Соединение деталей и узлов радиоэлектронной аппаратуры пайкой и сваркой Фазовые диаграммы и твёрдые растворы

Фаза – это однородная часть материала системы (кристаллическая, аморфная, жидкая, газообразная или плазма).

Фазовая диаграмма – график, на котором в зависимости от давления, молярного объёма и температуры изображают фазовое состояние одного материала или системы из нескольких компонент. Бывают однофазные, двухфазные и трёхфазные состояния на этих диаграммах. Фазовая диаграмма необходима для объяснения свойств материала во всех случаях, когда речь идёт о взаимодействиях различных материалов. Это особо актуально для микроэлектроники, когда при изготовлении выводов и пассивировании слоёв используется большое многообразие материалов.

Для большинства случаев нет необходимости рисовать трёхфазные графики, на диаграмме возможно чётко различить области в которых материал существует только в одном состоянии. Двухфазные диаграммы возможно получить только на разделе фазовых состояний. Тройная точка возможна при определённом сочетании параметров, часто эта точка является характерной точкой отсчёта температур. Очень часто в качестве точки отсчёта выступает тройная точка воды (в прецизионных измерениях с использованием термопары, когда опорный спай контактирует с системой лёд-вода-пар).

На двойной диаграмме по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс процентное соотношение компонентов смеси (в массовых или объёмных долях), давление обычно принимают равным одному атмосферному.

Рассмотрим двухкомпонентный состав состоящий из углерода (А) и железа (В) (здесь , и – состояния железа, ( ) – жидкая фаза, расплав). Линия ликвидус (например, или ) – это линия полного плавления твёрдых фаз. Линия солидус (например, ) – линия, когда исчезает последняя капля расплава.

Точка пересечения двух линий ликвидус часто является точкой минимальной температуры при которой происходит плавление для всех комбинаций веществ А и В, эта точка называется точкой эвтектики (нонвариантная точка в системе из компонент, в которой находится в равновесии твёрдых фаз и жидкая фаза).

Рассмотрим, как происходит переход из жидкой фазы в твёрдую. Допустим, что смесь имеет 4% содержание углерода и находится при температуре 1400 °С. При остывании с этой температуры до 1250 °С существует только жидкая фаза. Когда расплав остынет до 1250 °С начнётся кристаллизация и будет иметь место как жидкая фаза, так и твёрдая фаза . При дальнейшем охлаждении процентное содержание жидкой фазы будет уменьшаться, а процент будет расти. При достижении температуры в 1147 °С (изотерма, в данном случае линия солидус) мы получим переходное состояние между с жидкостью в с . При дальнейшем понижении температуры всё вещество перейдёт в твёрдое состояние. Если содержание углерода увеличивать до 4,3%, то при охлаждении до 1147 °С мы попадём в точку эвтектики в которой будут находиться в равновесии все 3 состояния , и расплав железа насыщенный углеродом. Таким образом можно определить состав фаз при любой температуре.

Количество вещества можно определить из условия сохранения суммарной массы. Например, если при какой-то температуре содержание одного из веществ равно , то при условии сохранения суммы масс мы имеем: , здесь и – масса вещества в жидком и твёрдом состоянии соответственно; и – содержание этого вещества в жидком и твёрдом состоянии. Из этого следует: .

При температуре выше температуры эвтектики имеет место быстрое сплавление веществ и . Если при этом быстро охладить сплав, то атомы вещества , будут пойманы в кристаллической решётке вещества . Но если при нормальной температуре твёрдый раствор, например, в будет меньше, то в сплаве возникнет сильное напряжение, влияющее на его свойства (закалка). Но в микроэлектронике введение легирующих материалов до диффузии при повышенной температуре проводят с расчётом на исключение повреждений поверхности от избыточного сплавления (возможность появления второй фазы и связанной с ней деформацией).