Используясь припои

Флюсы для тугоплавких металлов

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.

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 ℃.

Основные данные

Популярность припоев из олова и свинца объясняется несколькими обстоятельствами.

Главная особенность сплавов – способность при определенном соотношении компонентов образовывать состав с эвтектическими свойствами. Это межметаллическая система, температура плавления которой меньше, чем ожидаемые значения.

Можно себе представить радость первооткрывателей, которые обнаружили, что оловянно-свинцовый сплав для превращения в жидкое состояние можно нагревать до меньшей температуры.

Интересно, что эвтектическая смесь может служить растворителем, в котором распределяется при добавлении определенное дополнительное количество какого-либо металла.

Так были разработаны разнообразные марки припоев ПОС. В их технических характеристиках указаны пропорции, значения физических констант.

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.

Характеристики отдельных марок

Все представители категории относятся к легкоплавким припоям. Оловянно-свинцовые сплавы при любом соотношении исходных металлов плавятся при температуре до 450 °С. Характеристики припоев ПОС регламентированы ГОСТом.

Производители поставляют припойную продукцию:

• в литых чушках;
• в виде проволочных изделий;
• лентообразной фольги;
• трубчатой продукции с флюсами внутри;
• порошков или пастообразной массы.

В сплаве, содержащем 90 % олова, остальную часть массы составляет свинец. Припой ПОС-90 имеет температуру плавления 220 ℃.

Применяется для пайки изделий, которые впоследствии будут подвергаться гальванической обработке золотом или серебром.

Оловянно-свинцовый припой с 61 % олова имеет более доступную температуру плавления, равную 191 °С. ПОС-61 используется для изготовления тонких контактов деталей из медных и стальных сплавов в различных измерительных приборах. Места нанесения сплава не должны подвергаться сильному нагреванию.

Припой модно применять для пайки проводов, имеющих толщину до 0,08 мм, в обмотке. Он может подвергаться действию токов высокой частоты.

Припой используют во всех ситуациях, требующих большой прочности и надежности соединения радиоэлементов, компонентов микросхем. Им можно паять провода, защищенные оболочкой из поливинилхлорида.

Оловянно-свинцовый припой, содержащий равные доли двух металлов, обозначается как ПОС-50. Он плавится при температуре 222 ℃. Применим во всех ситуациях, где может использоваться ПОС-61.

Отличие сводится к тому, что данный припой имеет более высокую температуру плавления. Если контакт может нагреваться это качество будет полезным.

Швы, для которых велика вероятность нагрева до еще более высоких температур, следует паять посредством припоя ПОС-40. Температура плавления оловянно-свинцового сплава, содержащего от 39 % до 41 % олова, составляет 238 °С.

Обращаем внимание на то, что представленные показатели характерны для окончательного плавления сплава. Начинается процесс при несколько более низких температурах.

Сплав предназначен для работы с проводами, деталями из разных металлов. Образующийся шов имеет меньший запас прочности, чем соединения, полученные сплавами с большей массовой долей олова. Припой используют для получения соединений, не подвергающихся большой механической нагрузке.

https://www.youtube.com/watch?v=Ep2ZdI4z2YQ

Еще большую температуру окончательного расплавления имеет сплав ПОС-30. Она равна 256 ℃.

Этот оловянно-свинцовый припой используется для пайки швов, не подлежащих нагрузке, из медных и стальных материалов.

Припой ПОС-18 окончательно расплавляется при 277 ℃. Образующийся шов имеет небольшую механическую устойчивость.

Представленный оловянно-свинцовый сплав можно применять для лужения, пайки ненагружаемых медных деталей, изделий из оцинкованного железа.

Оловянно-свинцовый сплав, содержащий всего 10 % олова, имеет максимальную в этом ряду температуру плавления, равную 299 ℃, и минимальную прочность.

ПОС-10 может использоваться для пайки, лужения контактов на поверхности приборов реле. ГОСТ позволяет применять состав для обработки контрольных точек в топках паровозов. В настоящее время паровозы остались уже только в музеях, иногда их приходится ремонтировать, реставрировать.

По химическому составу сплава выделяют сурьмянистые припои, припои с малым количеством сурьмы (малосурьмянистые), сплавы без сурьмы (бессурьмянистые). Все вышеперечисленные виды припоев производят по ГОСТ 21931-76 (в изделиях), ГОСТ 21930-76 (чушки).

— оловянно-свинцовые (в сокращении ПОС);

— сурьмянистые (сокращенно ПОССу);

— оловянно-свинцово-кадмиевые (сокращенно ПОСК);

—  бессвинцовые.

Последние легируют медью, серебром, цинком, алюминием, кадмием.

Оловянные припои ПОС (сплавы оловянно-свинцовые), имеющие процентный состав олова от 10%  до 90%, относятся к мягким припоям.

ПОС-15 (олово 15%) — 280 °C.

ПОС-25 (25%) — 260 °C.

ПОС-35 (33%) — 247 °C.

ПОС-61, ПОС 63 (олово 61% и 63%) — 183 °C

ПОС-90 (олово 90%) — 220 °C

В силу того, что состав сплавов ПОС-61 и ПОС-63 практически идентичен составу эвтектики «олово свинец», они расплавляются при постоянной температуре 183 °C.

— ПОССу – используется для пайки изделий из цинка, оцинкованного металла, при высоких требованиях к паяному соединению  (припои сурьмянистые);

— ОЦ — для соединения изделий из алюминия (припои оловянно-цинковые);

— ПОСК — для соединения изделий, реагирующих на перегрев, пьезокерамики, выводов конденсаторов  (оловянно-свинцово-кадмиевые);

— припои без свинца, которые кроме олова включают в состав серебро, медь, висмут и другие металлы.

Припоем называют сплав, состоящий из легкоплавких металлов. Например, оловянный. Но паять одним оловом — довольно дорого. С чистым оловом работают только тогда, когда нужно получить абсолютно безвредный для человека спай: при пайке посуды для употребления пищи или медицинского оборудования. В остальных случаях, для удешевления припоя, к олову добавляют более дешевый, но вредный свинец.

Для справки: поверхность припоя тем темнее, чем больше в нем свинца. А пруток из чистого олова при сгибе или сжатии издает характерный хруст.

— прочность в сочетании с пластичностью;

— высокий коэффициент теплопроводности;

— устойчивость к коррозии.

Оловянные припои используют для соединения деталей практически из всех металлов, и чем больше в составе припоя чистого олова — тем качественнее будет полученное соединение. Преимущество ПОС — его универсальность. Мягкие припои эксплуатируют в виде палочек (прутков), реже используют проволоку или пасту (смесь припоя с флюсующим веществом). Чем больше в сплаве олова, тем крепче соединение деталей при пайке.

Данный вид оловянного проката не используют для спайки алюминия. Прочие металлы, в том числе медь, железо, хорошо поддаются пайке ПОС. Спай — самое уязвимое место соединения «металл — припой — металл».  Прочность спая зависит от химического состава используемого припоя. Сопротивление на разрыв места спайки равно 6-8 кг/мм2, увеличивается пропорционально увеличению количества олова.

Рассмотрим некоторые особенности использования цинка и сурьмы в качестве добавок к припою при пайке определенных металлов. Добавление цинка при работе с алюминием и сплавами из этого металла увеличивает коррозийную стойкость спайки. Такие ЦО припои, содержащие от 10% до 40% цинка, используют для ультразвукового или абразивного метода пайки, лужения.

При соединении меди добавление к составу сурьмы увеличивает прочность спая. При пайке латуни сурьма — не влияет на прочность спая. А железа — уменьшает прочность спая.

— пруток с содержанием олова выше 60% ярко блестит (возможно, это ПОС-90, ПОС-61);

— материал, в котором много свинца — темного серого цвета, матовый;

— пруток со значительным содержанием свинца пластичный (до 60%), его легко деформировать (ПОС-40, ПОС-30);

— пруток, где много олова, прочный и жесткий. Его нельзя согнуть руками;

— ПОС различных марок плавятся при температуре от 183 °C до 265 °C.

Марки оловянных и оловянно-свинцовых припоев

Для маркировки оловянных припоев используются буквы русского алфавита и цифры. Пример: ПОС-61, который еще именуют «третник» из-за содержания в нем 1/3 Pb. Буквы: П — это припой, О — оловянный, С — свинцовый. Число 61 — процент содержания Sn.

Рассмотрим наиболее востребованные марки оловянных припоев.

ПОС 90

Применяется для пайки таких металлов, как латунь, медь, сталь, бронза. Химический состав: 9 – 11% Pb и 89 – 91% Sn. Плавиться в интервале температур 183 – 220 ºС. Характеризуется высокой теплопроводностью, пластичностью, имеет выраженный металлический блеск. Также изделию присущ высокий коэффициент ударно вязкости, хорошо сопротивляется разрывам.

ПОС 90 – востребованное изделие. Элементы, соединенные данным оловянным припоем, можно в дальнейшем подвергать гальваническому покрытию другими металлами, эксплуатировать в контакте с продуктами питания. Данным сплавом паяют медицинские инструменты, оборудование. Полученные спаи – качественные, долговечные.

ПОС 63

Широко используется для пайки микросхем, печатных плат, пружин, важных узлов различных высокоточных приборов и измерительного оборудования из таких металлов, как сталь, медь, бронза, латунь.  ПОС 63 востребован при групповой пайке на окунанием с протяжкой, соединении волной припоя на автоматических линиях.

Плавиться при 183 ?С. Характеризуется небольшой плотностью, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким показателем текучести. В состав ПОС 63 входит 62,5 – 63,5% олова, около 37% свинца. Содержит примеси висмута (0,1%), Cu, сурьмы (по 0,05%), Ni, As, Fe, S (не более 0,02% каждого), Al, Zn (0,002%). Они оказывают непосредственное влияние на технические характеристики.

ПОС 61 и ПОС 61М

ПОС 61 – универсальный оловянный припой, применяемый во многих отраслях. Им паяют детали из нержавейки, стали, латуни, меди, олова, бронзы, свинца. Для соединения меди, стали, латуни, бронзы припой ПОС 61 – наилучший выбор. Плавиться при 183-190 градусов Цельсия. Химсостав содержит: 59 – 61% олова, около 39% свинца, 0,1% сурьмы, 0,2% висмута, 0,05% Cu, 0,02% As.

В состав ПОС 61М входит 1,2 – 2% Cu, которые оказывают влияние на свойства. Прекрасно подойдет для пайки проводов, микросхем, фольги, печатных плат, радио, электроаппаратуры, высокоточных приборов, которые чувствительны к перегреву. В сравнении с другими видами оловянных припоев, которые можно купить, ПОС 61 отличается более высокой химической чистотой.

ПОС 50

Сплав содержи 50% олова, около 50% свинца, незначительные доли примесей. Используется для соединения деталей из железа, латуни, стали, меди, бронзы. Плавиться при 209 градусах по Цельсию. Применяется в самых разных сферах. Прочность на растяжение – 3,6 кгс/мм2.

ПОС 40

Состоит из 39 – 40% Sn, около 60% свинца и примесей: сурьмы (0,1%), меди (0,5%), мышьяка (0,02%). Используется для меди, стали, бронзы, латуни, оцинкованных изделий (в том числе, методом горячего цинкования). ПОС 40 соединяют детали радиаторов, трубопроводов, аппаратуры. Спай полностью герметичен. Формирует прочный шов, электроконтакт с малым переходным сопротивлением. Оловянно-свинцовый припой совместим со всеми видами оборудования, поэтому широко востребован не только в бытовых ремонтах, но и на крупных заводах.

ПОС 35

Используется в машиностроении, монтажных и ремонтных работах, для соединения деталей электрооборудования, гибких шлангов, изделий из белой жести и пр. Аналоги – ПОС 40, ПОС 30. Свойства и характеристики очень схожи.

ПОС 30

Содержит в составе 29 – 31% олова, 0,1% сурьмы, 0,02% мышьяка и 0,05% меди, остальное – свинец. Применяется для пайки деталей в машиностроении, изделий из оцинкованного железа, латуни, меди, бронзы, стали, лужения.  Обеспечивает высокую герметичность швов. Популярный среди радиолюбителей. Из-за высокого содержания свинца пруток с диаметром до 10 мм можно легко согнуть руками.

ПОС 20

Используется при высокотемпературной пайки, ввиду относительной  тугоплавкости. Большая часть в составе (около 80%)  приходится на свинец. Применяется при ремонте радиаторов, спайке крупных проводов и пр.

ПОСу 95-5

Сурьмянистый припой, в химсоставе которого 4 – 5% сурьмы, остальное — Sn. Допускаются примеси Cu – 0,05%, висмута – 0,1%, не более 0,02% железа, мышьяка, серы, никеля, не больше 0,002% алюминия, цинка. Используется для спаивания элементов трубопроводов, в электропромышленности, для соединения деталей, эксплуатирующихся при повышенной температуре.

ПОССу 40-2

В составе данного материала 39 – 41% олова, 1,5 – 2% сурьмы, около 58% свинца. Также присутствуют примеси 0,08% Cu, 0,2% висмута, 0,02% мышьяка и 0,08% никеля, каждая из которых оказывает непосредственное влияние на свойства ПОССу 40-2.  Плотность соединения (спая) – 9,2 г/см3. Применяется для пайки тонколистовых материалов, лужения,  скрепления некоторых деталей холодильного оборудования.

ПОССу 30-2

Содержит 29 – 31% олова, 1,5 – 2% сурьмы, 0,08% Cu, 0,02% мышьяка, остальное – свинец. Начало плавления – 185 ºС, а конечная температура – 250 ºС. Плотность – 9,6 г/см3. Применяется ПОССу 30-2 для абразивной пайки, на электроламповом производстве, для проведения процессов лужения, пайки холодильного оборудования, в автомобилестроении.

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.

Именные сплавы

При добавлении в состав металлических композиций в небольших количествах сурьмы значительно увеличивается прочность шовных соединений.

Материал обозначается маркировкой «ПОСсу», имеет температуры плавления от 189 ℃ (у состава со следовым содержанием сурьмы) до 270 ℃ (у припоя с содержанием сурьмы, достигающим 4 %, в некоторых даже 6 %).

Материалы первой подгруппы с концентрацией добавки, измеряющейся в сотых долях процента – это малосурьмянистые марки.

Такие припои применяются в авиа- и автомобилестроении, при производстве холодильного оборудования, пищевой посуды, подлежащей последующему лужению.

Металлические оловянно-свинцовые композиции с концентрацией сурьмы от 1,5 % до 6 % называются сурьмянистыми. Они рекомендованы к применению в электролампах, трубчатых радиаторах, белой жести.

Прибавка сурьмы удешевляет оловянно-свинцовый материал, но спаивание происходит сложнее. Незначительное изменение оловянно-свинцового композита заметно уменьшает смачивающие способности расплава. Работать с этим расходным материалом могут только профессионалы.

Таблица 2. Сурьмянистые припои

Заметно понижает температуру плавления оловянно-свинцовых припоев добавка кадмия. Например, сплав ПОСК-50-18, содержащий от 49 % до 51 % олова, от 17 % до 19 % кадмия имеет температуру плавления 145 ℃.

Это удобное в работе качество, вдвойне приятное тем, что образующиеся швы имеют большую механическую прочность. Оловянно-свинцовые припои с кадмием применяют при работе с металлизированной и керамической продукцией.

Вопрос о применении расходного материала решается с учетом конкретной производственной ситуации.

К оловянно-свинцовым композициям условно можно отнести сплавы, носящие имена ученых-разработчиков. Низкую температуру плавления, всего 94 ℃ имеет эвтектический сплав Розе.

В его составе содержится 50 % висмута. Остальную часть массы приблизительно в равных долях занимают олово и свинец. Материал используется для работы с медью, изготовления элементов автоматики с фиксированной эксплуатационной температурой.

Еще меньшую температуру плавления имеет оловянно-свинцовый припой Вуда. Она равна 68,5 ℃. Материал содержит 50 % висмута, 25 % свинца, а остальную массовую часть поровну составляют олово и кадмий. Применяют при изготовлении датчиков противопожарной сигнализации, прецизионной техники.

Сплав Д, Арсе содержит около 10 % олова, остальные 90 % составляют висмут и свинец в равных долях. Материал имеет температуру плавления 79 ℃. Применяется для спаивания легкоплавких металлов.

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

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.

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.

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.

Виды оловянных припоев, свойства и характеристики

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.

—  бессвинцовые.