3.2真空環境下材料......




3.2　真空環境下材料的表面氧化膜行為
　　 由文獻［3］、［8］及［9］得出的真空條件具有如下的保護材料表面及去除氧化膜作用：
　　 ①保護作用。真空下元器件不會出現增碳及污染變質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揮發出來的揮發性氣體或雜質，可以使基金屬的性能得到改善，利于釬料鋪展。
　　 ③真空狀態降低了真空室內的氧分壓，導致氧化物的不穩定。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，真空環境使氧化膜處于不穩定、易于去除的狀態。
　　 ④凈化作用。真空環境下還原、揮發或溶解等多重作用，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蒸發作用。真空環境不單單是造成氧化物的不穩定，還有利于某些易揮發物質的蒸發。這種蒸發能凈化金屬表面、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Sn-Pb釬料在Cu表面的鋪展，構成了一個由固、液、氣相(真空)組成的三相界面體系。從熱力學的觀點來看，釬料的鋪展行為要取決于潤濕三相系統吉布斯自由能的降低。當系統中存在兩種介質的界面(表面)時，熱力學基本公式為：
dG＝－SdT+VdP＋γdA+μdN　　(1)
式中：G——吉布期自由能；
T——絕對溫度；
S——熵值；
N——組份質量；
μ——組份化學勢；
dA——表面面積增量；
γ——表面張力。
所以說釬料鋪展潤濕的程度如何要取決于三相接觸線表面張力(或界面張力)對液態熔融釬料的綜合作用。各主要工藝參數對界面張力的影響最終決定了釬料的鋪展程度。圖5為釬料鋪展潤濕熱力學模型。
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，會產生移動。當表面以外是更稀松的介質如氣體時，來自內部的吸引力大于來自外部的，平衡位置將向內移動如圖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(t)中，固體表面層在A和D之間。真空下來自Cu表層內部的引力遠大于來自外部的，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。真空狀態下，γLG表現為液態釬料對真空環境的界面張力。實質上，在真空狀態下，尤其是在真空度較高時，液態釬料蒸發。這時的γLG應具體體現為液態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；
NG——蒸氣相單位體積中的分子數；
rL——液體中分子間的平衡距離；
A——Van Der Walls引力常數。
　　 即使在分子引力常數A與溫度無關的情況下，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，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。試驗結果表明存在著真空度的最佳值。這一真空度最佳值遠遠高于氧化物的分解壓。分析這一最佳值產生的原因，在于真空的去膜作用與真空下釬料蒸發作用的共同作用結果。這一最終結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，去膜作用已經達到了一定水平，不再有明顯的增強。而液態釬料的蒸發卻因真空度的增高而加劇。釬料顯著蒸發的結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而產生的能量損耗，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規范進行釬焊試驗，結果釬料的鋪展面積為13.770mm2。在2.4×10－2Pa時采用I＝2.9A、t＝1640ms規范進行釬焊試驗，結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現，復合真空計指針明顯發生大幅度的擺動。這表明釬料元素蒸發嚴重。同時，加大激光輸入能量容易損壞被焊元器件。一般認為，這種強規范不可取。
4　在表面組裝中的應用
　　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為片式電阻的結構及所設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：