аппаратуры

Большую роль в процессе монтажа с использованием полимерных материалов может играть пористость соединяемых поверхностей. При рассмотрении закономерностей переноса [23, 24] в системе статических микропор, радиус которых значительно больше размера диффундирующих частиц. Коэффициент диффузии зависит от пористости полимера, извилистости пор, изменении химического потенциала при переходе материала из растворенного в адсорбированное состояние и концентрации адсорбционных центров.

Более простым вариантом интерпретации механизма диффузии в полимерах является использование результатов теории свободного объема полимера V, образующегося в результате теплового движения сегментов полимерной цепи. Поскольку свободным объемом обладает любая конденсированная среда, то при наличии растворителей, пластификаторов, и других компонентов общий свободный объем в первом приближении определяется суммой свободных объемов компонентов системы, причем свободный объем каждого компонента линейно возрастает при повышении температуры. Поэтому величину V можно выразить соотношением

, (2.9)

где - доля свободного объема -го компонента при его температуре стеклования ;

- объемная доля -го компонента в системе;

- температура, превышающая ;

- скачок температурного коэффициента расширения при температуре выше и ниже ее.

В том случае, когда рассматривается практически чистый полимер () в присутствии очень малого количества диффундирующего вещества ( и т.д.), свободный объем полимера

. (2.10)

Увеличение свободного объема полимера приводит к повышению диффузионной подвижности низкомолекулярного вещества. Вместе с тем свободный объем полимера согласно формуле (2.9), возрастает при повышении температуры и концентрации растворителя или пластификатора. При этом присутствие растворителя способствует более резкому по сравнению с исходным полимером возрастанию свободного объема с повышением температуры. Теория свободного объема предполагает, что перемещение диффундирующей молекулы происходит без затрат энергии и зависит только от вероятности появления вблизи молекулы микрополости необходимого размера.

Температурная зависимость коэффициента диффузии в виде соотношения (2.9) с учетом (2.10) позволяет выявить воздействия пластифицирующих веществ, понижающих температуру стеклования полимера. При использовании органических растворителей достаточно высокой остается роль структуры полимера, поскольку вклад энергии образования свободного объема в коэффициент диффузии остается на высоком уровне.

При взаимодействии металлов, т. е. когда пленки оксидов с основного металла и жидкого припоя удалены, можно получить спаи нескольких видов: бездиффузионные, растворно-диффузионные, контактно-реакционные, диспергированные.

Взаимодействие основного металла и расплавленного припоя, протекающее при недостаточном нагреве и ограниченное во времени, может происходить на стадии хемосорбции, когда процессы диффузии на межфазной границе не получили развития. Полученный спай называют бездиффузионным. Он образуется при малом времени контакта твердого и жидкого металлов. Бездиффузионный спай без массопереноса основного металла и припоя в обычных условиях пайки получить практически невозможно. Такой спай можно создать в специальных условиях, например при напылении припоев на основной металл и регулировке температуры подложки.

Спай, возникающий в зоне контакта твердого и жидкого металлов при их высоких взаимных растворимости и диффузии, называется растворно-диффузионным. В зависимости от природы основного металла и припоя растворно-диффузионный спай может образовываться металлами с неограниченной и (или) ограниченной взаимной растворимостью, а также металлами, создающими эвтектические и (или) перитектические сплавы и химические соединения. С увеличением температуры и времени пайки бездиффузионный спай может превращаться в растворно-диффузионный.

Строение спаев различно в зависимости от характера и продолжительности взаимодействия металла и припоя на межфазовой границе. Если припой не насыщается металлом до концентраций, соответствующих линии ликвидуса, то происходит неизотермическая кристаллизация шва, вследствие чего спай представляет собой смесь кристаллических образований, возникающих в результате выделения избыточного компонента сплава при быстром охлаждении шва.

Если достигается изотермическая кристаллизация (медленное охлаждение), то формируется диффузионная зона. Спай в этом случае имеет структуру, характерную для этого вида кристаллизации в соответствии с диаграммой состояния металл - припой. При длительных выдержках изотермическая кристаллизация припоя может произойти во всей зоне сплавления, образуя растворно-диффузионнын спай.

Расплавленные припои, смачивая твердый металл, оказывают на него адсорбционное воздействие. В зависимости от условий под влиянием адсорбционного воздействия основной металл может стать более пластичным или более хрупким, а также обнаружить склонность к самопроизвольному диспергированию. Адсорбционное понижение прочности твердых металлов под действием расплавов более легкоплавких металлов наблюдается у металлов, диаграмма состояния которых является эвтектической с узкой областью твердых растворов.

При пайке в области эвтектической температуры жидкая фаза имеет эвтектический состав. При более высоких температурах концентрация жидкой фазы изменяется согласно линии ликвидуса и соответствует точке пересечения ее с изотермой температуры пайки.

Жидкая фаза возникает в зоне контакта металлов преимущественно на границах зерен и дефектах их структуры. В отдельных случаях она образуется в объеме зерен. Например, при пайке меди серебряными припоями наблюдается образование жидкой фазы в зернах серебра.

При большом количестве твердых частиц в шве затвердевание зоны сплавления носит характер спекания порошков в присутствии жидкой фазы. В результате образуется диспергированный спай.

Несовершенство режимов и исходных материалов приводит к дефектам в соединениях. Например, непропаи и неспаи возникают при плохом смачивании паяемых металлов жидким припоем, приводящем к неполному затеканию припоя в зазор. Хрупкие прослойки химических соединений или интерметаллидов на поверхностях раздела Me-Пр и Пр-Me образуются из-за сильной химической связи между паяемыми металлами и припоем. По этой же причине могут появляться трещины в местах контакта паяемого металла с жидким припоем, который «охрупчивает» металл.

Одной из причин появления трещин могут быть большие внутренние напряжения при значительных различиях коэффициентов термического расширения и низкой пластичности соединяемых металлов.

В большинстве случаев общей причиной возникновения дефектов в соединениях является несовершенство контактных процессов на межфазовых поверхностях при большом различии состояний этих поверхностей (например, неизотермичность поверхностей контакта, наличие на них оксидных пленок, влаги, жиров и т. д.).

Основой образования соединения является адгезия, которая является результатом проявления сил молекулярного взаимодействия между поверхностью и наносимым слоем, т.е. тех же сил, которые действуют между структурными частицами в самих твердых телах - ван-дер-ваальсовых, валентных, металлических и др. При образовании соединения возможно образование следующих видов связи.

Физическая универсальная ван-дер-ваальсова связь обусловливает наиболее слабую адгезию с энергией связи порядка единиц килоджоулей на моль (0,01 - 0,1 эВ/атом), и формируется во всех случаях контакта двух тел, сближенных до расстояния межмолекулярного взаимодействия. В частности, она может возникать при нанесении металлических и других слоев на загрязненные поверхности, на плохо подготовленные поверхности окисленных металлов, керамики, стекла и др., если не созданы условия для формирования иных, более мощных сил связи.

Химическая связь, более прочная возникает в результате перестройки электронных оболочек атомов при их сближении и обобществлении валентных электронов в валентных или металлических связях. Химическая связь с энергией порядка сотен килоджоулей на моль (1 эВ и более на связь) приводит к образованию весьма прочных адгезионных соединений, устойчивых к воздействию различных внешних факторов.

Разновидностью химической связи, характерной для полимерных поверхностей является водородная связь, в этом случае атом водорода связан с сильно электроотрицательным атомом. Энергия этой связи порядка 40 кДж/моль. Она реализуется при взаимодействии с гидратированной поверхностью твердого тела веществ, содержащих гидроксильные и другие полярные группы. В частности, так взаимодействует с окисленными поверхностями металлов и полупроводников вода.

Металлическая связь возникает при пайке, когда на свежее протравленную поверхность металла, освобожденную от окисла, наносится расплавленный припой, хорошо смачивающий эту поверхность. Энергия металлической связи сравнима с сравнима с энергией химической, поэтому адгезия, обусловленная ею, как правило, высока.

Такое деление адгезии по типам связи является в значительной мере условным. На практике чаще всего реализуются промежуточные виды связей. Например, связь может быть валентной, но электронное облако смещено к одному из атомов, так что связь в то же время является ионной, и т. д.

Таким образом, адгезия сопровождается образованием прослойки между МОС и соединяемыми поверхностями, физические свойства прослойки будут отличаться от свойств исходных материалов. Это дает обоснование возможности использования концепции прореагировавшего вещества (ПВ) при моделировании процессов формирования свойств МОС в составе соединения, и представляется возможным использование молекулярно - кинетического и феноменологического термодинамического описание процессов.

Молекулярно - кинетическое описание рассматриваемых процессов может быть основано на справедливости использования закона действия масс, определяющий кинетику химических реакций, допускающего следующую формулировку: «скорость химической реакции пропорциональна частоте соударений между молекулами в единице объема и, следовательно, пропорциональна мольно-объемным концентрациям Wi реагирующих веществ в данный момент, взятых в степенях, которые соответствуют их стехиометрическим коэффициентам».

Можно предположить, что и в случае отсутствия химической связи в рассматриваемой среде, скорость образование связей между молекулами во вновь образованном ПВ подчиняется аналогичному механизму, обусловленному частотой столкновения молекул, зависящей от концентрация реагирующих веществ.

Величиной, характеризующей скорость реакции, не зависящей от взятых концентраций, является константа скорости . Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. Уравнение скорости химической реакции можно представить

,(2.11)

где - стехиометрические коэффициенты;

- концентрации, участвующих в реакции веществ .

Уравнение (2.11) называется дифференциальным кинетическим уравнением. Сумма показателей степени, в которую возводятся концентрации в уравнении (2.11) определяет порядок реакции.

Для двухкомпонентной среды, при одинаковой концентрации реагирующих веществ кинетическое уравнение (2.11) для реакции n-го порядка будет

.(2.12)

Интегрируя, получим

.(2.13)

Для начального момента времени t0, равного нулю, W=W0. Следовательно

.

Такое же соотношение будет иметь место при избытке одного из реагирующих веществ, тогда концентрация этого вещества остается постоянной и ее можно объединить с константой скорости в выражении (2.11) и прийти к соотношению (2.12).

Концепция ПВ соответствует возможности использования активации процессов образования соединений, предусматривающей повышение температуры и перевод МОС в жидкофазное состояние.

Согласно теории активации, доля активных молекул и доля активных соударений при повышении температуры растут быстрее средней кинетической энергии молекул. Соотношение между числом активных соударений z' и общим числом соударений z можно установить при помощи закона распределения энергий Больцмана. Если обозначить через Ко константу скорости при условии, что каждое соударение эффективно, то

.

Отсюда

.(2.14)

Приближенно можно считать

,(2.15)

что приводит к известному уравнению Аррениуса и подтверждает справедливость его при описании кинетики ПВ.

Таким образом, полученное выражение позволяет оценить увеличение скорости возникновения ПВ, при температурной активации материала.

Другим важным фактором, определяющим свойства рассматриваемой среды, является массоперенос ПВ. Представляется возможным оценить влияние связанных с массопереносом процессов на свойства МОС с помощью феноменологического описания моделей поведения среды. В рамках феноменологического описания основой моделирования служит понятие о необратимых процессах, происходящих в среде содержащей источники (стоки) и вызываемые этими источниками потоки зарядов, вещества, физического поля. Источниками здесь можно рассматривать продукты физико-химических реакций, происходящих на поверхности среды, образующие прореагировавшее вещество (ПВ) и распространяющееся в среде, согласно законам кинетического описания процессов. В течение всего времени активации компоненты МОС необратимо стремятся к состоянию термодинамического равновесия, совершая некоторую работу по перестройке его структуры.

При исследовании процессов формирования ПР, в рамках основного направления исследований, представляет интерес характер геометрии ПР [26, 27]. Здесь, основываясь на идеализированной модели соединения, которая состоит из поверхности соединяемого материала (начальной поверхности) и находящегося на этой поверхности слоя МОС, можно ввести прямоугольную систему координат , плоскость которой, совпадает с начальной поверхностью. Можно предположить, что представление этой поверхности в виде плоскости не скажется заметно на результатах, позволяющих определить характер геометрии ПР.

Условием разрушения МОС является приложение такого внешнего усилия, когда внутреннее напряжение достигает предела прочности . Если предположить, что предел прочности является функцией концентрации ПВ, т.е. определена функция , а так же распределение концентрации ПВ по оси задается функцией , то по условию можно найти координату , для которой выполняется соотношение

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5