Бессвинцового припоя

Законодательная инициатива или тенденция времени

Почему именно сейчас бессвинцовые припои так быстро начали отвоевывать позиции у традиционных составов? Дело в том, что директива Евросоюза «Об ограничении применения опасных веществ» (принятая в 2003 году и вступившая в силу 1 июля 2006 года) обязала ограничить применение свинца (и еще пяти веществ) при производстве электрических и радиоэлектронных устройств.

Хотя приверженцам привычного припоя ПОС-40 огорчаться не стоит. Его до сих пор производят и продают. Во многих странах припои оловянно-свинцовой группы применяют в транспортной, военной и аэрокосмической промышленности.

Какие бывают бессвинцовые припои

Во многих государствах все большее внимание уделяется вопросам экологической безопасности материалов. Накопилась научно подтвержденная информация о вреде свинца и его соединений.

В связи с этим популярность набирает бессвинцовый припой, имеющий хорошие эксплуатационные свойства. Он менее вреден для организма человека.

Общие требования

Количество композиций металлов, не включающих свинец, постоянно увеличивается. Благодаря многолетнему применению на практике, известность получили несколько основных составов. Для многих из них характерно явление эвтектики.

Оно заключается в том, что температура плавления сплава с тщательно подобранным соотношением металлических компонентов ниже, чем у любой другой смеси выбранных металлов. Эвтектические качества бессвинцового припоя позволяют снижать температуру нагрева рабочей зоны, экономить количество потребляемой электроэнергии.

Существуют общее требования к припоям без свинца – отсутствие лишних примесей. Посторонние металлы негативно влияют на качества шва:

• если в сплавах в небольших количествах находится никель, то шов может иметь полости;
• примеси алюминия приведут к получению тусклого и зернистого соединения;
• железо значительно увеличивает вероятность образования окалины;
• медь в избыточном количестве склонна увеличивать смачиваемость;
• сурьма может вызвать образование шва, хрупкого при невысоких показателях температуры.

Важно применять припои, сделанные авторитетными производителями. На предприятиях, профессионально занимающихся получением бессвинцовых припойных сплавов, много внимания уделяется контролю чистоты всех компонентов. Качеству такой продукции можно доверять.

Припои из олова и меди применяют давно. Смесь относится к эвтектическим, при этом имеет температуру плавления большую, чем другие припои, не содержащие свинца.

Припойная композиция из олова и серебра имеет отличные эксплуатационные качества. Пайка с ней проводится легко, шов получается прочным и долговечным.

Температура плавления эвтектического композита с серебром равна строго 221 °С. Узкий температурный диапазон плавления – характерная особенность всех бессвинцовых эвтектических смесей.

Некоторые зарубежные производственные компании выпускают бессвинцовый трехкомпонентный композит с соотношением металлов, несколько отличающимся от привычного.

Вследствие этого, температура плавления таких эвтектических смесей может быть иной. Подробная информация о составе обязательно указывается производителем в сопроводительных документах.

Сплавы с висмутом

Лучшей спаиваемостью обладает припой из олова, серебра и небольших количеств висмута. Иногда вместо висмута добавляют германий. Бессвинцовый сплав имеет низкую температуру плавления, которая укладывается в интервал от 200 до 210 ℃.

Значение может изменяться в зависимости от соотношения металлов. Добавки улучшают смачивание деталей расплавом, способствуют образованию качественных швов.

Очень близка температура плавления смеси олова, цинка и висмута к аналогичному показателю свинцовых припоев. Достоинством бессвинцового сплава является отсутствие токсичного компонента.

Паять таким бессвинцовым средством нужно с применением флюсов, в атмосфере инертных газов. Иначе велика вероятность окисления, излишнего зашлаковывания шва.

В качестве флюсов при проведении бессвинцовой пайки преимущественно применяют композиции в водном растворе, не содержащие летучих органических веществ (VOC).

Они не склонны к воспламенению, обладают активностью в большом диапазоне температур. Составы и пасты на их основе можно хранить в замороженном состоянии сколь угодно долго.

Флюс для бессвинцовой пайки долго не теряет необходимых свойств, обладает хорошим поверхностным натяжением, улучшает текучесть расплавленной массы.

Возможности пайки бессвинцовыми припоями велики. Они включают проведение спаивания волной или в специальных печах.

Можно использовать обычный паяльник. Выбор технологии определяется объектом, условиями эксплуатации спаянного изделия, спецификой производства.

При работе на предприятиях оборонного назначения рекомендуются высококачественные смеси из олова, серебра, меди, к которым при необходимости добавляют сурьму.

Для работы с профессиональной техникой в промышленности, системах связи также пригодны припои из олова, серебра, меди или только оловянно-серебряные составы эвтектического характера.

Для офисного оборудования, аудио- и видеотехники рекомендованы также составы на основе олова, серебра с добавками меди или сурьмы или без таковых. Припои, содержащие висмут, из соображений экономии денежных средств применяются значительно реже.

Влияние на здоровье

Ограниченные возможности применения бессвинцовых припоев в радиоэлектронике, их не очень хорошая смачиваемость и необычная температура плавления вызывают недовольство у многих паяльщиков.

Безопасность оловянных сплавов они ставят под сомнение. Мнение некоторых практиков сводится к тому, что неудобств много, а вред для человека все равно имеет место быть.

Олово, входящее в бессвинцовые припои, обладает токсичностью в случае, если частички попадают в легкие. Олово кипит при температуре 2600°. Это очень высокий показатель, который в процессе пайки, конечно, не достигается. Следовательно, выделение паров олова при спаивании деталей не происходит.

Сам по себе металл не представляет опасности. Олово разрешено к применению в пищевой промышленности. Следовательно, мнение о токсичности бессвинцовых припоев не оправдано.

Пайка с бессвинцовым припоем обычно проводится по известной схеме. Поверхность деталей следует хорошо почистить, расплавить выбранный припой, распределить его на спаиваемой зоне.

Особое внимание нужно обратить на температуру нагрева. Припои без свинца плавятся при меньшей температуре. После охлаждения нужно проверить качество полученного соединения.

Особенности технологии пайки

Припои на основе олова и свинца на протяжении многих десятилетий используют в самых разных отраслях промышленности. Но в последнее время доля их применения значительно уменьшилась. На смену им пришли бессвинцовые припои. Однако олово осталось основным компонентом и в их составе. А вот содержание свинца сведено к нулю (отсюда и название).

Бессвинцовый припой является одним из основных материалов, используемых в процессе пайки волной припоя, селективной пайки и ручной паки.

Высокочистый припой специально разработан для применения при групповых методах пайки, таких как пайка волной или двойной волной припоя, селективная пайка, пайка протягиванием или погружением.

Так же припой в виде проволоки без флюса используется для ручной пайки с дополнительным флюсованием. Это дает возможность использовать высокочистые бессвинцовые припои для ручной пайки, доработки, ремонта и прототипирования.

• Высококачественные пайки без образования сосулек в процессе пайки
• Качество бессвинцового припоя соответствует требованиям международных стандартов J-STD-006, DINEN 61190-1-3, DINEN 29453 и DIN 1707
• Низкий уровень примесей увеличивает время жизни припоя в паяльной ванне
• Длительный срок жизни припоя в ванне

• Обладают меньшей текучестью и меньшей смачиваемостью. Из этого следует, что такие составы обеспечивают менее надежный контакт.
• Бессвинцовый припой обеспечивает после затвердения обладает матовой поверхностью, то есть кристаллизуется под длительным воздействием высоких температур.
• Вследствие описанных выше свойств высока вероятность отпадания припаянных деталей.
• Существует вероятность, что при длительном воздействии припоя на рабочую поверхность при высокой температуре последняя может быть повреждена.
• Бессвинцовые припои стоят дороже.  

Существует несколько типов бессвинцовых припоев. Самыми популярными являются:

• Олово/Серебро (имеет обозначение SnAg). Количество олова в составе припоя — 96,5%, а серебра — 3,5%. Температура плавления припоя составляет 221°С. Особенностью состава является то, что его можно использовать с более новыми припоями, покрытым чистым оловом. Что касается традиционных оловяно-свинцовых припоев, то с ними он несовместим.  
• Олово/Медь (обозначается SnCu). Количество олова в припое составляет 99,3%, а меди — 0,7%. Этот состав совместим как с новыми, так и старыми традиционными припоями. Точка плавления составляет 227°С. После затвердения имеет матовую поверхность. Отличительными особенностями является низкая стоимость состава, однако и низкие эксплуатационные характеристики.  
• Олово/Серебро/Медь (имеет обозначение SAC). Количество олова в данном соединении — 96,5%, серебра — 3%, меди — 0,5%. В некоторых случаях количество меди может немного отличаться. Этот состав является одним из наиболее популярных так называемых Pb-free припоев. Он совместим с обычными припоями на основе свинца. Точка плавления состава составляет 219°С.  

Перечисленные припои являются очень распространенными, и используются в электронной промышленности.

• Indium TACFlux 018 флюс для ремонта
• Indium TACFlux 025 флюс для ремонта
• Indium TACFlux 020В флюс для ремонта

Условия поставки

Высокочистые ELSOLD в форме прутков для систем групповой пайки поддерживается на складе.

Упаковка

Бессвинцовый припой поставляется на катушках 500 грамм и 1 кг в виде проволоки разных диаметров в диапазоне от 1,0 до 6,0 мм. Так же припой в виде проволоки используется в системах автоматической подачи припоя для которых он поставляется на специальных катушках весом от 2 до 20 кг.

Срок годности материала не менее 24 месяцев от даты производства. Рекомендуется хранить материал в чистом сухом помещении. Использование материала после истечения срока годности в большинстве случаев возможно, однако это должно быть подтверждено испытаниями перед использованием.

Переход на использование бессвинцовых припоев обусловлен соображениями повышения экологичности и безопасности человека. Однако это накладывает отпечаток не только на использование данных составов, но и технологии. В каждом конкретном случае они отличаются, однако существует ряд общих нюансов. Среди них:

• Большинство Pb-free составов совместимы с традиционными припоями. Исключения есть, но их немного (уточняйте отдельно в документации).
• Бессвинцовые припои, как правило, обладают большей температурой пайки. Поэтому зачастую для них необходимо использовать другое оборудование.
• Из-за высокой температуры пайки компоненты более чувствительны к влажности. Поэтому к готовым изделиям зачастую предъявляются дополнительные требования по хранению.
• Pb-free припои имеют более высокий коэффициент поверхностного натяжения. Это означает увеличения вероятности появления «вздутия» отдельных элементов на плате.
• Смачиваемость выводов обычно хуже. Это приводит к появлению «раковин» на микросхемах.

Основным достоинством таких составов является абсолютная экологическая безопасность. К тому же оборудование и технику, изготовленную с их применением, значительно проще утилизировать.

Технологическая особенность этих припоев – повышенная температура плавления. В среднем она на 50 ⁰С выше, чем у оловянно-свинцовых аналогов. Это несколько усложняет процесс пайки и повышает требования к используемому оборудованию.

По общепринятой классификации эти составы относятся к мягким припоям. Предел прочности на растяжение не превышает 100 МПа.

Нельзя не отметить такую важную характеристику этих припоев, как высокая электропроводность.

Технология производства работ с использованием припоев, не содержащих в своем составе свинца, практически ничем не отличается от пайки привычными компонентами. Однако следует учесть некоторые особенности.

На вопрос, чем паяют, ответ однозначный: паяльником. Однако лучше всего использовать устройство с терморегулятором. Это позволит проводить работы в диапазоне рабочих температур, указанных производителем. А он значительно меньше, чем у составов на основе свинца.

Для предотвращения перегрева деталей и минимизации теплового контакта необходимо подобрать оптимальную форму жала паяльника. К тому же следует учитывать, что обычный медный наконечник прослужит (при использовании таких припоев) довольно недолго. Лучше использовать специальные жала со стальным напылением или с покрытием из хрома и никеля.

Выбор флюса также играет немаловажную роль при работе с припоями без свинца. Обычно для этого используют специальные составы (как правило, более химически активные). Наиболее удобны в работе жидкости, гели и пасты, не требующие последующей очистки места пайки.

В остальном все, как обычно:

• разогреваем паяльник до требуемой температуры;
• при необходимости зачищаем места пайки;
• наносим флюс;
• одновременно прикладываем пруток припоя и жало паяльника к месту соединения элементов;
• даем спаянным элементам остыть естественным путем.

Бессвинцовый припой

Общие требования

Свинцовый припой используют при пайке для объединения нескольких металлических заготовок в одно изделие. При этом температура, при которой плавится припой, всегда меньше температуры плавления объединяемых элементов.

У нас можно купить свинцовый припой. Мы работаем с марками свинцового припоя С1, С2, ССуА, представленным в виде цилиндров, прутков, чушек и проволоки. Поставляем другие марки припоев: ПОС 30, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 63 и многие другие.

Популярность припоя из свинца обусловлена его легкоплавкостью. В чистом виде свинец —  мягкий, удобный для обработки материал. При взаимодействии с воздухом на поверхности свинца образуется пленка оксида. Металл хорошо растворим в кислотах и щелочах, которые содержат органику и азот. Температура плавления свинцового припоя с высокой химической чистотой —  327,5°C.

Во время нагрева свинца происходит процесс окисления, причем настолько быстро, что пайку проводят в восстановительной среде. Она замедляет процесс окисления и позволяет припою легко соединиться со спаиваемыми заготовками. Восстановительная среда образуется за счет нагревательной горелки, в которую подается кислород и водород воздуха. При этом должно быть избыточное количество водорода.

Существуют два вида припоя — мягкий и твердый. Данная классификация обусловлена механической прочностью и величиной температуры плавления. К мягким сплавам для пайки относятся такие, температура плавления которых меньше 300ºC, а к твердым — больше 300ºC.

Предел прочности мягких припоев варьирует от 16 до 100 МПа, а у твердых соответственно от 100 до 500 МПа. Выбор припоя для работы зависит от вида металла (или металлов, в том случае, когда они разные). Кроме этого учитываются антикоррозийная устойчивость, необходимая механическая прочность и стоимость.

Если в качестве металлических деталей выступают токопроводящие заготовки, обращают внимание на величину удельной проводимости припоя.

Называют припои чаще всего по названию металла, который содержится в них в наибольшем количестве. Например: свинцовый, оловянно-свинцовый. А в том случае, когда один из компонентов припоя — это драгоценный либо редкий металл, припой носит название этого компонента. Например: серебряный.

Для условного обозначения припоя используют русскую букву П (припой), затем заглавную букву названия основных составляющих (на русском языке) и их процентное количество.

Условное название составляющих выглядит так: А — алюминий; Ви — висмут; Г — германий; Зл — золото; Ин — индий; К — кадмий; Кр — кремний; Н — никель; О — олово; С — свинец; Ср — серебро; Су — сурьма; Т — титан. Припои из чистых металлов обозначаются аналогично ГОСТу на поставку. Например: С1 — свинец, О2 — олово.

Все припои, используемые для качественной пайки должны обладать свойством смачиваемости.  Из-за низкого предела текучести припои, изготовленные из свинца, склонны к ползучести. Ползучесть металла определяется удлинением зерен в металлическом сплаве либо межзерновым скольжением.

С целью блокировать процесс скольжения по границам зерен и ограничить перемещение их  в кристаллической решетке, в состав свинцового припоя добавляют серебро и сурьму. Необходимость использования этих элементов для пайки была известна давно.

Их применили в ПОС-61, снизив тем самым склонность к ползучести.

Свинец слабо реагирует со многими металлами. Свинец не растворим в никеле, кобальте, цинке, железе, алюминии и меди при низкой температуре. Для улучшения взаимодействия свинца с этими элементами и их сплавами, к свинцу добавляют легирующие компоненты, которые ускоряют процесс взаимодействия припоя с металлами, снижают температуру, при которой происходит  плавление свинца.

Три компонента — цинк, олово и сурьма вступают с медью в реакцию.  Поэтому их количество должно быть четко выверено. Избыток  этих элементов ведет к образованию между металлом и припоем хрупкого слоя химических соединений.

Это, в свою очередь, снижает статическую прочность спайки и ее прочность на вибрацию.

В свинцовых припоях должно содержаться максимально по 5% сурьмы и цинка, до 20% кадмия, до 30% олова. В некоторых случаях (например,  для пайки свинца) количество сурьмы в припое может быть увеличено.

Данный материал для пайки малопластичен, перед началом процесса пайки его вводят в зазор между спаиваемыми деталями.

Добавление в состав свинцового припоя при соединении элементов из меди и ее сплавов серебра и меди улучшает его технологические свойства. Для пайки сплавов из алюминия используют легкоплавкие припои с основой из кадмия и свинца. Они придают спайке повышенную коррозионную стойкость. Для спаивания стеклянных деталей берут материал  на основе свинца и добавками сурьмы и цинка.

Мягкие припои: бессвинцовые (Sn Cu Ag Bi др.), оловянно-свинцовые, оловянно-цинковые, оловянно-свинцово-кадмиевые, сурьмянистые. Твердые припои: серебряные, медно-цинковые, медно-фосфористые, медно-никелевые.

ПОС-18 — включает в себя от 17 до 18% олова, от 2 до 2,5% сурьмы и от 79 до 81% свинца.

Область применения: лужение металлов, когда требования к прочности пайки не высоки. Температура плавления: начало плавления 183°C, растекаемость 270°C.

ПОС-30 — включает в себя от 29 до 30% олова, от 1,5 до 2 % сурьмы и от 68 до 70% свинца.

ПОС-50 — включает в себя от 49 до 50% олова, 0,8 % сурьмы, от 49 до 50% свинца. Область применения: радиоэлектроника, качественная пайка различных металлов. Температура плавления: начало плавления 183°C, растекаемость 230°C.

ПОС-90 — включает в себя от 89 до 90% олова, 0,15 % сурьмы и от 10 до 11% свинца.

Область применения: лужение деталей для дальнейшего серебрения и золочения, прочность пайки высокая. Температура начала плавления 180°C, растекаемость 222°C.

В радиоэлектронной отрасли находят широкое применение материалы для пайки: ПОС-40, ПОС-60. ПОСК-50, ПОСВ-33, содержащие кадмий или висмут, эксплуатируются для лужения поверхности дорожек на платах.  

ПМЦ-53 — включает в себя от 49 до 53% меди, от 44 до 49% цинка. Температура, при которой плавится — 870°C.

ССуА называют свинцово-сурьмистым сплавом. Его состав определяется по ГОСТ 1292-81 и включает в себя: от 92,7 до 98% свинца, от 2 до 7% сурьмы, меди до 0,2%, мышьяка до 0,05%, бериллия до 0,03%, олова до 0,01%,  железа до 0,005% и цинка до 0,001%.

Припои С1 и С2 — это высокочистые свинцовые сплавы. примесей в них 0,015% и 0,05% соответственно. Сплав С1 характеризуется высокой антикоррозийной стойкостью и хорошей пластичностью. Благодаря последнему качеству, его легко плавить и обрабатывать.

Применение припоев

ПОС-90. Сфера применения: спаивание внутренних швов пищевых посудных изделий (кастрюли, сотейники и др.)

ПОС-40. Сфера использования: пайка медных, железных и латунных проводов.

— проволоки в бандажах и шлангов в электромоторах;

— жестяных, латунных и железных заготовок;

— оцинкованных, цинковых листов;

— деталей различных приборов и аппаратуры.

— оцинкованного железа;

—  деталей из свинца, латуни, меди, железа;

— лужения деревянных элементов перед пайкой.

— для спайки белой жести, железа, меди;

— для спайки клепаных замочных швов в свинцовых элементах.

Придел прочности для твердых припоев варьирует от 100 до 500 МПа.

Область их применения, как  материалов 1-ой категории прочности, распространяется на токоведущие части, элементы машин и механизмов, которые подвергаются высоким механическим и температурным нагрузкам.

Придел прочности на растяжение для мягких и среднетвердых припоев составляет от 50 до 70 МПа. Их берут для пайки токоведущих частей, которые не являются несущими элементами машин и механизмов.

Поставщик: ООО РТГ «МетПромСтар»

К разряду бессвинцовых припоев относятся те материалы, которые не имеют в своем составе свинца. Изначально использование подобной технологии было предпринято в экологических целях, так как этот металл относится к вредным для окружающей среды и здоровья человека.

Стоит отметить, что марки, в которых нет только свинца, но при этом содержится ртуть и кадмий, не относятся к бессвинцовым. Самым простым примером является оловянный припой без свинца, в  котором содержится только чистое олово.

Благодаря этому он получает повышенную смачиваемость и у него повышается электропроводность. Чтобы бороться с некоторыми недостатками, которыми обладает бессвинцовый припой из чистого олова, к нему добавляют такие элементы, как золото, серебро, медь и прочее.

Бессвинцовый припой

Этот относительно новая разновидность, разработки которой ведутся. Ведь пока не удалось найти альтернативу, которая бы полностью заменила стандартные виды припоев и превзошла их по всем параметрам.

Пока количество недостатков, в практическом плане, превышает количество преимуществ, но главной целью здесь является безвредность. К примеру, для пищевой промышленности, где идет непосредственный контакт с человеком. Здесь уровень безопасности стоит выше качества соединения.

Разновидности

Для бессвинцовой пайки на сегодняшний день применяют четыре основных вида припоев, которые состоят:

• только из олова (Sn);
• из олова и меди (SnCu);
• из олова и серебра (SnAg);
• из олова, серебра и меди (SnAgCu).

Последний состав наиболее широко применяют для пайки из-за сбалансированного соотношения «цена/качество». Основным компонентом в составе является, естественно, олово. Процентное содержание остальных ингредиентов варьируется в различных пределах и зависит от марки припоя и области его применения.

Оловянный припой (Sn-100) используют довольно редко, так как он имеет самую высокую температуру плавления (232 ⁰С). Однако известная японская фирма Nihon Superior позиционирует именно его как один из самых лучших припоев, не содержащих в своем составе свинец.

Есть еще специальные составы, содержащие висмут и индий. Однако они предназначены для узкоспециализированных целей и довольно редко встречаются в свободной продаже.

Медьсодержащие припои

Изначально был разработан специальный припой Sn99/3Cu0,7 (с содержанием меди 0,7 %) для автоматизированной волновой пайки печатных плат в заводских условиях. К недостаткам такого состава можно отнести относительно невысокую механическую прочность соединения. Под индексом ПОМ-07 его выпускает российский «Завод припоев» (Новосибирск). Из зарубежных производителей этой разновидности припоев наиболее известными являются Asahi (Сингапур), Wyctin B{amp}amp;C (Китай) и Tamington (США).

Для пайки различных изделий из меди (особенно труб питьевого водоснабжения), латуни, никеля, стали и сплавов на их основе применяют припой Sn97Cu3 (с содержанием меди 3 %). Швы, изготовленные с применением такого состава, обладают повышенной тепло- и холодостойкостью. Основными поставщиками этой разновидности припоев на российском рынке являются немецкие производители Rothenberger и Brazetec. Из отечественных производителей такую продукцию выпускает компания «Скат» (Санкт-Петербург).

Серебросодержащие припои

97/3, 96,5/3,5 (самое популярное и наиболее широко применяемое соотношение), 96/4 и 95/5. Температура плавления у таких составов (221 ⁰С) ниже, чем у медьсодержащих изделий. К тому же они отличаются повышенной надежностью соединения (обустроенного с их помощью), а по параметрам прочности даже превосходят свинецсодержащие припои. Наиболее широко на российском рынке представлена продукция немецкой фирмы Felder и американской Kester.

Трехкомпонентные припои

Чем паяют сегодня электрические детали и радиокомпоненты на современных предприятиях (а также многочисленные любители делать это своими руками)? Трехкомпонентными припоями SnAgCu. Именно такой состав сочетает в себе все достоинства бессвинцовых изделий, обладает хорошими эксплуатационными показателями, низкой температурой плавления (217 ⁰С) и оптимальным соотношением «цена/качество».

Научный спор о соотношении компонентов длится довольно давно. На сегодняшний день оптимальным (как по мнению производителей, так и по отзывам многочисленных потребителей) считается содержание в таком припое 95,5 % олова, 3,8 % серебра и 0,7 % меди (Sn95/5Ag3/8Cu0,7). Он широко используется на предприятиях по выпуску радиоэлектронной аппаратуры и электротехники.