Припой с флюсом: что это такое и как использовать?

Тугоплавкие и легкоплавкие

Припои для пайки подразделяются на тугоплавкие и легкоплавкие. Еще их называют твердые и мягкие. Все виды припоев широко используются в машиностроении, электротехнике, электронике.

Твердые припои применяют, когда необходимо достичь большой прочности соединения. Наверно, такие соединения можно было бы назвать конструктивными. Температура плавления их достигает 500 ℃ и выше.

Такая температура опасна для большинства компонентов электронных схем, особенно для полупроводниковых приборов и ограничивает их применение, поэтому для пайки используют другие сплавы – легкоплавкие.

Их получают добавлением в олово большего количества свинца. Все легкоплавкие припои имеют температуру плавления около 200 – 240 ℃.

Основная составляющая флюсовых добавок, применяемых при работе с твердыми припоями – это борные соединения, объединенные под общим названием «бура» (Na2B4O7).

С целью повышения активности флюсов этого класса в них добавляется небольшое количество фтора с образованием таких активных соединений как фтористый калий и кальций.

Для работы с изделиями из меди и ее твердых сплавов желательно применять химически чистую буру, являющуюся универсальным флюсовым составом, оптимально подходящим для условий высокотемпературной пайки.

Следует заметить, что флюсовые добавки для мягких и твердых припоев выпускаются в самых различных исполнениях (в виде жидкости, кристаллов или порошка) и нередко объединяются с припоями.

Такой прием позволяет упростить операцию их дозирования и нормировать расход этой важной для качественной пайки составляющей.

Как проходит пайка сложных металлов?

Не так уж она и отличается от соединения других металлов по своей технологии. Например, наш процесс – пайка меди и стали. Мы никуда не денемся от тщательной очистки поверхности от главного врага хороших швов – окисной пленки. Мы будем использовать флюсовую смесь для улучшения процесса пайки.

Таблица паяльных флюсов.

Между заготовками не забудем оставить зазор адекватно ширины – примерно 0,5 мм. Разогрев металлов нужно проводить также, без каких-либо новых нюансов. При достижении рабочего температурного уровня припой соединяем с деталями.

Затем конструкцию оставлять остывать максимально естественным образом. Вуаля, никаких новостей и секретов хозяйки медной горы. Где технологические нюансы, и о чем статья?

Нюанс, конечно, есть. Имя ему – припой для пайки меди. Все дело в его качестве и природе. Он великолепно подходит для работы как с медными заготовками, так и деталями из ее самых разнообразных сплавов, в которых партнерами выступают железо, никель, фосфор, олово, марганец и другие.

Все многочисленные варианты сплавов и их применения изложены в ГОСТе 52955 – 2008. Если в таких сплавах имеют место окислы, они без проблем убираются – в этом случае проблем при пайке медным припоем практически нет.

Если же «партнерские» металлы имеют свойства образовывать оксиды, с которыми флюсы для пайки меди справляются с трудом или вообще не справляются, то могут возникнуть проблемы.

К счастью, в пайке можно формировать швы любой толщины без потреб качества, что никак не получится при сварке с помощью электрода. В зазор между заготовками медно фосфорный припой отлично втягивается, чтобы заполнить все возможные ниши и промежутки с образованием отличной герметичности соединения.

С температурой плавления менее 200 градусов

Существуют и припои с очень низкой температурой плавления. Это, например, ПОСК-50-18. Из маркировки следует, что олова в этом припое 50% и 18% кадмия, свинца – 32%.

Такой припой плавится при температуре 142 – 145 ℃. Он очень пластичен, но из-за содержания кадмия, токсичен.

Еще одним примером таких легкоплавких припоев служит ПОСВ-50 (у него есть название Розе). Здесь число 50 указывает на содержание висмута в количестве 50%, а олово и свинец присутствуют в составе в равных долях – по 25%.

Температура плавления припоя 90 – 94 ℃. Эти два продукта для пайки выпускаются чаще всего в форме, напоминающей по виду и по размеру таблетки. Третий сплав Вуда, содержит олово в количестве 10%, свинец – 40%, висмут – 40%, кадмий – 10%.

Его температура плавления не превышает значения 72°С. Из-за наличия в своем составе кадмия, он токсичен. Сплавы Розе и Вуда довольно дороги.

Для пайки полупроводников очень часто используют индиевые припои, так как температура плавления их около 117 ℃. В таком сплаве индий выступает вместо олова, а свинец также добавляется, чтобы смягчить его и сделать его более текучим.

Некоторыми индиевыми припоями допускается паять стекло. При этом кромки последнего перед пайкой просто натираются пастой.

Технологические советы и замечания

Они касаются пайки меди со сталью и другими добавочными металлами:

• Обязательное требование к припою по меди – это его хорошо расплавленное состояние. Это необходимо для полноценного заполнения пространства между соединяемыми поверхностями.
• Смесь должна растечься по абсолютно всей поверхности, следить за этим неукоснительно.
• Флюс используется для удаления оксидной пленки и любых других видов грязи.
• Стоимость данных смесей находится в очень широком диапазоне, это объясняется различными составами и техническими характеристиками их сплавов.

Оловянно-свинцовые

В зависимости от состава сплавов, точнее, от процентного содержания компонентов, образуются и названия марок припоев.

Например, ПОС-30. Буквами сокращенно обозначается химический состав – припой оловянно-свинцовый, а число обозначает процентное количество олова в составе – 30%.

Сплавы с содержанием олова и свинца, как правило, относятся к легкоплавким припоям для пайки.

Наиболее распространены следующие марки:

• ПОС-90. Используется тогда, когда присутствие свинца нежелательно. Это могут быть различные машины и механизмы, предназначенные для пищевой промышленности, отраслей сельского хозяйства. Свинец при соединении с некоторыми химическими элементами и на воздухе выделяет ядовитые испарения, вредные для здоровья живых организмов.
• ПОС-60. Универсальный припой. Он широко используется для пайки из-за сочетания его хороших прочностных характеристик и температуры, к которой лояльны радиоэлементы.
• ПОС-40. Он применяется для пайки изделий из оцинкованного железа. Используется при ремонте отопительных приборов, труб.
• ПОС-30. Такая марка используется для лужения, то есть для нанесения слоя олова на поверхность с целью придать последней антикоррозионные свойства.

Свинец придает сплаву мягкость и текучесть, пайка происходит проще. Пруток с большим содержанием свинца (более 30%) можно легко согнуть, тогда как чистый оловянный только с большим трудом.

Преимущества пайки

Пайка меди.

Соединение металлов методом пайки – очень популярная технология.

Этому есть серьезные причины:

• Пайка не деформирует детали во время процесса, их форма остается первоначальной.
• Не приходится иметь дела с явлениями коробления и какого-либо внутреннего напряжения.
• Прочность и герметичность сформированного шва.
• Независимость данной технологии и качества швов от различных температурных режимов, включая значительное нагревание.
• Возможность соединения металла с неметаллическими материалами.
• Нетрудное разъединение швов.

Содержащие сурьму

Для уменьшения степени окисления сплава в жидком состоянии и придания пайке лучшего вида, в состав его вводят сурьму. Согласно ГОСТ 21930-76 все оловянно-свинцовые припои для пайки в зависимости от химического состава классифицируются на:

• безсурьмянистые;
• малосурьмянистые, с содержанием сурьмы до 0,5 %;
• сурьмянистые, содержащие более 0,5% сурьмы.

Этот же ГОСТ определяет и области преимущественного использования каждой марки.

Таблица 1. Химический состав припоев

Классификация припоев

Припои подразделяются ровно на две категории по следующим параметрам:

• по химическому составу сплава, к примеру, фосфорный припой;
• по высоте температуры плавления;

Логично будет рассматривать виды припоев с точки зрения физических свойств получаемого паяного состава. Главный фактор – характеристики металла и сплава – компаньона.

Иностранные марки

Существуют и составы иностранного производства. Маркируются они по-разному, но в марке можно определить состав сплава. В качестве примера можно привести сплав Sb62Pb36Ag2, производимый американской компанией «Indium corporation».

В его составе 62% олова, 36% свинца и 2% серебра. Серебро в состав очень часто добавляют, чтобы увеличить текучесть после того, как припой расплавился.

Еще одним примером можно назвать продукт, производимый канадской компанией «UNIVERSALPRIBOR». Маркировка его SN62/36/2 NC. Это материал в виде пасты и из маркировки следует, что состав его: 62% олова, 36% свинца, 2% серебра. NC (No Clean – безотмывочный) означает, что шарики припоя находятся внутри геля из флюса.

Пара слов о флюсах

Чаще всего применяют следующие флюсовые составы:

• Специальный флюс для работы с алюминием, в котором главным элементом является олово с дополнениями из цинка, кадмия и буры. У цинка и кадмия в этой смеси особая функция: они повышают силу диффузии.
• Так называемая паста – флюс для пайки медных изделий. Это та же флюсовая смесь, только по консистенции она гуще обычных флюсов. Особенности паст-флюсов – их способность усиливать адгезию соединения и минимизирует формирование пузырьков из воздуха.

С алюминием часто работают как в промышленности, так и в домашних условиях. В составе припоя для пайки алюминия обязательно должны присутствовать кремний, цинк, медь и серебро. Сплавы должны быть высокотемпературными.

Форма выпуска

Припой выпускается в различных формах. Первоначально, на заводе, это чушки. В обозначении марки тогда добавляется буква Ч. Например Ч ПОС-40. ГОСТ 21930-76 определяет форму и размер чушек для каждого материала и вида.

В розничную продажу припой для пайки поступает в прутках диаметром 8 мм, в виде паяльной проволоки, намотанной на катушке или свернутой в спираль и уложенной в пластиковой тубе.

Очень часто паяльная проволока представляет собой трубку из оловянно-свинцового сплава, внутри которой находится флюс – вещество, способствующее повышению качества пайки.

Флюс разрушает оксидную пленку на спаиваемых деталях и препятствует дальнейшему окислению спаянного стыка во время его охлаждения.

Нередко в качестве флюса используется канифоль – продукт перегонки сосновой смолы-живицы. Она плавится при температуре 68 ℃, в обычных условиях твердая, хрупкая, имеет жёлтый цвет.

Как выбирать припой для меди?

Один из самых главных критериев – это уровень температуры плавления. Чем выше этот уровень, тем выше риск повреждения детали из основного металла. Многое будет зависеть от толщины стенки медной трубы.

Если эта стенка толстая, прожечь ее трудно и, следовательно, риск повреждений ниже. В этом случае вполне приемлемо использование твердого типа для меди, у которого достаточно высокий уровень температуры плавления.

Для пайки пищевой меди существуют специальные сплавы, в которых отсутствуют какие-либо токсичные вещества или ядовитые элементы.

Пасты для микросхем

Выпускается припой и в виде паяльной пасты. Она представляет собой пластичную массу, состоящую из флюса и вяжущего вещества, в которой содержится множество мельчайших шариков оловянно-свинцового припоя с флюсом.

Такие пасты используются для пайки по трафаретам, то есть когда использование обычных способов пайки невозможно из-за небольших размеров компонентов.

Это могут быть микросхемы, компоненты в BGA-корпусах. Пасты наносятся на выводы шпателем и расплавляются феном или инфракрасным паяльником.

Ввиду того, что паяльные пасты быстро высыхают, их хранение должно осуществляться в специальных, герметично закрывающихся тубах.

Для восстановления BGA-корпусов, то есть обновления на их выводах шариков припоя, еще называемого реболингом, производится припой в шариках. Он может быть как оловянно-свинцовым, так и безсвинцовым.

Это высококачественный чистый продукт, с очень точным химическим составом.

Шарики хранятся в банках плотно закрытыми при температуре 20 – 30 ℃ и влажности не более 60-70 %. Срок хранения такого припоя, как правило, не более 12 месяцев. Используется для пайки ответственных компонентов.

Благодаря развитию новейших технологий и все большему масштабу роста производства электронных плат, в качестве паяльного элемента стали использовать паяльные пасты. Паста изготавливается из нескольких составляющих: измельченного в порошок припоя, флюса и связующего вещества. Такая мелкодисперсная смесь используется в ручной и трафаретной пайке.

Для пайки радиоэлектроники в своем составе пасты содержат олово и легирующие компоненты для улучшения качества соединения. На свойства пластичного припоя существенно влияет размер частиц. Наиболее распространены пасты с размером частиц в диапазоне 25-45 мкм. Поскольку данная технология больше используется при трафаретной пайке, чем при ручной, пасты должны отвечать установленным требованиям для надежного сопряжения элементов.

Критериями хорошего качества выступает форма частиц, которые имеют сферическую форму после измельчения. Также паяльные пасты подвержены пагубному влиянию углерода и водорода. Поэтому соприкосновение с воздухом от этапа изготовления до эксплуатации должно быть минимизировано.

В производстве для трафаретной печати паяльные пасты заполняются в специальные контейнеры по 500 грамм. Они не практичны для домашнего использования, поэтому для собственных целей эту смесь можно приобрести в шприцах различной емкости. Условия хранения таких паст низкотемпературные, поэтому идеальным местом для хранения служит обычный холодильник. При нормальной и высокой температуре паста быстро начинает расслаиваться.

Изготовление своими руками

При наличии в достаточном количестве олова и свинца, можно сделать припой самостоятельно. Чтобы выдержать пропорции, можно взвесить необходимое количества свинца и олова на обычных кухонных весах, обязательно используя какую-нибудь подложку.

Свинец ядовит, поэтому его остатков на весах быть не должно. По этой же причине при работе необходимо организовать хорошую вентиляцию помещения, использовать защитные очки и перчатки, а при необходимости и респиратор.

Чтобы взвесить нужное количество материалов, достаточно знать их плотность. У олова она – 7,30 г/см³, у свинца – 11,35 г/см³. Составив нехитрую пропорцию, можно определить количество для разного состава сплавов.

Непосредственно для приготовления сплава можно использовать стальную емкость небольшого размера. В ней нужно довести до температуры плавления свинец с оловом.

После того, как они примут жидкое состояние, необходимо стальной ложкой снять верхний слой. Это – шлак, образующийся при соединении с кислородом воздуха.

Затем необходимо аккуратно, но тщательно перемешать два металла и вылить в форму из какого-либо тугоплавкого материала. Для этого могут подойти формы, изготовленные из гипса или из жести.

Такой состав можно с успехом использовать при монтаже электронных схем, пайке проводов и кабелей, соединении медных или латунных труб.