Припой и флюс для пайки, назначение, химсостав, приготовление

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.

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

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 ℃.

Технологии в электронной промышленности №2’2005

В нашей стране для ручной пайки традиционно применяют жидкий флюс и проволочный припой, однако при отсутствии отмывки остатков флюса эта технология приводит к существенному снижению надежности радиоэлектронной аппаратуры. Причины снижения надежности РЭА вызваны частичной термической обработкой флюсов при ручной пайке (только в зоне формирования паяного соединения), следовательно, только частичным выгоранием активаторов и локальными процессами поликонденсации.

Остатки флюса, которые не были подвергнуты термической
обработке при температурах пайки, являются потенциальными источниками коррозии, электромиграции и повышенных токов утечки в процессе эксплуатации РЭА. Применение многоканальных трубчатых припоев, не требующих отмывки, позволяет полностью решить эту проблему.

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders на протяжении многих лет преобладают на российском рынке. Даже название фирмы Multicore Solders («Многоканальные припои»), основанной в 1939 году, говорит о многом. Одним из основных преимуществ трубчатых припоев Multicore Solders является большое количество каналов флюса (до 5) в прутке припоя.

Трубчатые припои Multicore Solders разработаны для различных применений, в том числе для пайки печатных плат радиоэлектронной аппаратуры и конструкционных изделий.

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.

Рекомендации по применению

Подготовка к работе

Паяльник. Жало паяльника может быть любой формы и размера для наилучшего контакта и передачи тепла к паяемым поверхностям. Жало паяльника должно быть облужено, для этого может быть использован трубчатый припой. Однако процесс лужения зависит в значительной степени от состояния жала. Если жало в плохом состоянии, его необходимо предварительно очистить с помощью смоченной водой специальной губки, входящей в состав паяльной станции. Для очистки сильно окисленных жал паяльников можно использовать пасту
ТТС-1 для очистки и лужения наконечников.

Рис. 2

Температура жала паяльника. Оптимальная температура жала и требуемая мощность при ручной пайке зависят от конструкции паяльника и выполняемой задачи. При работе с бессвинцовыми трубчатыми припоями, имеющими температуру плавления в пределах 217-227 °С, минимальная температура жала паяльника должна составлять 300 °С В процессе пайки необходимо избегать избыточно высокой температуры жала и чрезмерного времени пайки.

Этот припой целесообразно использовать там, где необходимо избежать перегрева.

Стоимость припоя

В продаже ПОС – 61 встречается в двух вариантах – в виде прутка или проволоки, намотанной на бобину (по 100 г или 1 кг). Цена в основном определяется не сечением образца (вес стандартный), а наличием (отсутствием) канифоли. В первом случае припой представляет собой трубку с наполнением, что при пайке мелких деталей гораздо удобнее.

Примечание

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.

Печатные платы и компоненты. Чистота поверхности печатных плат и компонентов

является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс пайки. Оксиды и другие поверхностные загрязнения существенно ухудшают смачиваемость припоем и передачу тепла от жала паяльника к паяемым поверхностям, увеличивая время пайки. Печатные платы с длительным сроком хранения для улучшения паяемости могут быть подвергнуты предварительной очистке с помощью специальных растворителей, например, VIGON SC 200, ZESTRON SD 100, ZESTRON SD 301.

Рекомендуемая последовательность работы

1. Поднесите жало паяльника к рабочей поверхности. Жало паяльника должно контактировать одновременно с контактной площадкой платы и выводом компонента, для того чтобы прогреть обе паяемые поверхности. Избыток припоя на жале, нанесенного во время лужения, будет помогать процессу теплопередачи путем увеличения площади контакта между контактной площадкой и выводом. Необходимо не более доли секунды, чтобы прогреть соответствующим образом обе поверхности.

2. Поднесенный в это время к месту соединения с противоположной от жала паяльника стороны пруток трубчатого припоя позволит образовать галтель припоя. Для этого необходимо около 0,5 секунды. Внимание! Если припой подавать непосредственно на жало паяльника, активные компоненты флюса будут преждевременно выгорать, а его эффективность резко уменьшается.

3. Удалите припой от паяемого соединения и затем удалите жало паяльника.

Весь процесс пайки должен занимать от 0,5 до 2,0 с на одно паяное соединение в зависимости от массы, температуры и конфигурации жала паяльника, а также паяемости поверхностей. Избыточное время или температура могут, во-первых, истощать флюс до смачивания припоя, что может привести к увеличению количества остатков, во-вторых, увеличивают хрупкость паяного соединения.

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

Завершение работы Для обеспечения длительного срока службы жала паяльника после окончания работы необходимо его облудить. Для этой цели
удобно использовать трубчатый припой: оберните несколько витков припоя (как показано на рис. 5) вокруг кончика жала и нагрейте его. Практические примеры На первоначальном этапе работа с трубчатыми припоями (пайка с двух рук) может вызывать сложности.
Как правильно работать с трубчатыми припоями? Нижеприведенные примеры помогут быстро освоить технологию пайки с двух рук.

Пайка чип-компонентов: резисторы, конденсаторы, танталовые конденсаторы, индуктивности, варисторы, MELF-Kopnyca.

1. Облудить одну из контактных площадок (далее КП). Необходимо подать достаточное количество припоя для последующего формирования галтели.

2. Установить чип-компонент на КП.

3. Придерживая чип-компонент пинцетом, поднести жало паяльника, обеспечивая одновременный контакт жала с выводом чип-компонента и облуженной КП.

4. Произвести пайку в течение 0,5-1,5 с. Отвести жало паяльника.

5. Произвести пайку второго вывода: поднести жало паяльника, обеспечивая одновременный контакт жала с выводом и КП. С противоположной стороны от жала паяльника подать трубчатый припой под углом 45° к плоскости КП и вывода компонента. Внимание! При пайке чип-компонентов важен правильный подбор диаметра припоя. Чрезмерно толстый припой будет приво-

дить к формированию избыточной галтели припоя.

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

Пайка компонентов, монтируемых в отверстия.

1. Установить компонент в монтажные отверстия, если необходимо, то загнуть выводы.

2. Поднести жало паяльника таким образом, чтобы был обеспечен одновременный контакт с КП монтажного отверстия и выводом компонента, прогреть 0,5-1,0 с.

Пробило № 1. Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями. 3. Подать небольшое количество припоя на жало паяльника, так чтобы образовался мостик припоя между КП и выводом (см. рис.).

4. Перемещайте трубчатый припой по кругу вдоль КП в противоположном направлении от жала паяльника (см. рис.).

5. Как только паяное соединение сформировано, отвести пруток припоя.

6. Одновременно отвести жало паяльника. Для образования правильной формы галтели жало паяльника должно двигаться вверх вдоль вывода компонента.

Правило № 2. Необходимо обеспечивать контакт между жалом паяльника и паяемыми
поверхностями до тех пор, пока не произойдет формирование галтели припоя.

Внимание! Избегайте сильного давления жалом паяльника на КП. Не допускайте контакта жала паяльника с галтелью припоя без использования трубчатого припоя, это может привести к деградации паяного соединения.

Возможные проблемы и методы решения Разбрызгивание. Высокая скорость нагрева. Подавайте пруток припоя на разогретые контактные поверхности (вывод компонента и КП), не подавайте припой на жало паяльника.

Матовые паяные соединения. Длительный контакт жала паяльника с паяным соединением после отвода прутка припоя из зоны пайки.

Остатки после пайки в виде нагара. Произвести очистку жала паяльника и губки или заменить жало паяльника.

Избыточные остатки флюса вокруг паяного соединения.

1. Большой диаметр трубчатого припоя, использовать припой меньшего диаметра.

2. Избыточная подача трубчатого припоя в место пайки.

3. Низкая температура пайки, использовать паяльник большей мощности или увеличить температуру пайки.

Марки мягких припоев для пайки паяльником

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.

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.

Удельное электрическое сопротивление оловянно-свинцового припоя (проводимость) составляет 0,1-0,2 Ом/метр, алюминия 0,0271, а меди 0,0175. Как видите, припой проводит ток в десять раз хуже, чем медь или алюминий.

Наиболее распространенным припоем является ПОС-61, его еще называют третник. Он отлично подходит для пайки и лужения токоведущих частей из меди, латуни и бронзы с герметичным швом и не дорогой. Подходит практически для всех случаев пайки в быту.

Флюс для пайки паяльником

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders разработаны для технологических процессов без применения отмывки. Однако в случае необходимости удаления остатков флюса, например, вызванной жесткими условиями эксплуатации аппаратуры, наилучшие результаты достигаются при использовании промывочных жидкостей: ZESTRON FA , VIGON A200 или VIGON US. При ремонте рекомендуется использовать промывочную жидкость VIGON EFM.

Флюс это вспомогательное вещество, необходимое для освобождения поверхностей спаиваемых деталей от окислов и лучшему растеканию припоя по поверхности металла при пайке. Без применения флюса выполнить паяльником качественную пайку практически не возможно.

При приготовлении наиболее популярных флюсов для пайки электрическим паяльником, применяется канифоль. Ее получают из древесины деревьев хвойных пород, в основном сосны. При температуре около 50°С канифоль размягчается, а при 250°С начинает кипеть.

Канифоль не устойчива к воздействию атмосферной влаги – гидролизуется. Она состоит на 85-90% из абиетиновой кислоты. Если не удалить остатки канифоли после пайки то происходит окисление места пайки. Многие этого не знают и считают, что канифоль для металла безвредна. Кроме того, впитывая воду из атмосферы, канифоль увеличивает свою проводимость и может нарушать работу электронных устройств, особенно высоковольтных их цепей.

Флюс на основе спирта и растворителей требуется хранить в герметичной таре, иначе жидкость быстро испарится. Очень удобна для этих целей бутылочка от маникюрного лака. Всегда и кисточка под рукой, которой удобно наносить флюс на место пайки. Такую бутылочку практически в любом доме можно найти. Еще ее достоинство, кисточка и закрутка не растворяются спиртом и растворителем.

В бутылочке я и приготавливаю спирто-канифольный флюс. Сначала через воронку из бумаги насыпаю порошок канифоли и затем заливаю спиртом. Легко налить спирт в узкое горлышко бутылочки, если прикоснуться горлышком бутылки со спиртом к кисточке, предварительно смоченной в спирте. Лить нужно очень медленно и ни одной капли не прольете. Со временем спирт испаряется и флюс становится густым. Тогда нужно его разбавить спиртом до требуемой консистенции.

В качестве флюса я часто использую не документированный флюс аспирин (ацетил салициловая кислота), который применяют в качестве лекарства. С помощью его, можно без предварительной подготовки, залудить медные и стальные поверхности. На основе аспирина легко готовится и жидкий флюс для пайки паяльником, достаточно таблетку растворить в небольшом количестве спирта, ацетона или воды.

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.

Паяльные пасты (тиноль) для пайки

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.

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.

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.