Температура плавления припоя типа ПОС с высоким содержанием олова и свинца, и других сплавов для пайки

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 ℃.

В таблице даны значения температуры плавления припоев и легкоплавких сплавов на основе ртути Hg, цезия Cs, калия K, висмута Bi, таллия Tl, индия In, олова Sn, свинца Pb, кадмия Cd, сплав Вуда, сплавы Роуза (Розе), золота Au, магния Mg, цинка Zn, серебра Ag.

Значения температуры плавления припоев и сплавов в таблице приведены начиная с самых легкоплавких сплавов и находятся в диапазоне от -48,2 до 262°С. В сплавах с отрицательной температурой плавления (от минус 48,2°С) преобладает содержание ртути и щелочных металлов. Легкоплавкие сплавы с температурой плавления от 200 до 260°С имеют в своем составе преимущественное содержание висмута и таллия.

Примечание: эвт — эвтектические сплавы или близкие к ним; для неэвтектических сплавов приводятся значения температуры солидуса.

Состав паяльных сплавов

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.

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

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.

https://www.youtube.com/watch?v=cyCXjjhN6xc

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.

Какой бы ни был вид припоя, температура, при которой он начнет плавиться, обязательно должна быть ниже плавления спаиваемых материалов. Также она должна быть выше, чем рабочие температуры деталей.

Говоря о температуре плавления, подразумевают две точки. Это значение, при котором легкоплавкие компоненты начнут процесс плавления, и минимальное, где сплав превратится в жидкость. Разница этих двух температур называется интервалом кристаллизации. Если место пайки находится в пределах данной разницы, то даже небольшие механические нагрузки на деталь могут полностью разрушить структуру припоя.

Какой бы ни был тип и вид сплава, с каким бы материалом он ни использовался, в нем не должно содержаться тяжелых металлов или любых других токсичных веществ выше установленной нормы. Состав припоя максимально соответствует материалу деталей. А иначе не удастся получить надежного соединения. Будет наблюдаться излишняя хрупкость.

Любой припой, вне зависимости от вида и предназначения, должен быть термостабильным. Также припой для пайки должен обладать электростабильностью. Следует учитывать коэффициенты теплового расширения и теплопроводности. Они не должны существенно отличаться от тех значений, которые применяются к паяным изделиям.

Существуют еще и другие, менее популярные припои. Зачастую они используются для редко встречающихся металлов или для работы в особых условиях. К примеру, составы на основе никеля предназначены для изделий, которые функционируют в повышенных температурных режимах. Также им паяют нержавеющие сплавы. Припои на основе золота применяют для работы с вакуумными трубками. Есть соответствующие припои и для магния.

Чтобы работа осуществилась на должном уровне, припой для пайки алюминия должен содержать в себе кремний, алюминий, а также медь, цинк и серебро. Сегодня в продаже можно отыскать составы, где все эти составляющие находятся в разных соотношениях.

Выбирая надежный припой, важно учитывать следующее. Максимальную стойкость к коррозии и высокую прочность будет иметь то соединение, которое делалось с припоем, где содержится много цинка.

Также для алюминия можно применить соединения на основе олова и свинца. Но важно качественно подготовить рабочую поверхность, зачистить щеткой из нержавейки и использовать активные флюсы. Но специалисты не рекомендуют использовать такой элемент.

Марки оловянных и оловянно-свинцовых припоев

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.

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.

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

Марки мягких припоев для пайки паяльником

Основным компонентом при пайке электрическим паяльником является оловянно-свинцовый припой. Он выпускается в виде проволоки или трубки разных диаметров. Трубчатый припой внутри заполняется канифолью. Такой припой очень удобен при работе, так как не требует дополнительного брать на жало паяльника флюс.

Припой представляет собой сплав легкоплавких металлов. Как правило, в состав припоя входит олово. Можно паять и чистым оловом, но оно дорогое и поэтому в олово добавляют дешевый свинец. Олово является экологически чистым металлом и его можно применять в качестве припоя для пайки в чистом виде пищевой посуды и медицинских инструментов. Если согнуть или сжать трубочку из чистого олова, то она хрустит. Чем больше в составе припоя свинца, тем темнее поверхность припоя.

Припои маркируются буквами и цифрами. Например ПОС-61, что обозначает П – припой, О – оловянный, С – свинцовый, 61 – % содержания олова. ПОС-61 является самым распространенным, так как подходит для пайки в большинстве случаев. В народе ПОС-61 часто называют третник , так как в его составе третья часть свинца (Pb).

Припои бывают мягкие и твердые. Температура плавления мягких припоев ниже 450˚С. Твердые припои плавятся при нагреве свыше 450˚С и для пайки электрическим паяльником не используются.

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.

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

Материалы и составы для пайки поставляются в самых разных формах. Так, это может быть проволока, тонкая фольга, таблетки, порошок. Кроме этого припой доступен в виде пасты или гранул. От формы зависит, как припой будет поставляться в рабочую зону.

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.

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

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.

Паяльная паста (тиноль) представляет собой композицию из припоя и флюса. Паста не заменима при пайке паяльником в труднодоступных местах, и при монтаже бескорпусных радиодеталей. Паста наносится лопаткой в нужном количестве на место пайки и затем прогревается электрическим паяльником. Получается красивая и качественная пайка. Особенно удобно ее применение при отсутствии опыта работы с паяльником.

Пасту можно изготовить самостоятельно. Для этого нужно выбрать марку припоя, подходящего для пайки требуемого металла. Далее напильником с крупной насечкой напилить из прутка опилок. Затем в подобранный из таблицы жидкий флюс для пайки добавлять, перемешивая опилки до получения состава пастообразного состояния. Хранить пасту нужно в герметичной упаковке. Срок хранения пасты не более полгода, так как опилки припоя со временем окисляются.

Температура плавления и другие свойства припоев на основе олова и свинца

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.

В таблице приведены следующие свойства: температура плавления припоев (солидус и ликвидус) в градусах Цельсия, плотность припоев, удельное электрическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость по Бринеллю, HB.

Температура плавления припоев (ликвидус — жидкое состояние припоя) на основе свинца и олова находится в диапазоне от 145 до 308°С. Следует отметить, что температура плавления припоя, равная 145°С, соответствует припою ПОСК 50-18, который относится к категории легкоплавких припоев. При температуре 308 градусов Цельсия в жидком виде находится припой ПОССу 5-1.

Рассмотрены свойства следующих припоев: ПОС 90, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 10, ПОС 61М, ПОСК 50-18, ПОССу61-0,5, ПОССу 50-0,5, ПОССу 40-0,5, ПОССу 35-0,5, ПОССу 30-0,5, ПОССу 25-0,5, ПОССу 18-0,5, ПОСу 95-5, ПОССу 40-2, ПОССу 35-2, ПОССу 30-2, ПОССу 25-2, ПОССу 18-2, ПОССу 15-2, ПОССу 10-2, ПОССу 8-3, ПОССу 5-1, ПОССу 4-6.

По данным таблицы видно, что плотность припоев меняется в пределах от 7300 до 11200 кг/м3. Припоем с минимальной плотностью является оловянно-свинцовый припой ПОСу 95-5. Наиболее тяжелым из рассмотренных припоев является припой ПОССу 5-1 — плотность такого припоя имеет величину 11200 кг/м3.

Теплопроводность припоев в таблице дана в размерности ккал/(см·с·град). Припоями с максимальной теплопроводностью являются ПОС 90 и ПОСК 50-18 — их теплопроводность равна 0,13 ккал/(см·с·град).

—  бессвинцовые.