А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 76

Конкуренция этих двух противоборствующих факторов приводит к некоторой оптимальной температуре промывки. Для повышения эффективности очистки в моющую жидкость нередко добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), относящиеся к классу высокомолекулярных органических соединений (таких как соли высших жирных кислот и спиртов типа мыла), которые были упомянуты в п. 6.1, Иллюстрация работы молекул ПАВ при очистке изображена на рис. 6.22. Молекулы ПАВ состоят из углеводородного радикала в виде длинной цепочки звеньев СНз — СНо — СНз —...— СНо —..., заканчивающейся полярной группой типа карбоксильной группы СООН. Такая группа изображена на рис.

6.22 кружочком, а углеводородный радикал — палочкой. Полярная группа ПАВ электрически взаимодействует с полярными молекулами воды, в то время как углеводородный радикал, являясь гидрофобным, не смачивается водой. Поэтому вода стремится вытеснить молекулы ПАВ из своей среды. Как следствие этого, они частично располагаются на поверхности раствора с вертикально направленными наружу гидрофобными радикалами, образуя так называемый «частокол 384 Гл.

6. Управление поверхноепзнвгми явлениями Ленгмюраео обозначенный на рис. 6.22 цифрой 4. По этой же причине молекулы ПАВ, оставшиеся в объеме жидкости, стремясь экранировать свои гидрофобные радикалы от молекул воды, адсорбируются на разных поверхностях (загрязнениях и газовых пузырьках) таким образом, что их полярные группы обращены наружу, как показано на рис. 6.22 цифрами 1, 2 и 3. Рис. 6.22 Схематическая иллюстрация действия молекул поверхностно- активных веществ (ПАВ) в моющей жидкости, применяемой для очистки поверхности от загрязнения Взаимодействие ПАВ с адсорбентом осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса и водородной связи.

Полярные молекулы воды оказывают тяговое действие на полярные группы молекул ПАВ, которое через их радикалы передается поверхностным загрязнениям, покрывающим очищаемую деталь 1. Это способствует диспергированию (размельчению) и отрыву частиц загрязнения от поверхности. Оторвавшаяся частица 2 окружается молекулами ПАВ, которые создают оболочку, препятствующую ее обратному осаждению. ПАВ добавляются также в химически активные растворители.

Возникающие в процессе реакции газовые пузырьки 3 обволакиваются молекулами ПАВ, ориентированными полярной группой наружу, Эти полярные группы взаимодействуют с такими же группами молекул ПАВ, адсорбированных на частицах загрязнения 2. В результате этого всплывающие газовые пузырьки транспортируют за собой частицы загрязнения в направлении, указанном стрелкой на рис. 6,22. Для интенсификации процессов очистки и промывки, в том числе в дистиллированной и деионизованной воде, используют ультразвук. В сильном ультразвуковом поле моющая жидкость испытывает явление кавигпачии в виде газовых пузырьков, образующихся в результате разрыва сплошности среды под действием б.!0. Механизмы формирования вакуумно-нлотнь~х соединений 385 интенсивных ультразвуковых колебаний частиц жидкости. Кавитационные пузырьки, схлопываясь на очищаемой поверхности, создают сильные гидродинамические микроудары с давлением до тысяч атмосфер.

Это способствует диспергированию и отрыву поверхностных загрязнений. Кроме того, в такой сильно полярной жидкости, как вода, стенки кавитационных пузырьков заряжаются до высоких потенциалов. Между пузырьками с разноименными зарядами могут возникать электрические разряды, сопровождающиеся диссоциацией воды и рядом цепных реакций с образованием химически активных молекул типа ОН, НаОв, НМОз (последняя за счет растворенного в воде азота). Следовательно, в ультразвуковом поле даже нейтральная вода приобретает химически активные свойства, способствующие очистке поверхности.

6.10. Механизмы формирования вакуумно-нлотных соединений материалов Процесс создания монолитного герметичного соединения деталей заключается в образовании прочных химических связей между атомами соединяемых материалов. На первый взгляд кажется, что такой процесс термодинамически всегда возможен без подвода внешней энергии, так как при соединении поверхностей исчезает их поверхностная энергия, что понижает общую энергию системы, Однако в действительности это не так, и на практике требуется энергетическая активация процесса путем подвода энергии в форме тепла (термическая активация), упруго- пластической деформации материала (механическая активация) или облучения высокоэнергетическими частицами (радиационная активация).

Физически процесс соединения материалов можно представить протекающим в две последовательные стадии: 1) стадия физического контакта, осуществляемая путем сближения соединяемых поверхностей до межатомных расстояний, при этом на границе возникает активационный барьер, порожденный близкодействующими силами взаимного отталкивания поверхностных атомов; 2) стадия химического контакта, осуществляемая путем энергетической активации за счет подвода внешней энергии, необходимой для перевода поверхностных атомов в возбужденное активное состояние, что делает их способными преодолевать активационный барьер с последующим образованием прочных химических связей. 13 А А.

Бврыоин 386 рл. б. управление паверхнаагнными явлениями Процесс соединения материалов может происходить как в жидкой фазе с нагревом, так и в твердой фазе под сильным давлением, В первом случае физический контакт осуществляется силами адгезии при смачивании поверхности жидким материалом (припоем или расплавом). Термическая активация дополняется диффузией компонентов и их взаимной растворимостью в жидкой фазе. При затвердевании слабые адгезионные силы, обеспечивающие смачивание, заменяются прочными химическими связями, соответствуюгцими природе соединяемых материалов. Во втором случае физический контакт возникает в результате пластической деформации микронеровностей на соединяемых поверхностях при сжатии деталей.

Механическая или термомеханическая активация, достигаемая давлением или давлением с нагревом, приводит к возбуждению поверхностных атомов преимущественно в местах выхода дислокаций. Эти возбужденные атомы создают активные центры схватывания на соединяемых поверхностях, между которыми возникает химическое взаимодействие (ионного, ковалентного или координационно-ковалентного типа), приводящее к устойчивым электронным конфигурациям.

Именно это и обеспечивает монолитность и герметичность соединения. Рассмотрим подробнее физическую сущность различных методов соединения материалов в жидкой и твердой фазах. Соединение в жидкой фазе включает пайку припоями и разные виды сварки плавлением, в том числе газовую, аргонодуговую, плазменно-лучевую, электронно-лучевую и лазерную сварки. Пайка припоями осушествляется с использованием мягких припоев (Твя < 450'С) или твердых припоев (Тия > 450'С) без расплавления соединяемых материалов. Главным условием обеспечения герметичного соединения является растекаемость расплавленного припоя по обеим поверхностям. Смачивание поверхности жидкостью формирует каплю припоя в форме сферического купола, аналогичного трехмерному зародышу, показанному на рис, 6.12. Краевой угол смачивания д определяется соотношением между поверхностными натяжениями на трех границах раздела: гхн, = и„, (газ — твердое), гхя, = о.„, (жидкость-твердое) и ош = егь (газ-жидкость), которые связаны формулой Юнга (6.64).

Зависимость й от (о„— о,) показана на рис. 6.14, где случаю растекаемости соответствует область полного смачивания при о,„< (те„— и,). Для выполнения этого блд. Механизмы формирования еакуумно-илоыных соединений 387 неравенства необходимо так подбирать материал припоя, чтобы уменьшить сумму (а,м + амт) по сравнению с величиной а,, Для повышения растекаемости спаиваемые детали часто покрывают гальваническим слоем меди, никеля, серебра или золота, который, наряду с увеличением в„, предупреждает межкристаллитную коррозию металлов. Напротив, окисные пленки на поверхности металлов снижают а,, и тем самым препятствуют растекаемости припоя, приводя к его коагуляции (скатыванию в капли).

По этой причине пайку чаше проводят не в вакууме, а в атмосфере водорода, восстанавливающего поверхностные окислы, Преимущество использования эвтектических припоев (типа медно-серебряного припоя ПСр72) для получения вакуумно-плотных спаев описано в п. 2.8. Сварка плавлением осуществляется путем расплавления соединяемых материалов без применения припоя. Методы сварки различаются способом подвода энергии к месту соединения с целью нагрева и активации процесса сварки. Газовая сварка обеспечивает нагрев за счет теплоты сгорания водорода, природного или водяного газа в пламени газовой горелки.

Она применяется как для сварки металлов, так и для создания вакуумно-плотных спаев металла со стеклом и керамикой, рассмотренных ниже. Аргоно-дуговая сварка и плазменно-лучевая сварка осуществляются в атмосфере аргона. При аргоно-дуговой сварке нагрев происходит за счет тепла электрической дуги, горящей между неплавяшимся вольфрамовым электродом и свариваемыми деталями. Плазменно-лучевая сварка обеспечивает нагрев плазменным лучом, вытекающим со сверхзвуковой скоростью из плазменной головки (называемой дуоплазмотроном), внутри которой сформирована высокотемпературная плазма.