Припой для пайки в шариках, чурках, прутках, универсальные марки, твердые и легкоплавкие виды

Перемычки при пайке

Перемычки при пайке, как правило, связаны с мелким шагом вывода компонента. Чтобы избежать образования перемычек при высокой плотности расположения выводов, нужно укоротить выводы до минимальной длинны, допускаемой техническими условиями. Кроме укорачивания выводов, следует увеличить расстояние между выводами путем уменьшения ширины металлизированного кольца вокруг монтажного отверстия либо путем выбора соответствующей геометрии паяльной маски.

Поддержание твердой составляющей флюса на максимально возможном уровне путем тщательного выбора температуры предварительного нагрева поможет избежать образования перемычек при пайке волной припоя. Пайка в азотной среде также позволяет избежать перемычек.

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

увеличьте скорость нагрева до 2,5–3 °С в секунду при выдержке в 150°. Помните: чем дольше выдержка, тем ниже активность пасты на этапе оплавления. Водорастворимые пасты – это отдельная история: чем дольше такая паста находится в зоне выдержки, тем ниже активность флюса (пока не испарятся галоидные соединения).

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 ℃.

Шарики припоя

Причиной формирования шариков припоя является неудачный выбор профиля пайки, хотя иногда этот дефект обусловлен использованием окисленных паст или паст, которые нанесены на печатные платы задолго до оплавления. Как правило, причина кроется в слишком низкой или слишком высокой скорости нагрева при оплавлении.

Шарики припоя на поверхности печатной платы показывают, что жидкие фракции флюса не испарились до момента пайки волной изделия. Обычно такие шарики появляются, когда оператор впервые работает с флюсом на водной основе (VOC free). Шарики припоя разбрызгиваются на поверхность платы через монтажные отверстия при кипении флюса.

Появление шариков припоя на нижней стороне платы может быть связано с недостаточным содержанием твердых частиц флюса. Повышение содержания твердых частиц уменьшает количество таких шариков. Однако шарики припоя на нижней поверхности платы чаще возникают из-за паяльной маски. Припой прилипает либо из-за того, что паяльная маска размягчается, либо из-за повышенной гладкости ее поверхности.

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.

Дефект «паутина»

Дефект «паутина» выглядит так, как будто к нижней стороне платы прилипла паутина или сетка из припоя. Этот дефект появляется при слишком высокой температуре или слишком длительном предварительном нагреве либо в случае недостатка флюса на плате, который облегчает отделение припоя от платы. На возможное появление этого дефекта указывает малое количества дыма при прохождении платы через волну припоя. Чтобы избавиться от данного брака, нанесите на платы больше флюса или уменьшите температуру предварительного нагрева.

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.

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

Непропаянные выводы

Непропаянные выводы, возникает данный дефект из-за недостатка твердых фракций во флюсе, неправильного угла платы в зоне контакта с волной припоя или неправильной конфигурации контактной площадки. Попробуйте увеличить количество наносимого на плату флюса, измените угол наклона держателя печатной платы или угол подачи волны припоя.

Эти меры помогут выйти удерживаемым внутри газам, не препятствовать растеканию расплавленного припоя, в результате чего он попадет на контактную площадку. Дополнительной помощью может стать повышенная активность флюса. Иногда более агрессивный флюс способен обеспечить ускоренное смачивание контактных площадок.

Стандартная температура ванны для припоя, содержащего олово, серебро и свинец, в том числе припоя «CASTIN»®, находится в диапазоне от 265 °С до 270 °С (от 509 °F до 518 °F). Стандартная температура ванны для припоя марки SN100C и припоя с низким содержанием серебра находится в диапазоне от 265 °С до 275 °С (от 509 °F до 527 °F).

Для пайки волной бессвинцового припоя характерна большая часть вышеописанных дефектов. Два самых распространенных дефекта – перемычки и неполное заполнение монтажных отверстий. Эти дефекты возникают вследствие поверхностного напряжения сплава. Перемычки можно убрать за счет состава флюса. В этом случае помогут флюсы с высоким содержанием твердых фракций.

Как правило, если сплав, содержащий олово и свинец, смачивается в течение 2 секунд, бессвинцовым сплавам требуется не менее 5 секунд. Эта разница приводит к образованию другого дефекта – неполному заполнению отверстий. Чтобы устранить данный дефект, необходимо увеличить время взаимодействия с волной припоя.

Увеличенное время взаимодействия с волной припоя приводит к сложностям и во время селективной пайки.

При том, что бессвинцовые припои требуют длительного взаимодействия волны припоя с выводом, они же представляют собой агрессивный растворитель основных компонентов металлизации монтажных отверстий. При длительном периоде выдержки с поверхности платы исчезают металлизированные отверстия и контактные площадки. Такое явление называется миграцией металлов.

Еще один дефект, обусловленный составом сплава, растрескивание припоя после остывания. В соответствии с критериями IPC (Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов), если просматривается контактная площадка, такая пайка является дефектом.

Фотография сверху демонстрирует распространенные и допустимые виды растрескивания. Обратите внимание на зернистую структуру припоя. Это не связано с качеством и составом сплава.

При выборе бессвинцового сплава для пайки волной припоя и селективной пайки необходимо обратить внимание на миграцию меди, стоимость сплава и требования при проверке качества паяного соединения. В целом сплавы, содержащие серебро, стоят дороже, кроме того, такие сплавы обладают высокой скоростью растворения меди.

Флюсы с низким количеством остатков, которые при пайке волной припоя оставляет небольшое количество остатков, это флюсы с низким содержанием твердых частиц. Малое количество твердых частиц припоя или фракций – это залог быстрого испарения растворителей и быстрой работы твердых фракций во флюсе. При этом твердые фракции представляют собой компоненты флюса, за счет которых, в частности, происходит смачивание, и обеспечивается образование надежность паяных соединений. Хороший результат пайки – это использование оптимального флюса и внимательный контроль процесса.

Оптимизация технологии пайки волной припоя с использованием безотмывных флюсов зависит от точной настройки процесса, для которого рекомендуется минимальный температурный режим – достаточный, чтобы соответствовать техпроцессу, и минимальное время взаимодействия волны припоя с выводом. Длительный предварительный нагрев или слишком высокая температура предварительного нагрева способствуют испарению летучих фракций флюса до того, как твердые фракции выполнят свою часть работы.

• Скорость конвейера

• Температура предварительного нагрева

• Температура припоя в ванне с припоем

• Высота волны припоя

• Время контакта волны припоя и вывода компонента

• Скорость отделения волны (осадка)

Тип флюсователя играет важную роль в процессе, особенно при использовании безотмывного флюса. Компания «AIM» рекомендует использование спрей или струйного флюсователя, а не пенного. Мы рекомендуем ультразвуковую систему подачи флюса, которая при необходимости может подать флюс в ограниченные пространства.

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.

Сферы припоя

Образование сфер припоя зачастую вызвана излишком паяльной пасты. Кроме того, этот дефект может быть вызван вязкостью пасты и неправильным выбором профиля. При возникновении этого дефекта рекомендуется при печати использовать трафарет с меньшим размером апертур по сравнению с контактной площадкой.

Один из распространенных способов уменьшения размеров апертур трафарета, который позволяет уменьшить количество используемой пасты, – пятиугольная апертура в форме бейсбольной базы. Такая форма позволяет уменьшить количество пасты, используемой во время трафаретной печати, и предотвращает вытекание пасты с контактных площадок во избежание образования шариков и сфер. Помните: важно не столько уменьшить количество используемого материала, сколько предотвратить оползание пасты с контактных площадок.

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.

Эффект «надгробного камня»

Еще один достаточно распространенный дефект – эффект «надгробного камня», который, как правило, обусловлен качеством смачивания. Данный дефект зачастую появляется на этапе оплавления, когда на одной из контактных площадок припой расплавился раньше, чем на другой, и сила поверхностного натяжения расплавленного припоя подняла компонент в вертикальное положение.

Эффект «надгробного камня» – это результат большого перепада температуры в пределах платы или плохое смачивание припоем контактной площадки или вывода компонента. Если в процессе используется азот, эффект «надгробного камня» может возникать из-за установленной вами температуры охлаждения.

Медленное оплавление припоя представляет собой способ устранения эффекта «надгробного камня» Оплавление происходит на том участке профиля, где разогрев доходит до пиковой температуры. Если используется сплав Sn63/Pb37, переход из жидкой фазы в твердую и наоборот происходит в точке плавления 183 °С.

Вблизи этой точки разность температур в пределах платы должна быть минимальной. Кроме того, не забывайте: чем больше на плате варьируется плотность расположения компонентов из-за наличия больших заземленных площадок, тем более вероятно возникновение подобных дефектов и тем тщательней нужно следить за температурой в пределах платы при достижении точки плавления.

К другим факторам, вызывающим появление эффекта «надгробного камня», относится смещение компонентов и/или пасты. Свести к минимуму частоту возникновения эффекта «надгробного камня» можно за счет проверки положения пасты и компонентов – они должны быть на своих местах.