Припоем называется

Температурное условие пайки

При
пайке должно выполняться температурное
условие

Температура
начала плавления материала деталиt1
= t2
t1Превышение
температурыплавления
паяемого металланад
температурой пайкидля
сохранения формыизделия

t1{amp}gt;
20ОСТемпература
пайкиt2
= t3
t2
t3Перегрев
припоя, обеспечивающий смачивание
 t2
= 20…

50ОСТемпература
полногорасплавления
припояИнтервал
кристаллизацииприпоя

t3Температура
началаплавления
припояt3
= t4
t4Температурный
запасработоспособности
припоя
 t4Температура
эксплуатациипаяного
соединенияt4t1
{amp}gt; t2
{amp}gt; t3
{amp}gt; t4
.

Определение

Припой — это материал, металл либо сплав на их основании служащий для надежного соединения деталей, плавящийся при меньшей температуре, чем спаиваемые им металлы. В производстве припоя чаще всего используют сплавы из свинца, серебра, олова и других мягких металлов.

Паяльное соединение служит продолжительное время при благоприятных условиях эксплуатации спаиваемых материалов и не терпит вибрации, динамическом давлении и нагрузок на разрыв. Также на сокращение срока эксплуатации соединения припоем существенно влияет агрессивная окружающая среда.

Припой для удобства спаивания производят в широком ассортименте: проволока, пруток, порошок, паста и другие исполнения.

Изготовление радиатора пайкой

Охлаждающая
поверхность радиатора (рис. 7) состоит
из латунных трубок, по которым течет
охлаждающая жидкость, и гофрированной
медной ленты толщиной 0,1 мм. В каждой
точке соприкосновения должно сформироваться
паяное соединение. Таким образом нужно
получить несколько тысяч соединений в
одном изделии при очень маленькой
толщине соединяемых элементов.

Для
этого собранный из луженых латунных
трубок и гофрированной ленты пакет
направляют в печь, имеющую три камеры
с разными температурами. Камеры отделены
друг от друга шлюзами. Первая камера
служит для предварительного подогрева
пакета до температуры пайки. Внутри
второй камеры находится ванна с
расплавленным флюсом, в которую опускают
собранный пакет.

Рис. 7. Фрагмент паяного радиатора.

Назначение и виды припоя

Итак, для чего нужен припой? Пайка припоем осуществляется для создания прочного соединения сопрягаемых деталей или заготовок, реже для достижения герметичности емкостей и трубопроводов, либо сохранения более надежного электрического контакта с невысоким переходным сопротивлением тока.

Как говорилось выше, температура плавления припоя меньше температур плавления соединяемых деталей, то целостность и структура спаиваемых заготовок не изменяется. Плавится только припой, обволакивая скрепляемые заготовки. При застывании происходит надежное скрепление деталей и соединение готово к эксплуатации.

Припой в производстве выбирают в зависимости от физических и химических свойств спаиваемых металлов, устойчивости к коррозии, удельной проводимости и других факторов, учитывая эффективную стоимость операции.

Делятся припои на мягкие и твердые. Мягкие плавятся уже при T= 300 C, а плавление твердых марок припоев происходит при гораздо более высоких температурных значениях. Прочность у мягких марок припоев значительно ниже и колеблется от 16 до 100 МПа. Что касается твердых припоев, то их диапазон прочности составляет 100-500 МПа.

Пайка приборов электрооборудования

Для пайки печатных
плат используют установки каскадной
многоволновой пайки (рис. 8).

В печи образуется
ванна расплавленного свинцово-оловянистого
припоя. Насос непрерывно направляет
поток припоя по наклонному поддону,
напоминающему стиральную доску, так
что припой образует серию гребней. Плата
с деталями соприкасается с верхушками
гребней, двигаясь навстречу припою.

Флюс плавает на
поверхности припоя и предотвращает его
взаимодействие с воздухом.

Материалы припоев

Мягкие марки припоев изготавливают из олова с добавлением цинка, свинца, кадмия и т.д. В последнее время с целью обезопасить условия труда и сохранить экологию чаще используют припои без содержания вредных металлов, которые в своем составе помимо олова содержат висмут, медь, серебро и другие металлы.

Из твердых припоев самыми известными в производстве служат серебряные и медно-цинковые с применением добавок. Серебряные припои получили очень широкий спектр применения, которые в частности служат хорошим помощником при пайке изделий и заготовок из цветных металлов и в ювелирной промышленности.

Механизм удаления оксидной пленки

Поверхности, которые
будут подвергнуты пайке, должны быть
обработаны с оптимальной точностью и
шероховатостью и не иметь заусенцев
после механической обработки

Поверхность паяемого
металла может быть загрязнена маслами,
смазочно-охлаждающей жидкостью, смазками,
красками, пылью, грязью. Слои таких
загрязнений мешают удалению оксидной
пленки и образованию качественного
паяного соединения.

Чтобы удалить такие
загрязнения, деталь перед пайкой следует
помыть в щелочном растворе следующего
состава (в граммах на литр воды):

• едкий натр (5…10
  г/л);

• углекислый натрий
  (15…30 г/л);

• тринатрийфосфат
  (30…60 г/л);

• эмульгатор ОП-7 (0,5
  г/л).

В растворе такого
состава при температуре 50…60°С
детали выдерживают 15…25 минут.

Если этого недостаточно,
то для обезжиривания используют
органические растворители (например,
ацетон).

После очистки детали
промывают в чистой (дистиллированной)
горячей и холодной воде и сушат.

После пайки с
деталей смывают остатки коррозионно-активных
флюсов в жидкостях, которые их растворяют.
Затем детали промывают в горячей и
холодной воде и сушат.

Рис. 8. Каскадная многоволновая пайка
печатной платы.

Время образования
одного слоя молекул оксида на поверхности
незащищенного металла около 10-8
секунд. Поэтому на поверхности металла
всегда имеется слой оксидной пленки.

За счет диффузии
кислорода из атмосферы и окисления
металла под оксидной пленкой она растет
вглубь металла. С течением времени
толщина оксидной пленки может достичь
50 и более молекулярных слоев (5…200нм).

В оксидной пленке
связи паяемого металла заняты кислородом.
Для образования связей между паяемым
металлом и расплавленным припоем следует
удалить мешающую этому процессу оксидную
пленку или кислород из нее. Оксидную
пленку целиком удалить легче.

Флюсы могут содержать
вещества, которые:

• вступают в химическое
  взаимодействие с оксидной пленкой,
  образуя шлаки, легко растворимые во
  флюсе;

• проникают через
  микротрещины в оксидной пленке к
  поверхности металла под ней и стремятся
  отделить ее от металла;

• делают флюс
  электролитом при его расплавлении, что
  вызывает электрохимическое растворение
  металла во флюсе под оксидной пленкой.

Если пленка оксидов
тонкая и нестойкая, как на меди, то
достаточно химического взаимодействия
канифоли с оксидом меди. Продукты реакции
растворяются в канифоли.

Микротрещины (рис.
5а) формируются в оксидной пленке при
нагреве до температуры пайки, вследствие,
разницы коэффициентов линейного
температурного расширения паяемого
металла и оксидной пленки на его
поверхности. Кроме того они расширяются
в результате химического взаимодействия
флюса с оксидами, образующими стенки
трещины.

Расплавленный флюс, а затем и
припой проникают через микротрещины и
входят в контакт с металлом под оксидной
пленкой в местах нарушения ее сплошности
(рис. 5б). Жидкий припой или легкоплавкий
металл, вытесненный из флюса, вызывает
контактное подплавление верхнего слоя
паяемого металла. Образуется очень
тонкий слой жидкого сплава между оксидной
пленкой и поверхностью паяемого металла
(фактически будущий спай) (рис. 5в). Под
подмытую оксидную пленку устремляется
основная часть припоя, окончательно
удаляя оксидную пленку.

Флюсы, содержащие
такие элементы как хлор и фтор в
расплавленном состоянии являются
электролитами. При соприкосновении
металла с флюсом-электролитом происходит
электрохимическое растворение металла,
то есть переход положительных ионов
металла в электролит. Флюс разъедает
границу между оксидной пленкой и
металлом.

Рис. 5. Удаление оксидной пленки флюсом.

Бессвинцовые припои

Самым простейшим и понятным нам бессвинцовым припоем является обычное олово. Проволока из этого металла находится почти в каждом доме, где есть паяльник. Часто при производстве проволоки из олова в качестве флюса внутрь внедряют дополнительно производную смолы хвойных деревьев, которая называется канифоль. Такое решение практично помогает в работе и сокращает время спаивания.

Однако обычное олово очень ограниченно в сфере применения. Например, это пайка различной аппаратуры. В основном применение оловянного припоя невозможно, несмотря на его отличную электропроводность.

Всему виной оловянная чума, рост «усов» и другие факторы риска при пайке оловом. Решить эту проблему помогает внедрение других металлов. Оловом часто смешивают с серебром, медью и даже золотом. Однако в таком случае образуются твердые паяльные сплавы, имеющие значительно высокие температурные характеристики. Поэтому с целью улучшения текучести используют флюсы.

К сожалению, в настоящее время припои без содержания свинца, несмотря на положительную экологическую составляющую и безопасный труд, не являются полноценной альтернативой оловянно — свинцовых.

Несмачивание

На рис. 3а показана
капля расплавленного припоя (флюса),
который хорошо растекается по паяемому
материалу и смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом должен быть Q {amp}lt;
90°.
Чем ближе к нулю величина краевого угла
смачивания Q → 0 и больше площадь
растекания расплавленного припоя, тем
полнее смачивание.

На рис. 3б показана
капля расплавленного припоя, который
плохо растекается по паяемому материалу
и не смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом Q {amp}gt; 90°.
Это означает, что атомы припоя не вступают
в связь с атомами паяемого материала.
Причины этого могут быть различны.
Во-первых, данные припой и паяемый
материал могут вообще не образовывать
соединений.

Тогда пайка невозможна.
Следует взять припой, совместимый с
паяемым материалом. Во-вторых, может
быть плохо подготовлена поверхность
паяемого материала — не удалена или
только частично удалена оксидная пленка
из-за неправильного подбора флюса.
В-третьих, температура пайки может быть
недостаточна для обеспечения хорошей
растекаемости припоя.

Рис. 3. Растекание расплавленного припоя
по

поверхности паяемого металла.

Паяльные пасты

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.

В табл. 1 представлены
флюсы для пайки сталей, меди и медных
сплавов, а также алюминия и его сплавов.
Спирт и вода являются растворителями
и делают флюс жидким. Жидкий флюс удобно
наносить на паяемый материал. Например,
обмакивать многожильный медный провод
во флюс. Вазелин делает флюс пастообразным.

Таблица 1

Флюсы

Канифоль

Рассмотрим наиболее
известный флюс — канифоль, который
используют для низкотемпературной
пайки меди паяльником. Канифоль получают
из сосновой смолы. Она твердая и
стекловидная. Главной составной частью
канифоли является абиетиновая кислота
С20Н30О2
(около 80% по массе), плавящаяся при
температуре 173°С.

Канифоль, очень слабый активатор.
Расплавленная канифоль может удалить
только тонкий слой оксида меди. Канифоль
реагирует с оксидами меди, давая
абиетиновую соль меди, которая растворяется
в канифоли, превращая канифоль в шлак.
Остатки канифоли после пайки имеют вид
твердой прозрачной пленки с отличными
изолирующими свойствами.

При температуре
200°С
канифоль активна. С повышением температуры
она начинает испаряться. При температуре
300°С
испаряется 7% канифоли. При нагреве выше
300°С
канифоль обугливается. Таким образом
температурный интервал активности
канифоли находится в области 200…300°С.
В табл. 1 приведены температурные
интервалы активности флюсов.

Отдельное внимание хочется уделить самому распространенному флюсу, который часто применяется в домашних условиях. Канифоль, как говорилось ранее состоит в основном из смолы хвойных пород деревьев. В основном применяется в твердом состоянии, но бывает также гелеобразным и жидким.

Канифоль хорошо удаляет оксидный налет даже при малых температурах, что несомненно является ее преимуществом. Материал является диэлектриком, однако это никак не влияет на электрическую проводимость материалов пайки. Она применяется практически для всех видов пайки, не подвергается воздействию влаги, не токсична для человека и общедоступна, поскольку имеет низкую стоимость.

Эта статья помогла помочь любознательному читателю понять для чего нужен припой и даже углубить свои познания в области пайки и применения различных способов ее применения в производственных и домашних целях. Остается только приобрести паяльный набор и творить в целях закрепления материала и домашних нужд.

Поднятие припоя в капиллярном зазоре

На рис. 4 показано
поднятие припоя в капиллярном зазоре
между параллельными пластинами паяемого
материала. Атомы припоя граничащие с
пластинами притягиваются к расположенным
выше атомам пая­емого материала и
вскарабкиваются по пластине наверх.
Они тянут за собой за счет межатомных
сил основную массу припоя. В результате
припой поднимается вверх до тех пор,
пока силы поверхностного натяжения не
уравновесят силу тяжести припоя в
зазоре.

Поверхностные силы
пропорциональны площади поверхности
пластин [мм2],
а сила тяжести пропорциональна объему
зазора [мм3].
Поэтому при увеличении ширины зазора
более 0,5 мм высота поднятия припоя резко
снижается и зазор перестает быть
капиллярным.

Флюсы для тугоплавких металлов

Атомы припоя
диффундируют (проникают) в пограничный
слой паяемого металла. Слой толщиной в
несколько атомов, настолько насыщается
атомами припоя, что превращается в сплав
припоя с паяемым металлом. Как известно,
сплавы металлов плавятся при температурах
ниже температуры плавления компонентов.

Поэтому происходит
расплавление переродившегося слоя.
Такое плавление паяемого металла при
температуре ниже температуры его
автономного плавления называют
контактным.

Под автономным
плавлением понимают плавление материала
не контактирующего ни с какими посторонними
уже расплавленными материалами.

Контактное плавление
паяемого металла происходит в контакте
с расплавленным припоем и только на
границе паяемого металла с припоем.

Рис. 4. Поднятие припоя в капиллярном
зазоре

между параллельными
пластинами.

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.

Флюсовая и бесфлюсовая пайка

Пайку с использованием
флюса называют флюсовой. Функции флюса
могут выполнять также:

• инертная газовая
  среда;

• активная газовая
  среда;

• вакуум.

При удалении оксидной
пленки абразивными частицами (абразивная
пайка) или с помощью механических
колебаний ультразвуковой частоты
(ультразвуковая пайка) флюс тоже не
используют.

Поэтому абразивную
и ультразвуковую пайку, а также пайку
в газовых средах и вакууме называют
бесфлюсовой.

Классификация флюсов

Классификация припоев происходит по нескольким основным признакам. В первую очередь они делятся на мягкие и твердые. К мягким относятся те марки к которых температура плавления достигает 300 градусов Цельсия. Максимальный предел прочности на растяжения в таком случае составляет 100 Мпа, тогда как минимальный только 16 МПа. К ним причисляются сплавы из свинца, олова, кадмия цинка, сурьмы и прочих легкоплавных металлов, в том числе и бессвинцовые припои.

К твердым относятся те марки, у которых температура плавления выше 300 градусов Цельсия. Это повышает и предел прочности на растяжение, так как минимальное значение тут составляет около 100 МПа, а максимальное значение может достигать 500 Мпа. Это сплавы меди, цинка, никеля, серебра и прочих металлов, у которых высокая температура плавления.

Твердый припой для пайки

Также стоит выделить в отдельный класс флюсованные марки, внутри которых содержится флюс, соответственно, им не требуется его дополнительное применение.

По вариантам поставки выделяются:

• Стержни – небольшие плотные элементы, которые расплавляются паяльником;
• Проволока — хорошо подходит как для газовой пайки, так и для паяльника;
• Трубчатые – выполняется в виде трубки, внутри которой зачастую располагается флюс;
• Листы – тонкие листы сплава, которые подходят как для пайки плоских поверхностей, так и для других целей.

Существуют различные технологии производства, которые также создают разные марки припоев для пайки. Среди них выделяются тянутые, измельченные, литые, прессованные, спеченные, штампованные, аморфные и катанные.

Флюсы для пайки
классифицируют по следующим признакам:

• температурному
  интервалу пайки на высокотемпературные
  (выше 450°С)
  и низкотемпературные (ниже 450°С);

• природе растворителя
  на водные и неводные (например, спиртовые);

• природе активатора
  на неорганические, органические
  кислотные и органические бескислотные;

• агрегатному состоянию
  на твердые, пастообразные и жидкие.

Припои принято делить на две группы — мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым — выше 300 °C. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16—100 МПа, а твёрдые — 100—500МПа.

Мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость этих припоев составляет 9—15% чистой меди. Большое количество оловянно-свинцовых припоев содержит небольшой процент сурьмы (такие припои обозначаются ПОССу).

ПОС15 — 280’C.

ПОС25 — 260’C.

ПОС33 — 247’C.

ПОС40 — 235’C.

ПОС64 — 183’C.

ПОС90 — 220’C.

Наиболее распространёнными твёрдыми припоями является медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.

ПСр10 — 830’С.

ПСр12 — 785’С.

ПСр25 — 765’С.

ПСр45 — 720’С.

ПСр65 — 740’С.

ПСр70 — 780’С.

ПМЦ36 — 825’С.

ПМЦ42 — 833’С.

ПМЦ51 — 870’С

Появление гибридной технологии для создания электронных плат обусловило появление нового типа припоев: так называемых паяльных паст, пригодных как для обычной, так и трафаретной пайки элементов гибридных схем. Паяльные пасты представляют собою сложную дисперсию, в которой дисперсной фазой являются микро- и наноразмерные частицы припоя и, возможно, твёрдых компонентов флюса, а дисперсной средой являются жидкие компоненты флюса и летучие растворители.

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

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоев более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно в бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои.