Припои для мягкой пайки — Пайка

3.1. Классификация припоев и система их обозначений

Припой — металл или сплав, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. Применяют сплавы на основе олова, свинца, кадмия, меди, никеля и других металлов

Для пайки соединений проводниковых материалов в зависимости от предельно допустимых рабочих температур и требуемой прочности паяного шва применяются мягкие и твердые припои.

К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 °С, а к твердым — свыше 500 °С. Припои с температурами выше температуры плавления чистого олова в интервале до 400 °С называются полутвердыми.

Мягкие и полутвердые припои имеют предел прочности при растяжении до 15–100 МПа и применяются для пайки токоведущих частей, не являющихся одновременно несущими конструкциями машин или аппаратов.

Пайка мягкими и полутвердыми припоями осуществляется паяльником или погружением деталей в расплавленный припой, соединяемые поверхности при этом предварительно облуживаются, как правило, припоем той же марки и покрываются обычно канифолью (флюсом).

Оловянно-свинцовые припои выпускаются в виде слитков, прутков, проволоки, ленты и трубок, заполненных канифолью.

Твердые припои имеют предел прочности при растяжении 100– 500 МПа и применяются в качестве припоев первой категории прочности при пайке токоведущих частей, быстроходных, допускающих высокий нагрев электрических машин и деталей, воспринимающих основную механическую нагрузку.

Система обозначения припоев

Обозначение марки припоя обычно начинается с буквы «П» — припой. Числа в марке припоя показывают содержание компонентов (буквы после буквы «П») в процентах (округленно). Буква или буквосочетание в конце обозначения марки припоя означает, что данный компонент составляет оставшееся содержание припоя.

А — алюминий;

Ж — железо;

И — индий;

К или Кд — кадмий;

М — медь;

О — олово;

С — свинец;

Ср — серебро;

Су — сурьма;

Ф — фосфор;

Ц — цинк.

Паяльные флюсы — вещества и соединения, применяемые для предотвращения образования оксидной пленки на поверхности припоя и паяемого материала, а также удаления продуктов окисления из зоны пайки. Температура плавления флюсов ниже, чем температура плавления припоя. Флюсы применяют в твердом, пастообразном и порошкообразном состоянии, а также в виде водных, спиртовых или глицериновых растворов.

Флюсы, применяемые при пайке, классифицируются по: температурному интервалу активности; природе растворителя; природе активатора определяющего действия; механизму действия; агрегатному состоянию. В зависимости от температурного интервала активности паяльные флюсы подразделяются на: низкотемпературные (≤ 450 °С); высокотемпературные ({amp}gt; 450 °С).

По природе растворителя паяльные флюсы подразделяются на: водные; неводные.

По природе активаторов определяющего действия низкотемпературные паяльные флюсы подразделяются на: канифольные; кислотные; галогенидные; гидразиновые; фторборатные; анилиновые; стеариновые.

По природе активаторов определяющего действия высокотемпературные паяльные флюсы подразделяются на: галогенидные; фторборатные; боридно-углекислые.

Если флюс содержит несколько активаторов, необходимо называть все активаторы. Например, канифольно-галогенидный, фторборатногалогенидный флюс.

По механизму действия паяльные флюсы подразделяются на: защитные; химического действия; электрохимического действия; реактивные. По агрегатному состоянию паяльные флюсы подразделяют на: твердые; жидкие; пастообразные.

Основные свойства сплава

Рассматривая то, при какой температуре плавится олово для пайки, следует учитывать, что учитывается не только этот показатель. Материалы, применяемые при пайке, характеризуются нижеприведенными свойствами:

1. Смачиваемость. Для обеспечения качественного соединения применяемый сплав должен обладать высоким показателем смачиваемости. Под этим понятием подразумевается повышение надежности связи между молекулами твердых материалов. При высоком рассматриваемом показателе расплавленное вещество расходится по поверхности, заполняя все полости.
2. Электропроводность. В большинстве случаев сплавы для пайки применяются при получении различных микросхем. При высокое электрической проводимости получаемое соединение не создает дополнительного сопротивления во время работы. При слишком низком показателе проводимости или высоком сопротивление создаваемые контакты начинают нагреваться.
3. Температура плавления. Основными критерием при выборе сплава можно назвать то, что он должен плавится при намного меньшей температуре, чем соединяемые металлы. При этом температура плавления оловянного припоя будет существенно отличаться от соответствующего показателя другого припоя. Один и тот же сплав может плавиться при различной температуре, все зависит от химического состава. Наличие примесей становится причиной повышения или понижения плавкости. Температура плавления припоя ПОС-40 238 градусов Цельсия. Есть и тугоплавкие припои, для нагрева которых требуется специальный прибор.

Важно учитывать то, при какой температуре плавится оловянно – свинцовый или иной припой. Это связано с тем, что при нагреве основного материала до критических значений происходит перестроение структуры, и он меняет свои основные эксплуатационные качества.

Изобретение относится к области пайки, в частности к составу припоя, и может быть использовано в различных областях машиностроения для пайки алюминия и его сплавов.

Алюминий и его сплавы находят широкое применение для изготовления паяных конструкций в авиационной, электротехнической, радиотехнической и в ряде других отраслей промышленности.

Известно, что в состав одних припоев входят различные дорогостоящие металлы. Например, кремний, галлий, неодим и т.д. (А.с. СССР №1785858, а.с. №1743772), что отрицательно сказывается на себестоимости продукции. Другим припоям для пайки нужны инертные или нейтральные среды и активные флюсы.

Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, образует химически и термодинамически стойкий окисел Al2O3, который находится на его поверхности в виде плотной и прочной пленки.

Разновидности применяемых материалов

Применяемые сплавы могут состоять из различных химических веществ. Классификация проводится следующим образом:

1. Мягкие или легкоплавкие. Наибольшей популярностью пользуются соединения олова и свинца, а также их различные виды. Для того чтобы придать особые свойства сплаву, в его состав добавляются различные элементы. Примером можно назвать то, что кадмий и висмут могут включаться в состав для существенного снижения температуры плавления, к примеру, до 61 градуса Цельсия. Стоит учитывать, что и прочность подобных сплавов низкая. Этот момент не позволяет получить надежные соединения, сплав подходит лишь для проведения работ по соединению контактов. Важно следить за температурой, до которой нагревает паяльный прибор сплав. Не рекомендуется допускать кипения жидкого металла, так как это может привести к изменению его основных свойств.
2. Твердые представлены двумя группами сплавов: меди и серебра. Для восприятия небольшой статической нагрузки часто применяется сплав цинка и меди, который позволяет получить весьма качественное соединение. В качестве припоя может использоваться и золото.

Выпуском припоя занимаются самые различные фирмы, к примеру, Harris Corporation. Форма выпуска может быть самой различной: от фольги до проволоки различного сечения.

Применение флюса

К мягким припоям относят припои для низкотемпературной пайки алюминия. Их температура плавления не превышает 450 ºС. Температура плавления алюминия (технически чистого) составляет 655-660ºС.

В свою очередь мягкие припои для алюминия подразделяют на:

• низкотемпературные;
• среднетемпературные и
• высокотемпературные.

В таблице ниже приведен химический состав типичных мягких припоев для пайки алюминия. Общие характеристики мягких припоев включают:

• интервал плавления (температуры солидуса и ликвидуса);
• смачивающая способность;
• тип применяемого флюса: активный, органический или один из них;
• коррозионная стойкость припоя и, следовательно, паяного шва.

Низкотемпературные мягкие припои плавятся и растекаются при температуре от 150 до 260 ºС. Они состоят преимущественно из низкоплавких металлов таких как олово, свинец, цинк, кадмий, а также иногда висмут. Кроме того, эти припои могут содержать малые количества высокоплавких металлов, таких как алюминий, медь, никель и серебро.

Прочность низкотемпературных мягких припоев — совсем мягких – на сдвиг составляет всего 34 МПа. Точки плавления этой группы припоев начинаются с 110 ºС. Соединения алюминия, выполненные этими чересчур мягкими припоями, имеют относительно низкое сопротивление коррозии и поэтому редко применяются для применения под воздействием атмосферы или коррозионных сред.

Низкотемпературные оловянно-свинцовые припои подвержены ползучести. При достаточно высоких нагрузках они могут неожиданно разрушаться. Обычно соединение из припоя 60Sn-40Pb при растягивающей нагрузке 9600 кПа «лопается» через несколько часов.

При снижении нагрузки до 690 кПа такой паяный шов простоит 165 дней.

Поэтому эти припои применяют в основном только для герметизации, соединения скрученных проводов, а также для таких задач, как, например, удержание металлических кромок в каких-нибудь пазах.

Бинарные свинцово-оловянные припои, которые обычно применяют для пайки меди, можно в принципе также применять и для пайки алюминия. Однако они представляют в применении определенные трудности. Образуемое соединение получается слабыми, и поэтому они редко применяются для алюминия.

Свинец в одиночку почти не растворим в алюминии , а добавки олова лишь незначительно повышают его смачивающую способность.

Свинцово-оловянные припои, разработанные специально для алюминия, обычно содержат малые количества цинка, кадмия и других металлов для улучшения смачивающей способности и текучести.

Оловянно-цинковая эвтектическая смесь 91Sn-9Zn плавится при температуре всего лишь 199 °С, хорошо растекается и смачивает алюминий. Этот припой является самым коррозионно-стойким из всех низкотемпературных мягких припоев. Его прочность сравнима с прочностью среднетемпературных мягких припоев.

Среднетемпературные мягкие припои плавятся температуре от 260 до 370 ºС. Они содержат преимущественно олово или кадмий в различном сочетании с цинком.

Эти припои могут также содержать небольшие количества алюминия, меди, свинца, никеля или серебра.

Поскольку эти припои содержат 30-70 % цинка, они хорошо смачивают алюминий и образуют более прочные и более коррозионно-стойкие соединения, чем низкотемпературные припои.

Среднетемпературные оловянно-цинковые припои проявляют высокую сдвиговую прочность – до 3800 кПа. Эти припои часто применяют для наружных швов, но для защиты от воздействия атмосферы их покрывают краской или аналогичными материалами. Оловянно-цинковые припои плавятся при температуре 290 °С и выше.

Высокотемпературные мягкие припои плавятся между температурами 370 и 450 ºС. Они состоят из 90-100 % цинка и могут содержать 2-10 % алюминия и малые количества меди, железа, никеля или серебра.

Эти добавки снижают температуру пайки, обеспечивают более широкий интервал плавления и улучшают смачиваемость алюминия припоем.

Алюминий в цинко-алюминиевых припоях снижает их способность к межзеренному проникновению.

Они также обеспечивают более высокую коррозионную стойкость по сравнению с низкотемпературными и среднетемпературными припоями.

Чтобы обеспечивать высокое сопротивление коррозии эти припои должны иметь минимум таких примесей, как висмут, кадмий, свинец, олово и другие низкоплавкие металлы.

Цинковые припои

Припои на основе цинка могут содержать от 90 до 99,999 % цинка. Они обеспечивают самую высокую прочность из всех промышленных «мягких» припоев. Из прочность на сдвиг достигает 125 МПа и выше.

Температура пайки у них выше, чем у всех других припоев – от 380 до 425 °С. Цинковые припои обеспечивают самую высокую коррозионную стойкость.

Чем больше цинка в припое, тем выше его коррозионная стойкость.

Цинковые припои имеют особенно высокую коррозионную стойкость, когда они не содержат низкоплавких металлических примесей, таких как висмут, кадмий, свинец или олово. Небольшие количества меди, серебра, титана и других металлов добавляют в цинковые припои для улучшения их текучих и смачивающих свойств. В малых количествах эти элементы почти не снижают коррозионную стойкость цинковых припоев.

При повышении температуры материала может выделяться графит. Практически ни один процесс пайки не проходит без применения флюса. Подобное химическое вещество позволяет избежать образование окисли, которая ухудшает качество получаемого соединения.

Существует довольно большое количество разновидностей флюса:

1. При применении пайки на основе олова и свинца зачастую используют флюс на основе соляной кислоты или хлористого цинка.
2. В качестве флюса может применяться хлористый аммоний или бура.
3. С мягкими сплавами часто используется раствор соляной кислоты или хлористый цинк.

При работе с алюминиевыми сплавами многие применяют флюс, основанный на хлористом цинке, канифоли и тунгового масла.

В заключение отметим, что процесс пайки может проходить при самой различной температуре. Для бытового применения выбирают материалы, которые плавятся уже при низких значениях, что позволяет использовать обычное оборудование при работе. При желании можно приготовить припой самостоятельно. Однако подобный процесс весьма сложен в исполнении, так как требует точного дозирования всех элементов, подразумевает их нагрев до высокой температуры и удаление вредных примесей.

О2 — лужение и пайка коллекторов, якорных секций и обмоток электрических машин с изоляцией класса H, лужение ответственных неподвижных контактов, в том числе содержащих цинк;

ПОС90 — лужение и пайка внутренних швов пищевой посуды и медицинской аппаратуры;

ПОС61 — лужение и пайка электрои радиоаппаратуры, печатных плат, точных приборов с высокогерметичными швами, где недопустим перегрев;

ПОС40 — лужение и пайка электроаппаратуры, деталей из оцинкованного железа с герметичными швами;

ПОС10 — лужение и пайка контактных поверхностей электрических аппаратов, приборов, реле;

ПОСК50-18 — пайка деталей из меди и ее сплавов, чувствительных к перегреву, в том числе пайка алюминия, плакированного медью. Пайка керамики, стекла и пластиков, металлизированных оловом, серебром, никелем;

ПОС61М — пайка пищевой посуды, медицинской аппаратуры, электрои радиоаппаратуры, печатных плат, деталей, чувствительных к перегреву;

ПОССу61-0,5 — лужение и пайка электроаппаратуры, пайка печатных плат, обмоток электрических машин, оцинкованных радиодеталей при жестких требованиях к температуре;

ПОССу50-0,5 — лужение и пайка авиационных радиаторов;

ПОССу40-0,5 — лужение и пайка жести, обмоток электрических машин, для пайки монтажных элементов моточных и кабельных изделий;

ПОССу35-0,5 — лужение и пайка свинцовых кабельных оболочек;

ПОССу30-0,5 –лужение и пайка листового цинка, углеродистых и нержавеющих сталей. Лужение и пайка проводов, кабелей, бандажей, радиаторов, различных деталей аппаратуры и приборов, работающих при температуре до 160 °С;

ПОССу25-0,5 — лужение и пайка радиаторов;

ПОССу18-0,5 — лужение и пайка трубок теплообменников, электроламп;

ПОССу95-5; ПСр3Кд — горячее лужение и пайка коллекторов, якорных секций, бандажей и токоведущих соединений электрических машин нагревостойкого исполнения и с повышенными частотами вращения. Пайка трубопроводов и различных деталей электрооборудования.

ПОССу40-2 — припой широкого назначения;

ПОССу30-2 — лужение и пайка в холодильном аппаратостроении, электроламповом производстве;

ПОССу18-2, ПОССу15-2, ПОССу10-2 — пайка в автомобилестроении;

ПОССу8-3 — лужение и пайка в электроламповом производстве;

ПОССу5-1 — лужение и пайка деталей, работающих при повышенных температурах;

ПОССу4-6 — пайка белой жести, лужение и пайка деталей с закатанными и клепанными швами из латуни и меди;

ПОССу4-4 — лужение и пайка в автомобилестроении;

ПОСК2-18 — лужение и пайка металлизированных керамических деталей;

ПОСИ30; ПСр3И — пайка меди и ее сплавов и других металлов, неметаллических материалов и стекла с металлическими покрытиями. Пайка деталей радиоэлектронной аппаратуры. Обладает высокой жидкотекучестью и обеспечивает хорошее сцепление спаиваемых поверхностей.

Параметры мягких припоев с низкой температурой плавления приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3Мягкие припои (сплавы) с низкой температурой плавления

Примечание. Применяются в радиосхемах с полупроводниковыми приборами и в схемах, где припой используется в качестве температурного предохранителя.

Химический состав и физико-механические свойства твердых серебряных и медно-фосфорных припоев приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4Химический состав и физико-механические свойства твердых серебряных и медно-фосфорных припоев