KRZEPNIĘCIE STOPU CYNA-OŁÓW NA PŁYTKACH MIEDZIANYCH W WARUNKACH DYNAMICZNYCH

Transkrypt

1 9/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN KRZEPNIĘCIE STOPU CYNA-OŁÓW NA PŁYTKACH MIEDZIANYCH W WARUNKACH DYNAMICZNYCH A. W. BYDAŁEK 1, Z. LIPNICKI 2, A. BYDAŁEK 3 Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski ul. Szafrana 2, Zielona Góra STRESZCZENIE. W pracy wskazano na konieczność rozpatrywania wpływu przemieszczania się strugi ciekłego lutowia na strukturę tworzącej się warstwy kontaktowej. Wykazano znaczne różnice w strukturze próbek zanurzanych w lutowiu w stosunku do próbek z warstwą powstającą w wyniku przepływu. Key words: dynamic solidification, 1. WPROWADZENIE 1.1. Lutowanie na fali stojącej Do lutowania obwodów drukowanych lutami cynowo-ołowiowymi stosuje się obok lutowania przez zanurzenie, wykorzystuje się metodę tzw. fali stojącej. W istniejących rozwiązaniach stosuje się najczęściej odchylenie dyszy od pionu od 59 o jedno lub dwukierunkowym przepływie spoiwa. Modyfikacją systemu jedn o kierunkowego jest kaskadowe spadanie lutowia. Wysokość i szerokość fali regulowana jest przez odpowiednie konstrukcje dyszy. Przeważnie uzyskuje się wysokość fali w granicach 1015 mm. Wspólną cechą omawianych systemów jest przepływ strugi metalu wokół łączonych elementów. Istotnym zagadnieniem występującym przy lutowaniu miedzi lutami cynowoołowiowymi jest rozpuszczanie miedzi przez ciekły lut. Samo zjawisko znane jest 1 dr hab. inż., a.bydalek@iipm.uz.zgora.pl 2 dr hab. inż., z.lipnicki@ibem.uz.zgora.pl 3 prof. dr hab. inż., a.bydalek@iipm.uz.zgora.pl

2 77 stosunkowo dawno, jednak dokładne jego badania podjęto dopiero w ostatnich latach. Wiedza o mikrostrukturze warstwy kontaktu pozwala pośrednio określić opór cieplny tej warstwy a w konsekwencji na grubość warstw cyny. W dotychczasowych badaniach, poza analizą teoretyczną autorów [8,10],ograniczano się wyłącznie do oceny strukturalnej warstw kontaktu bez uwzględniania roli ruchu metalu w trakcie powstawania łącza. 1.2 Warstwa kontaktu Propozycje modelowania płynnej cyny płynącej poniżej zimnej blachy miedzianej pokazano w pracy [8,10 ]. Warstwa kontaktu SOL (rys. 1.) powstaje w procesie krzepnięcia zarówno pomiędzy: zimną płytą (blacha miedziana -Cu) o grubości H i zamrożoną warstwą (cynowa warstwa - Sn) o zmiennej grubości 1. Zarówno grubości 1 jak i SOL zależą od czasu pogrążania płytki miedzianej w ciekłej cynie i temperatury zarówno miedzi jak i cyny. Rys. 1. Schemat kształtującej się warstwy kontaktu Fig. 1. Scheme of the contact layer Z dotychczasowych analiz i badań wstępnych autorów wynika znaczny wpływ liczby Biota na grubość zamrożonej warstwy, jak również od jej struktury (opisywanej przez makroskopowy parametr przenikania ciepła α [8]). Prezentowana praca stanowi próbę dokonania oceny wpływu przepływu strugi metalu na strukturę warstwy kontaktu. 2. WYNIKI BADAŃ Badania przeprowadzono na agregacie do lutowania na fali stojącej [11] z wykorzystaniem próbek miedzianych o wymiarach 70 x 10 x 5 [mm]. Próbki po odtłuszczeniu w acetonie i wytrawione w 0,1 molowym kwasie siarkowym przez 2

3 78 [min], umieszczano w statywie, podgrzewano do temperatury ~ 250 o C i pokrywano kalafonią. W wyniku uruchomienia agregatu, z wydostającym się z dyszy ciekłym lutowiem, następowało chwilowe pokrywanie płytek miedzianych ciekłą cyną. Dla porównania zastosowano metodę zanurzania w lucie (bez przepływu). Wyniki zebrano w tablicy 1. Tabela 1. Zestawienie powierzchni próbek po lutowaniu z i bez przepływu ciekłego lutowia. Table 1. The composition of surface of samples after flux and without flux of liquid solder. Lutowanie na fali Lutowanie zanurzeniowe 2 [min] 4 [min] 2 [min] 4 [min] Widok powierzchni próbek Rys. 2. Próbki po naniesieniu warstwy cyny metodą fali stojącej, czas przepływu strugi: a) 2min, b) 4 min Fig. 2. The sample after drift the shell of tin the method of wave standing, the time of flux the planes: a) 2min, b) 4 mines

4 79 Rys. 3. Próbki wykonane przez zanurzenie w nieruchomym lucie, czas zanurzenia: a) 2min, b) 4 min Fig.3. The executed by draught in solid solder samples, time of draught: a) 2min, b) 4 mines W miejscach ciemnych poziomych kresek tab. 1. próbki były poprzecinane i zrobiono zgłady poprzecznych powierzchni. Następnie na mikroskopie wykonano zdjęcia styku miedzi i lutu. Wynik badań obszaru połączenia miedzi z cyną pokazują zdjęcia mikrostruktur na rysunkach 2 i PODSUMOWANIE I WNIOSKI W zależności od oddziaływania miedzi i lutowia Sn-Pb, niezależnie od sposobu lutowania, ciekły lut rozpuszcza w sobie miedź i dyfunduje równocześnie w głąb miedzi. Taki obszar wzajemnego przenikania składników uczestniczących w procesie lutowania określono jako warstwę kontaktu. Jak wykazano, między innymi w pracach autorów, grubość takiej warstwy wpływa na przewodność cieplną i elektryczną całego łącza. Z bilansu energii wynika, że strumień ciepła wynikający z przemiany fazowej ciekłego lutowia w ciało stałe i konwekcyjny od przepływającego lutowia jest pochłonięty przez płytkę miedzianą. Rozwiązanie równania bilansu energii przy warunkach początkowych δ 1 = 0 i t = 0, w bezwymiarowej postaci określa grubość warstwy zakrzepłej (wzór 1 [8]). Ste a Ste Ste 1 a a Bi ln1. Ste a (1)

5 80 Wyniki obliczeń grubości zamrożonej warstwy w czasie dla różnych liczb Biota wskazały na znaczny wpływ tej liczby na grubość zamrożonej warstwy. Taki opis można przyjąć, gdy przepływ ciepła przez warstwę kontaktu pośrednio zależy od struktury tej warstwy opisywanej przez makroskopowy parametr przenikania ciepła α [8]. Przedstawione w pracy wyniki wskazują na znaczne różnice grubości powstającej warstwy kontaktu zależnie od sposobu lutowania. Warstwa kontaktu podczas krzepnięcia statycznego (w przypadku zanurzania płytek miedzianych w lutowiu) wynosiła odpowiednio 2-3 mikrometrów po 2 minutach zanurzania i około mikrometrów po zanurzaniu przez 4 minuty. Natomiast po lutowaniu z udziałem przepływającej strugi lutowia odpowiednie grubości wynosiły ok. 15 i mikrometrów, jednocześnie przy znacznie mniejszej warstwie zakrzepłego lutowia. Uzyskane wyniki wskazują na konieczność ustalania odrębnych założeń przy rozpatrywaniu warunków dynamicznego lutowania. Odrębnym zagadnieniem jest możliwość tworzenia faz międzymetalicznych w tworzącej się warstwie kontaktu. Prowadzone obecnie badania wstępne potwierdziły konieczność dokonania szczegółowej analizy zmierzającej zarówno do określenia kinetyki wzajemnego rozpuszczania, jak i tworzenia się faz międzymetalicznych w warstwie kontaktu lutowie-miedź. LITERATURA [1] Radomski T., Ciszewski A., Lutowanie, Warszawa, WNT [2] Missol W., Energia powierzchni rozdziału faz w metalach, Katowice, Wydawnictwo Śląsk [3] Romankiewicz F., Jocz Z., Laboratorium ze spawalnictwa, Zielona Góra, W.S.I [4] Mika M., Wiśniewska E., Lutowanie na fali ciekłego spoiwa, Elektronika cz [5] Gąsior W., Moser Z., Pstruś J., Kucharski M., Lepkość ciekłych stopów ołówcyna, Kraków, PAN [6] Szkoda F., Wpływ trzecich pierwiastków wzajemną rozpuszczalności miedzi i ołowiu w stanie ciekłym w świetle badań literaturowych, Częstochowa, Politechnika [7] Romankiewicz F., Cydzik J., Zochniak S., Próby zastosowania technologii lutowania na fali do produkcji wielofunkcyjnego testera obwodów scalonych, Zielona Góra, W.S.I [8] Ignaszak Z., Lipnicki, Bydałek A., Solidification of liquid metal flowing below a cold plate, Fifth International Pamir Conference Fundamental Applied MHD, vol. II31-II36, Ramateuelle, France,2002. [9] Praca zbiorowa Poradnik galwanotechnika, WT [10] Lipnicki Z.: Role of the contact laser between liquid and solid on solidification process, Int. J. Heat and Mass Transfer 46, , 2003.

6 81 [11] Kleszcz S; Opracowanie projektu I wykonanie urzadzenia do autoamatycznego lutowania na fali, Pr. Dypl. WSInż., Zielona Góra, 1976 THE SOLIDIFICATION Sn-Pb ALLOYS ON THE CUPPER IN THE DYNAMIC CONDUCTIONS SUMMARY The microstructures and disposition of elements in the tin solution. The paper examines experimentally the solidification of the liquid flowing Sn-Pb alloy below a cooled plate. The structure contact of the copper-lead-tin layer is composed and different for static and dynamic solidification conductions The described observations are extremely important because they explain how the process of forming of the products during the dynamic solidification taking place on the of interfacial surface tin - copper conductivity Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski