Как определить марку припоя пос в домашних условиях

20

Как определить олово в домашних условиях?

Олово, из которого делают припой, — дорогой металл. Чтобы хоть немного сэкономить, недобросовестные производители идут на хитрость и добавляют еще свинца или баббита при изготовлении припоя.

Баббит – это литейный сплав на основе свинца и олова. Этот материал популярен во многих отраслях машиностроения.

Поэтому если есть проблема, где припой крошится и не плавится, то скорее всего все дело в вашем качестве. В этом случае велика вероятность того, что ПОС будет больше ожидаемого от свинца и баббита, чем от олова.

В этой статье мы поговорим о том, какой процент олова и свинца должен быть в припое, и как отличить качественный припой.

Как получают олово?

Чтобы получить олово

сортовых марок порядка Sn 96,5 — 99,9%, применяют огневые или даже электролитические рафинирования. А
олово
чистотой в несколько девяток – Sn 99,999%, востребованное, преимущественно, в полупроводниковой промышленности,
получают
методом зонных плавок.

В каком году изобрели телевидение? В каком году изобрели цветное телевидение? В каком году люди впервые посмотрели телевизор? В каком году появилась камера? В каком году появилась звукозапись? В каком году появились диктофон? В каком году появились граммофоны? В каком году появились ножницы? В каком году появились первые натяжные потолки? В каком году появились первые плоские телевизоры?

Альтернатива

Стоит сказать о том, что с точки зрения экономии баббиты на основе олова очень невыгодны, так как этот материал стоит довольно много. Кроме того, само по себе олово считается дефицитным веществом. По этим двум причинам были разработаны альтернативные подшипники, в основу которых лег свинец, сурьма и медь. В таком составе кристаллики сурьмы выступают в качестве твердой основы. Мягким же основанием выступает непосредственный сплав из свинца и сурьмы. Медь здесь используется таким же образом, как и свинец в предыдущем составе, то есть для препятствия всплывания кристаллов твердой основы.

Однако здесь же стоит сказать и о недостатках. Эвтектик из свинца и сурьмы не такой пластичный, как фаза с использованием олова. А потому детали, изготовленные таким образом, страдают от быстрого износа. Чтобы нивелировать данный недостаток, все же приходится добавлять некоторое количество олова. Использование тройных эвтектиков не слишком распространено.

Пайка в домашних условиях

Одним из старейших и достаточно простых способов надёжного соединения металлических деталей является так называемая пайка, используемая при изготовлении какой-либо продукции с помощью поверхностной диффузии, а также при расплавлении посреднического металла.

Широкое распространение этот способ получает, как правило, в случае необходимости ремонта технических устройств, предметов хозяйственного обихода. Электро- и радиотехника является наиболее распространённой сферой применения пайки.Положительные моменты пайки заключаются в их простоте и всеобщей доступности, несложности ремонта, демонтажа, а также водоустойчивости.

Виды припоев для пайки

Для пайки, как правило, используется так называемый припой — легкоплавкий сплав из металла. Центральной разновидностью припоя выступает оловянно-свинцовый сплав.

С учетом наличия определённого элемента припои подразделяются по различным температурам плавления, а в последующем это обстоятельство определяет преимущественную сферу их применения. Обширное распространение получили припои с температурой около 200 градусов.

Как правило, на верхней части деталей, которые спаиваются, используется флюс, разрушающий окислы. Эффективность пайки без использования флюса равна нулю. Характерной особенностью флюса выступает то, что для пайки определённых металлов используются различные его модификации.

Многие флюсы универсальны. В большинстве случаев флюсы являются общеприменимыми. Особо актуальна паяльная кислота и канифоль.

Выбор паяльника для пайки

Паяльник представляет собой стержень, который нагревается до определённой температуры. Функциональным предназначением выступает разогрев места пайки до температуры, равной температуре плавления припоя. Мощность паяльников, конечно же, может быть разной.

Источником питания выступает ток. В исключительных случаях, когда найти источник тока не представляется возможным, может использоваться горелка.

Приоритет при выборе паяльника определяется исходя из толщины деталей, которые соединяются. При пайке радиодеталей прибора с мощностью в 40 Вт вполне достаточно, но он же абсолютно не годен при райке толстых проводов, листов жести.

Оптимальный процесс пайки в домашних условиях

Поверхности, которые в последующем подлежат соединению, предварительно подготавливаются. После подготовки предполагаемое место, где расположится припой, очищается до блеска с помощью наждачной бумаги либо ножом. Обволакивающий слой припоя наносится после предварительного очищения.

Как правило, участки, которые очищены, покрываются флюсом либо же его расплавом. После чего их помещают в расплавленный припой и нагревают до тех пор, пока не осуществится соединение с припоем.

Скоро!

Главная » Техническая информация » Статьи » Основные проблемы чистого олова

12 октября 2007

Введение

Рост внимания современной промышленности к вопросам сохранения окружающей среды и заботы о здоровье населения в последнее время сильно повлиял на состав применяемых материалов и технологий в производстве электроники. В частности, широкое распространение получила технология бессвинцовой пайки. Свинец – материал, наносящий существенный вред здоровью человека, но отказ от его применения в электронике вызвал ряд проблем технологического характера. Новые припойные сплавы, не содержащие свинец, как известно, обладают более высокой температурой плавления, что сужает окно процесса и, тем самым, приводят к ужесточению требований к управляемости процесса пайки. В некоторых применениях, например, в покрытиях контактных площадок печатных плат и выводов компонентов, с переходом на бессвинцовую технологию стало применяться чистое олово благодаря своей технологичности. При применении чистого олова также возникает ряд новых проблем, прежде всего связанных со свойствами данного материала, влияющими на надежность и работоспособность оборудования в жестких условиях. В частности, олово склонно к образованию нитевых наростов – так называемых «усов олова» и подвержено «заболеванию» на холоде — так называемой «оловянной чуме».

В этой статье рассматриваются основные проблемы, которые могут возникнуть при применении чистого олова взамен свинцовосодержащих сплавов, их причины, а также методы борьбы с потенциальными дефектами.

Олово: характеристики и применение

Олово (лат. Stannum) — химический элемент, расположенный в пятом периоде в IVА группе периодической системы Менделеева; атомный номер 50, атомная масса 118,69; температура плавления 231,9°С, температура кипения 2620°С, белый блестящий металл, тяжёлый, мягкий и пластичный. Олово — редкий рассеянный элемент, по распространённости в земной коре олово занимает 47-е место. Оно используется в основном как безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Важнейший сплав олова — бронза (с медью). Олово, в частности, активно используется для создания сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb3Sn.

Олово получило широкое распространение в производстве электроники в качестве припоя и покрытий благодаря хорошей технологичности.

Чистое олово в качестве покрытий

Покрытие контактных поверхностей чистым оловом применяется для обеспечения паяемости и защиты металла основы от коррозии.

С переходом на бессвинцовую технологию многие производители стали применять чистое олово для покрытия выводов и контактных поверхностей компонентов.

Покрытие иммерсионным оловом контактных площадок печатных плат применялось и ранее наряду с оловянно-свинцовым покрытием, благодаря такому необходимому для выполнения качественных паяных соединений свойству, как плоскостность поверхности. Плоская поверхность покрытых иммерсионным оловом контактных площадок позволяет производить качественный поверхностный монтаж многовыводных компонентов, в том числе с малым шагом выводов. Кроме того, применение чистого олова в бессвинцовой технологии обеспечивает отсутствие примесей других материалов, вносимых в припой во время пайки. Эти качества в комплексе с невысокой ценой стали предпосылкой для широкого применения процессов нанесения иммерсионного олова в качестве покрытия.

Иммерсионное олово осаждается химическим способом на медную поверхность печатного рисунка путем реакции замещения. При этом металл покрываемой основы отдает электрон иону олова в растворе, который переходит в металлическую форму, металл основы при этом растворяется анодно:

Me0 + Sn2+ -> Ме2+ + Sn0.

Стандартный электродный потенциал меди более положительный по отношению к потенциалу олова, поэтому реакция замещения может происходить только в присутствии комплексообразователя (тиомочевина), который сдвигает потенциал в более отрицательную область значений по отношению к олову:

2Cu0 + Sn2+ + 4NH2CSNH2 + 2CH3S03H -> 2Cu (NH2CSNH2)2CH3S03 + Sn0 + 2H+[5],

где NH2CSNH2 — тиомочевина, CH3S03H — метан-сульфоновая кислота [9].

Толщина иммерсионного оловянного покрытия составляет около 1 мкм.

Однако с началом активного использования чистого олова при постоянно растущих требованиях к микроминиатюризации изделий специалисты столкнулись с новыми проявлениями давно известных в металлургии особенностей этого материала: т.н. «усов» олова и «оловянной чумы».

Усы олова

Образование усов – давно известное явление. Оно характерно не только для олова, к образованию усов также склонны такие металлы, как цинк и кадмий. В действительности первые опубликованные сообщения об «усах» олова датированы 40-50-ми годами XX века, однако в производстве электроники этому явлению уделялось мало внимания, поскольку рост оловянных усов не происходит при наличии свинцовосодержащего покрытия оловянных основ, а также при достаточном количестве примеси свинца в олове. Использование классического эвтектического оловянно-свинцового сплава, наиболее широко применявшегося до перехода на бессвинцовую технологию, гарантировало отсутствие данной проблемы.

Усы олова представляют собою тонкие нити, которые могут расти вертикально, изгибаясь, спиралевидно, в виде крюкообразных или вилкообразных кристаллов олова. Длина усов может достигать 150 мкм, что вызывает серьезную опасность замыкания соседних элементов проводящего рисунка печатной платы. Усы, изгибаясь или отрываясь в процессе изготовления изделий и их эксплуатации, могут образовать проводящие перемычки между токоведущими поверхностями. При этом при достаточно большом токе усы могут плавиться, вызывая кратковременные отказы. Куски усов могут вызывать как перемежающиеся, так и постоянные отказы изделия.

Рис. 1. Пример изгибающихся усов олова под микроскопом. Фото из [1].

Рис. 2. Пример усов олова при увеличении в 3000х. Фото из [10].

Точно предсказать образование усов олова невозможно: они могут появляться как на новых изделиях, так и спустя годы после начала эксплуатации, и на элементах, и под ними. Они могут не появиться вообще. Известно, что усы обычно растут на покрытиях толщиной свыше 0,5 мкм [9].

По поводу причин роста усов олова до недавнего времени единого мнения у специалистов не существовало. За последние несколько лет произошли значительные сдвиги в области изучения усов и основных причин их образования, но, тем не менее, окончательного согласованного решения по причинам данного явления еще нет. Также не существует промышленных стандартов, дающих определение усам олова и регламентирующих методы борьбы с ними.

Установлено, что движущей силой в образовании усов является сдавливающее напряжение в слоях олова. Это напряжение может быть следствием различных причин, таких как формирование интерметаллической структуры, окисление и коррозия, цикличное изменение температур или механическое воздействие [2].

В гальванических оловянных покрытиях сразу же после осаждения возникает напряжение растяжения, которое со временем (3-5 дней) ослабевает. Через 5-7 дней начинает расти внутреннее напряжение сжатия, которое является следствием образования на границе слоев олово – медь интерметаллидов (Cu6Sn5 и Cu3Sn), молярный объем которых больше по отношению к объему чистых слоев олова и меди. В результате происходит винтовой сдвиг по границе зерен кристаллической решетки, где и начинается рост нитевидных кристаллов [9].

Иммерсионное олово имеет маленькую толщину, поэтому напряжение растяжения после покрытия не возникает. Однако рост усов все же имеет место, и причиной их роста является напряжение сжатия в результате роста слоя интерметаллидов. Так как толщина олова невелика, его атомы мигрируют вдоль границ между зернами металла к месту роста нитевидных кристаллов.

Тонкие слои покрытия наиболее подвержены внутренним напряжениям, так как интерметаллиды быстро поглощают слой чистого олова полностью и окисляются. Оптимальная толщина иммерсионного олова, равная

1 мкм, представляет уже серьезную трудность для диффузии интерметаллидов [9].

Усы или дендриты?

Усы олова не следует путать с ростом дендритов, который также является относительно частой причиной отказов электронных устройств, выражающихся преимущественно в перемежающихся или постоянных коротких замыканиях. Различие заключается не только в процессе формирования, но и в том, что известно об этих двух явлениях.

Дендриты хорошо изучены, поскольку не являются проблемой, вызванной переходом на бессвинцовую технологию. Они представляют собой металлические нити или кристаллы, которые растут на поверхности металла (в плоскости х-у), а не перпендикулярно ей (в отличие от усов), в виде древовидных структур. Механизм роста дендритов носит электролитический характер. То есть для роста дендритов необходимо иметь электролит и напряжение, а следовательно, дендриты могут приводить к отказам только в случае наличия условий для образования электролита (например, влажность плюс остатки флюса или органических кислот), а также только при эксплуатации изделия.

Под действием присутствующего на плате напряжения проводник-анод растворяется, отдавая в канал положительно заряженные ионы металла (рис. 3а). Ионы направляются по каналу к проводнику-катоду, восстанавливаются на нем до металлического состояния, образуя в изоляционном зазоре проводящие перемычки в виде дендритоподобной рыхлой металлической структуры (рис. 3б) [6]. Скорость роста дендритов на катоде может достигать 0,1 мм в минуту [5]. В результате этих процессов за несколько минут могут образоваться нитевидные кристаллы толщиной 2…20 мкм и длиной до 12 мм (рис. 3в). После образования нитевидной перемычки кристаллы постепенно утолщаются до 0,1 мм, приобретая отчетливый металлический блеск. Сопротивление таких кристаллов может доходить до 1 Ом [6].

Рис. 3. Схема образования дендрита в канале, наполненном ионогенными загрязнениями. Рисунок из [6].

Последовательность роста дендритов хорошо прослеживается на фотографиях (рис. 4).

Рис. 4. Стадии роста металлических дендритов: а — 2 мин; б — 2,5 мин; в — 3 мин; г — 4 мин. Фото из [6].

Рост дендритов наблюдается на проводниках с покрытием из Ag, Cu, SnPb, Au, AuPd. Во избежание развития дендритного роста производители контролируют присутствие на конечных изделиях влаги и остатков химических веществ, которые способны растворить металл с образованием ионов, формирующих затем дендриты [1].

Интерметаллиды в оловянном покрытии

Как известно, Интерметаллиды или Интерметаллические соединения – это соединения двух или нескольких металлов между собой. Интерметаллиды относятся к металлическим соединениям, или металлидам. Они образуются в результате взаимодействия компонентов при сплавлении, конденсации из пара, а также при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии (при химико-термической обработке), при распаде пересыщенного твердого раствора одного металла в другом, в результате интенсивной пластической деформации при механическом сплавлении (механоактивации) [7]. По сути интерметаллид — тонкий пограничный слой взаимопроникновения паяемых металлов друг в друга.

В паяных соединениях интерметаллический слой играет роль механической связки. Однако образование интерметаллидов между оловянным покрытием и материалом основы и их последующее окисление являются прямой причиной ухудшения паяемости. Если толщина оловянного покрытия слишком мала, постоянно растущий слой интерметаллидов поглощает чистое олово, окисляется и ухудшает смачиваемость припоем [9].

Как уже отмечалось, образование интерметаллидов может быть причиной образования усов олова.

Подверженность олова к образованию интерметаллидов связана с его структурой, которая имеет объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую решетку. Соотношение длины сторон ячейки решетки (с/а) меньше единицы (прямоугольник в поперечном сечении). Такая некубическая структура решетки свидетельствует об анизотропных свойствах металла. Для олова коэффициент температурного расширения и коэффициент самодиффузии больше в направлении более длинной стороны кристаллической ячейки.

Учеными был отмечен однонаправленный рост усов олова [9], что является дополнительным подтверждением связи анизотропной структуры олова с образованием усов.

Кроме того, из-за образования интерметаллидов возможно появление так называемых волосных трещин, образование непрочных паяных соединений, что негативно сказывается на характеристиках изделия.

«Болезнь» белого олова

«Болезнь» белого олова зависит не столько от совместной эксплуатации олова с какими-либо другими материалами, а от его природы.

В конце прошлого века произошел интересный случай: из Голландии в Москву отправили олово по железной дороге. Вышел поезд, груженный брусками белого олова, а привез он лишь серый, ни на что не пригодный порошок. В дороге олово «простудилось», и на него «напала чума» [3]. Это одна из несколько легендарных историй, когда из-за оловянной чумы неслись экономические потери и даже гибли люди.

Рис. 5. Олово с 5% содержанием меди после продолжительного нахождения при температуре -18°С. Фото из [4].

В действительности эта «болезнь» — результат перестройки порядка атомов в кристаллическом олове.

Олово может пребывать в двух модификациях: первая – обыкновенное серебристо-белое олово, ковкий металл, который может вырастать и в виде больших монокристаллов. Белое олово образуется при температурах, превышающих +13,2°С. Если же температура опускается ниже 13°С, то атомы олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой разновидности — хрупкого неметаллического серого олова. Свойства этих двух видов олова значительно отличаются. Плотность белого олова 7,3 г/см3, а серого 5,8 г/см3. Температурный коэффициент объемного расширения у серого олова в 4 раза больше, чем у белого. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к тому, что материал трескается и рассыпается в порошок. Образующаяся при этом модификация уже теряет свойства металла и становится полупроводником.

Известно, что и белые, и серые кристаллы состоят из одних и тех же атомов олова. Однако основная причина различия — в расположении атомов в кристаллической решетке. От изменения размеров и форм атомных построек совершенно меняются свойства вещества [3].

Одна модификация переходит в другую тем скорее, чем ниже окружающая температура. При температуре минус 33°С скорость этого превращения достигает максимума. Если же обдать серое олово кипятком, то от сильного нагревания атомы снова перестроятся и олово перейдет обратно в белую разновидность.

Среди металлофизиков господствует мнение, что переход белого олова в серое начинается с «заражения»: на поверхность белого олова попадают частицы серого, и механизм их действия аналогичен действию «затравки» при кристаллизации жидкостей. Однако существует мнение, что для заражения «оловянной чумой» непосредственный контакт белого и серого олова не обязателен.

Несмотря на то, что серое олово по структуре и типу связи между атомами является полупроводником, практического применения для кристаллов серого олова пока почти не найдено — их слишком трудно выращивать, они хрупки, а по электрическим свойствам они не лучше германия и кремния, промышленное производство которых полностью освоено [3].

Методы по предотвращению образования дефектов, связанных с использованием олова

В настоящее время разработаны методы борьбы с ростом интерметаллидов, появлением усов олова и оловянной чумы, благодаря которым можно избежать или уменьшить вероятность их появления.

Было установлено, что различные материалы конформных покрытий могут помочь уменьшить повреждения, вызываемые усами олова. Покрытия не предотвращают рост усов, но исследования показали, что некоторые покрытия замедляют или тормозят их образование. В некоторых случаях образовавшиеся усы оказываются «запертыми» внутри покрытия, которое предотвращает их развитие, приводящее к коротким замыканиям [2].

Применение недостаточно толстых или прочных покрытий для сдерживания роста усов является спорным моментом. Покрытия, которые имеют микроотверстия, в общем и целом, бесполезны, так как они позволяют проникать внутрь влаге. Эта влага создает условия для потенциального роста дендритов, а также обеспечивает канал для образования усов. Усы олова очень устойчивы. Они будут расти под покрытием и, если оно не обладает достаточной прочностью, маленькие усики могут прорастать через него [1].

Кроме того, теоретически существенным источником сдавливающего напряжения в пленках олова может быть коррозия, и, как следствие, она может вызывать рост усов. Поэтому необходимо применять меры по предотвращению сильного окисления и конденсации влаги.

Главной рекомендацией iNEMI Tin Whisker User Group для подавления образования усов является использование никелевой прослойки между оловянным покрытием и основой из меди. Такие параметры, как толщина, пористость и упругость никелевого покрытия, являются очень важными для обеспечения эффективного барьерного слоя для меди [2]. При этом за счет создания такого слоя ограничивается диффузия меди и образование интерметаллидов олова. Также признано эффективным нанесение никеля на подложку из стали.

Рекомендуется избегать нанесения олова поверх латуни, так как такое сочетание металлов, как правило, приводит к образованию усов. Покрытие латуни оловом может быть использовано только тогда, когда нанесен диффузионный барьер из никеля. Минимальная толщина диффузионного барьера из никеля составляет 1,27 мкм [2].

Если на покрытие воздействует продолжительное механическое сдавливающее усилие, то риск роста усов олова значительно увеличивается. Необходимо провести тщательные испытания, чтобы определить, приведет ли рост усов к снижению надежности изделия.

Оловянная чума в электронной промышленности – явление достаточно редкое. Даже если применяются покрытия из совершенно чистого металлического олова, то после пайки оно растворяется в припойном сплаве, а при наличии примесей олово уже не подвержено оловянной чуме. Именно поэтому олово применяется для пайки и спаянные изделия не разваливаются. В покрытиях выводов компонентов, как правило, не применяется абсолютно чистое олово, к нему обязательно добавляются примеси, даже небольшое количество которых способно избавить от данной проблемы. Если добавить к олову немного, например, висмута, то можно предотвратить оловянную чуму. Атомы висмута в кристаллической решетке олова мешают перестройке, и белое олово остается металлом и не разрушается даже при низких температурах. Кроме того, средством против оловянной чумы стало легирование олова сурьмой, кобальтом и другими металлами. При этом установлено, что алюминий и цинк, наоборот, способствуют процессу образования чумы.

Некоторые производители ограничивают срок хранения компонентов с покрытием из чистого олова при пониженных температурах. Эффект «оловянной чумы» также следует учитывать при использовании припоев с высоким содержанием олова. Так как «оловянная чума» сильно сказывается лишь при температурах ниже -40°C (при около-нулевых температурах процесс трансформации занимает многие годы) её влияние на бессвинцовые компоненты на данный момент изучено слабо.

Заключение

Несмотря на достигнутые успехи, все еще очевидно, что мы не полностью понимаем основы образования усов олова и процесс их роста. Количественных моделей, которые позволяли бы предсказывать и прогнозировать рост усов, не существует. Группа компаний iNEMI Tin Whisker User Group разработала основные методы и нормы, направленные на уменьшение сдавливающего напряжения в пленках олова и тем самым препятствующие образованию усов. Все эти рекомендации основаны на опытных данных. И если для предотвращения оловянной чумы на сегодняшний день имеются проверенные способы, то гарантировать полное отсутствие усов после процесса нанесения олова пока невозможно.

Список использованных источников

1. Advanced coating technologies for lead-free solders, Bill Boyd, Specialty Coating Systems, Indianapolis, IN, USA www.globalsmt.net
2. iNEMI Updates Tin Whisker Recommendations, Joe Smetana www.globalsmt.net
3. Об оловянной чуме и о научном предвидении.gornie-porodi.info
4. Tin Plague, Andrew D. Kostic, Ph. D. Senior Consultant, Willcor klabs.org
5. Рекомендации по технологии о www.spring-e.ru
6. Аркадий Медведев. Монтажные флюсы. Смывать или не смывать? «Компоненты и технологиий», №4, 2001 www.compitech.ru
7. Интерметаллиды. www.xumuk.ru
8. ЗАО «Предприятие ОСТЕК». Энциклопедия поверхностного монтажа. Тест на наличие свинца. Содержат ли применяемые вами компоненты свинец? www.ostec-smt.ru
9. Иммерсионное олово как финишное покрытие. Надежность – прежде всего! «Технологии в электронной промышленности», №4, 2007
10. Whisker Evaluation of Tin-Plated Logic Component Leads. Douglas W. Romm, Donald C. Abbott, Stu Grenney, and Muhammad Khan. Texas Instruments. Application Report SZZA037A — February 2003.focus.ti.com

Драгоценные камни:Справочник

Сегодня олово — привычный металл. Однако в векахоно было довольно редким и ценным, поэтому Россия покупала его в другихстранах. Олово использовалось для покрытия железных изделий для предохраненияих от ржавчины. Из этого металла русскими умельцами создавалась посуда срельефными узорами, поскольку мягкое, податливое олово легко поддавалосьобработке резцом. После отлива изделия мастер декорировал его затейливыморнаментом или гравированной надписью. Сегодня Московский Исторический музейимеет различные образцы посуды из олова, которая сохранилась с давних времён.

Сплавы

По своей классификации оловянные сплавы делятся на припои, подшипниковые и легкоплавкие.

Пос 40 или пос 61 что лучше — фото и советы

Паять стальные изделия технологически несложно. Для этого можно применять даже легкоплавкие припои, например, ПОС-61 или чистое олово. Для качественного соединения стальных деталей в единое целое рекомендуется место контакта залудить оловом.

Впоследствии выполняется следующий перечень операций:

Ещё один народный способ в качестве припоя применять олово, в качестве флюса — машинное масло.

Что входит в состав припоя?

Основные технические характеристики мягких припоев для пайки электрическим паяльником

Характеристики

Стоит отметить нетребовательность припоя к паяльному оборудованию. Это может быть как какой-нибудь домашний вариант, так и промышленные устройства. Отсюда и распространенность ПОС 40 как в быту, так и на предприятиях.

Отлично подходит как для пайки на печатных платах с соответствующими свойствами, так и для создания герметичного, надежного шва.

Плотность этого вещества составляет 9300 килограмм на метр кубический. Диаметр припоя может быть разным. Он варьирует от 0,5 миллиметров до 3 миллиметров. Механическая прочность на растяжение составляет у этого припоя 3,8 мегапаскаля. Припой выпускается в соответствии с ГОСТом.

Сегодня на рынке присутствуют как трубки, которые уже имеют в своем составе сосновую канифоль, так и проволоки, которые не имеют в своем составе канифоли. Нельзя сказать, который из вариантов лучше – все зависит от того, в какой именно сфере применяется припой. Где-то будет предпочтительнее вариант уже с канифолью, а где-то – без.

Группа специальных сплавов

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.

Таблица 1. Малосурьмянистые припои:

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

Паяльная паста

Главным образом используется для пайки компонентов монтируемых поверхностно (SMD’шек), а также безвыводных микросхем в BGA корпусах.

Выглядит как кашица серого цвета, состоит из мельчайших шариков сплава Sn62Pb36Ag2 (серебра 2%, свинца 36%, олова 62%), также в составе содержится безотмывочный флюс. О том, что флюс безотмывочный, говорят две буквы на упаковке NC (No Clean). Флюс, содержащий шарики припоя, высыхает на воздухе, поэтому хранится паста в закрытой упаковке.

Используется это средство при сложном ремонте сотовых и для пайки микросхем в корпусе BGA. Ее применение предполагает использование дополнительного оборудования для ремонта мобильных, к примеру, специальные трафареты. Стоит паста довольно дорого, поскольку содержит серебро.

Сейчас в производстве электроники массово применяются припои без свинца.

Температура плавления

Для пайки толстых проводов используют припой с температурой плавления более высокой, чем для пайки тонких проводов. В некоторых случаях необходимо учитывать и электропроводность припоя (напоминание: удельное сопротивление олова равно 0,115 Ом х мм2/м, а свинца — 0,21 Ом х мм2/м).

Еще самоделки: Как собрать кронштейн для телевизора на стену — идеи с фото

Для пайки транзисторов можно применять так называемый сплав Вуда с температурой плавления 75 °С, в состав которого входят: олово — 13%, свинец — 27%, висмут — 50%, кадмий — 10%. Сплав Вуда можно приготовить по указанному рецепту самому или купить в аптеке. Пайка ведется слабо нагретым паяльником. В качестве флюса используется канифоль.

Сейчас выпускается большое количество разнообразных, так называемых «безотмывочных», флюсов, как жидких, так и в виде полужидкого геля. Особенность их такова, что они не содержат компонентов, вызывающих окисление и коррозию соединяемых деталей, не проводят электрический ток и не требуют промывки платы после пайки. Хотя все равно лучше после завершения пайки удалять с припаянных деталей все остатки флюса.

Для пайки медных деталей берут как мягкие, так и твердые припои. Для починки радиодеталей больше подойдут первые, для пайки жил, фитинга на трубах могут применяться как легкосплавные (1S и Rosol 3), так и твердосплавные (Rolot 2). Серебряные сплавы отличаются высоким качеством и используются для получения соединений при работе с медью, латунью или серебром. Они применяются тогда, когда через шов должно проходить электричество.

При выборе сплава для пайки руководствуются его температурой плавления, видом соединяемых материалов, размером деталей, требуемыми характеристиками (прочностью, коррозионной стойкостью и т. д.), методом соединения и его сложностью. При пайке алюминия используют сплавы на основе серебра, олова, цинка, меди и кремния (ЦОП-40, ПОС, 34А, АВИА-1, АВИА-2, ВПТ-4, 34-А, П250А, П300Б и т. д.).

По сравнению с тугоплавкими припоями механическая прочность легкоплавких невысока. Несмотря на это, они часто используются при электро- и радиомонтажных работах. Они плавятся уже при температуре в 183–280°С. Мягкие припои производятся на основе олова и свинца в различных пропорциях с добавлением кадмия, висмута, сурьмы, цинка, таллия и других металлов.

Еще самоделки: Как правильно намотать леску на катушку триммера — идеи с фото

Выбор припойного материала

Одним из главных критериев выбора сплава для создания паяного соединения металлических деталей является температура его плавления.

То есть, присадочный материал должен расплавляться раньше, чем основной. Но это не единственное условие выбора.

Жидкий расплав должен хорошо смачивать поверхность основного металла. Кроме этого, к паяному соединению предъявляются определённые прочностные требования.

Именно по этой причине при пайке какого-либо металлического изделия стараются использовать присадку на основе такого же металла, как металл изделия.

При этом более низкая температура плавления припоя обеспечивается дополнительными компонентами, входящими в его состав.

Правда, следует заметить, что сравнять эти характеристики при пайке не удаётся никогда. То есть, при механических испытаниях на разрушение излом всегда будет происходить в месте соединения.

В некоторых специфических видах пайки прочность соединения играет не главную роль. Например, при пайке ювелирных изделий основной является эстетическая часть работы. Поэтому изделия из золота, серебра и платины паяются только припоями на основе одноимённых металлов, причём той же пробы.

Общие сведения о пайке

Что главнее в работе паяльщика: инструмент или материал? Важным является все: и паяльник, и припой, и флюс. Многообразие паяльников связано с объектом пайки. Массивные детали прогревают мощными паяльниками, а микроскопические схемы чипов — маломощными. Профессиональные паяльщики применяют несколько видов этих нагревательных инструментов.

Разновидности Припоев Оловянно-Свинцовых (ПОС)

Наиболее известными из припоев являются ПОС 10, ПОС 40, ПОС 61 и ПОС 90 (бессурьмянистые припои). А ПОС содержащие сурьму имеют наименование ПОССУ. Содержание сурьмы увеличивает прочность припоя на несколько процентов.

Если разговор идет про плавление соеденения олова и свинца, необходимо знать определения солидуса и ликвидуса. Если нагреть любую смесь из двух и более металлов, то сначала произойдёт плавление (преобразование из твердой в жидкое состояние) самых легкоплавных частиц. Это температурная точка, называемая солидусом сплава.

При дальнейшем нагреве начинают плавиться более тугоплавкие металлы в сплаве. После того как они расплавятся, наступает точка ликвидуса. После чего припой ПОС считается полностью расплавленым.

Между точками солидуса и ликвидуса находится состояние повышенной пластичности припоя. При этой температуре припой можно деформировать и тянуть, не теряя целостность.

Существуют припои, у которых точка солидуса и ликвидуса совпадает, они называются эвтектические сплавы. Этот показатель говорит о том, что припой высокого качества, такой припой очень удобен при пайке.

О составе ПОС

В ПОС-40 — 40 % олова, а в ПОС-61 — около 61 % олова. Все остальное – это свинец и дополнительные примеси. По внешнему виду можно определить, какой перед вами припой. Матовый и темный припой содержит больше свинца. Светлый и блестящий — больше олова. Лучше всего это можно увидеть в сравнении.

Прочность припоя зависит на ряду с легированием сплава от паяемого металла. Для пайки цинка или меди в ПОС добавляют немного цинка или меди соответственно. Что снижает химическую эрозию металла и повышает поверхностную прочность соединения.

Легирование ПОС

Эксплуатационные характеристики припоя можно улучшить с помощью легирования следующими веществами:

• Пластичность, стойкость к термоциклированию становится лучше за счет добавок серебра, индия, лития, марганца, висмута.
• Устойчивость к коррозии припоя улучшает никель и медь.
• Увеличению жаропрочности способствует кобальт, кремний, цирконий, гафний, ванадий, вольфрам, ниобий.
• Припой становиться прочнее если добавить бор, железо, никель, кобальт, цинк, кремний.
• Добавка серебра, меди, цинка, кадмия, сурьмы и алюминия улучшает адгезию припоя.

Характеристики ПОС и ПОССу

Характеристики припоев оловянно-свинцовой группы, показаны в таблице параметров. Здесь можно увидеть такие характеристики, как удельное электросопротивление, температуру плавления, временное сопротивление разрыву, плотность, ударную вязкость и твердость по Бринеллю, теплопроводность, относительное удлинение существующих разновидностей ПОС и ПОССУ.

Из таблицы видно самый легкоплавкий (низкотемпературный) припой (кадмиевый ПОСК 50-18) с температурой плавления 145 °C, и самым прочный припой для пайки (ПОССу 4-6) с временным сопротивлением разрыву 6,5 кгс/мм 2 .

Низкотемпературые припои

Низкотемпературые припои предназначены специально для пайки компонентов очень чувствительных к перегреву. Самым «высокотемпературным» среди низкотемпературных является ПОСК-50-18. Он имеет температуру плавления 142–145°C. В своём составе ПОСК-50-18 имеет 50% олова и 18% кадмия. Остальные 32% приходится на свинец. Наличие в сплаве кадмия усиливает устойчивость к коррозии, но и придаёт ему токсичность.

Далее по убыванию температуры плавления идёт сплав РОЗЕ (Sn 25%, Pb 25%, Bi 50%). Маркируется как ПОСВ-50. Температура его плавления ниже температуры кипения воды и составляет 90 – 94°C. Он предназначен для пайки меди и латуни. В составе сплава РОЗЕ олово занимает 25%, свинец – 25%, висмут – 50%.

Этот сплав очень популярен у радиомехаников и вообще у всех электронщиков. Применяют его для демонтажа/монтажа чувствительных к перегреву элементов. Данный сплав идеально подходит для лужения медных дорожек только что изготовленной печатной платы, а также в плавких защитных предохранителях.

Ещё более низкотемпературным является сплав ВУДА (Sn 10%, Pb 40%, Bi 40%, Cd 10%). Его температура плавления 65 – 72°C. Так как в сплаве ВУДА присутствует кадмий (10%), из-за этого также явлестся токсичным, как и ПОСК-50-18, в отличие от сплава РОЗЕ.

Характеристики ПОС 10

ПОС 10 имеет следующий химический состав: 9-10 % олова, около 89 % свинца, 0,2 % висмута, 0,1 % сурьмы и остальные примеси в незначительных количествах. ПОС-10 используется для лужения и пайки контактных поверхностей электроники. Например, им заливают контрольные пробки в корпусах радиоэлектроники и паяют реле.

Температура пайки ПОС 10 — 299 °С. Точка солидуса — 268 °С.

Плюсы ПОС 10

• высокая температура плавления полезна при пайке корпусов аппаратуры.

Минусы ПОС 10

• высокое удельное сопротивление — 0,2 Ом•мм 2 /м;
• высокое содержание свинца, опасного для здоровья;
• низкая прочность и сопротивление разрыву около 3,2 кгс/мм 2 .

Характеристики ПОС 30

ПОС 30 — это промежуточное звено между ПОС 10 и ПОС 40. ПОС 30 состоит из: 30 % олова и 69,5 % свинца. Остальное легирование и примеси. ПОС 30 можно не колеблясь заменить на ПОС 40. Температура плавления (ликвидус) равна 238 °С, а температура пластичности (солидус) равна 183 °С. ПОС 30 обычно применяется для пайки и лужения радиаторов и листового цинка.

Плюсы ПОС 30

• хорошая адгезия;
• высокая прочность.

Минусы ПОС 30

• высокое содержание свинца;
• чаще выпускается в прутках.

Характеристики ПОС-40

ПОС 40 состоит на 39-41 % из олова, на 59 % из свинца. Остальные примеси в том же соотношении, как и у ПОС-10. ПОС-40 обычно применяется для пайки и лужения корпусов радиоаппаратуры из оцинкованного железа с оцинкованными швами.

Температура пайки припоя ПОС-40 238 °С, а солидус — 183 °С.

Плюсы ПОС 40

• более устойчив к термоцикличности, чем ПОС-61;
• хорошее соотношение пластичности и температуры плавления.

Минусы ПОС 40

• завышенная температура ликвидуса;
• высокое содержание свинца, что вредно для здоровья.

ПОС 61 (ПОС 60)

Существуют припои, произведенные по международным стандартам, например, припой Sn60Pb40, содержащий олова 60 % и свинца 40 %. Температура плавления припой 60/40 равна 191 °С.

Еще один пример припой ПОС-62. Его температура плавления c равна 184 °С, ее можно найти в зарубежном каталоге припоев (например, Kester).

Характеристики ПОС 61

ПОС-61 обычно используют для пайки и лужения электронных компонентов и печатных плат точных приборов с высокогерметичными швами, для которых не допускается перегрев.

Состав ПОС-61:

• Олово 59 — 61 %;
• Сурьма — не более 0,1 %;
• Медь — не более 0,05 %;
• Висмут — не более 0,02 %;
• Мышьяк — не более 0,02 %;
• Железо — не более 0,02 %;
• Никель — не более 0,02 %;
• Сера — не более 0,02 %;
• Цинк — не более 0,002 %;
• Алюминий — не более 0,002 %;
• Свинец — остальное — около 38,7 — 40,7 %.

Температура пайки припоя ПОС-61 составляет 220 °С. Солидус — 183 °С.

Технические характеристики ПОС 61 (по ГОСТ 21931-76):

• Плотность определяет вес припоя ПОС-61 и равна 8,5 г/см 3 ;
• Удельное электрическое сопротивление равно 0,139 Ом•мм 2 /м;
• Теплопроводность равна 0,12 ккал/см•с•град;
• Временное сопротивление разрыву составляет 4,3 кгс/мм 2 ;
• Относительное удлинение равно 46 %.

Плюсы ПОС 61

• хорошая адгезия к поверхности металлов;
• универсальный припой для пайки и большинства радиомонтажных работ;
• наилучшее соотношение температуры плавления и прочности;
• доступность и распространенность;
• часто выпускается в виде проволоки (ПОС 61 Т2А);
• низкая стоимость.

Минусы ПОС 61

• универсальность снижает характеристики в частных случаях, например при пайке цинка;
• температура плавления подходит не для всех устройств;
• пары припоя (свинца в нем) вредны для здоровья.

Характеристики ПОС-63

ПОС 63 в соответствии с ГОСТ и OCT 4Г 0.033.200 является сплавом, состоящим на 63 % из олова и на 37 % из свинца. Это некая модернизация припоя ПОС-61, подогнанная под международный стандарт J-STD 006В. Множество качественных китайских припоев аналогично маркируются Sn63Pb37. Это эвтектические сплавы с температурой плавления 183 °С.

ПОС-63 применяется в основном для пайки и лужения выводов микросхем и корпусированных радиокомпонентов, печатных плат, проводов и кабелей. Из современных припоев является самым распространенным. Характеристики припоя ПОС 63 очень схожи с ПОС-61.

Плюсы ПОС 63

• совпадение точек солидуса и ликвидуса;
• самый распространенный припой ПОС серии;
• сравнительно низкая температура плавления;
• низкая стоимость;
• поставляется в виде проволоки с заполнением флюсом.

Минусы ПОС 63

• часто подделывают, особенно в китае;
• содержит свинец, что увеличивает стоимость утилизации электронной техники согласно современных норм безопасности.

Характеристики ПОССу-61-0,5

ПОССу-61-0,5 обозначает тип сурьмянистого припоя с содержанием олова 61 %, сурьмы до 0,5 % и свинца около 38 %. Применяется для пайки и лужения печатных плат и оцинкованных радиодеталей при повышенных требованиях по температуре эксплуатации. Температура плавления равна 189 градусов.
Плюсы ПОССу-61-0,5

• повышенна адгезия к поверхности металла за счет содержания сурьмы;
• характеристики идентичны ПОС-61.

Минусы ПОССу-61-0,5

• трудно найти в продаже;
• повышенная стоимость.

Характеристики ПОС-90

ПОС-90 на 90 % состоит из олова и на 10 % из свинца. Также в нем около 0,1 % сурьмы и 0,05 % меди. Чаще всего применяется для пайки и лужения внутренних швов медицинской аппаратуры и пищевой посуды. Температура плавления ПОС 90 равна 220 градусов.

Плюсы ПОС 90

• низкое содержание свинца;
• редко подделывают;
• низкое сопротивление;
• высокая прочность.

Минусы ПОС 90

• высокая стоимость (выше, чем ПОС-61);
• низкая пластичность.

Припой для ценителей качественного звука

Такой припой хорошо знают любители Hi-End электроники. Это припой для пайки аудиотехники, произведенный в 30 — 50-хх годах прошлого века. Эти припои имеют высокую чистоту компонентов, что положительно сказывается на звуке наивысшего качества. Чтобы услышать эффект от такого припоя, нужны как высококачественный источник звука, излучатель звука, так и прекрасный слух. Специалисты «отслушивают» припой и составляют свои сплавы для лучшей звукопередачи.
Самым известным для меломанов является припой фирмы Kester. Его продают по 10 долларов за метр. С каждым годом его становится все меньше. По составу он близок к ПОС-90. Припой Kester состоит из 85,9 % олова, 8,5 % свинца, 3,28 % серебра, 0,34 % меди, 0,79 % натрия, 0,55 % магния и 0,27 % ртути.

Есть также припой, содержащий 50 % олова и 50 % свинца Sn50Pb50.

Температура плавления припоя в зависимости от вида

Метод соединения металлических (и не только) деталей горячей получил распространение не только в радио- и электротехнике. Этим способом монтируют трубы, собирают легкие конструкции, изготавливают сосуды и т.п. Важной составляющей успеха операции по спаиванию является правильный выбор припоя.

Что называют припоем, для чего используют

Припоем называется металл или сплав металлов, которые применяют при пайке для соединения деталей. Припой расплавляется, заливает место соединения, адгезируя к обеим поверхностям, затем застывает, образуя прочный шов. Часто припой путают с присадочным материалом при сварке. Внешне их использование выглядит похожим, но все же есть принципиальные отличия. При сварке обе соединяемые детали и присадка плавятся, образуя монолит. При пайке плавится только припой, соединяя две твердые поверхности.

Сварку можно выполнить без присадки, а пайку без припоя – невозможно.

Паяное соединение

Базовый состав припоев

Большая часть припоев изготавливается на основе олова. Название этого легкоплавкого металла даже применяется в качестве синонима слова «припой». На самом деле чистым оловом паяют редко. Соединение получается менее прочным и менее долговечным, чем при применении сплавов, да и стоит чистое олово дороже.

Чистое олово применяют для пайки предметов, контактирующих с пищей. В этом случае добавки токсичных металлов (свинец, кадмий и т.п.) недопустимы.

Зато олово имеет иные преимущества:

• низкая температура плавления;
• мягкость;
• хорошая адгезия ко многим металлам (с использованием соответствующих флюсов).

По этим причинам в качестве припоев широко распространены сплавы олова с другими металлами (например, со свинцом). Изменяя состав сплавов можно регулировать физические свойства припоев.

При всех достоинствах припоев на базе олова, их область применения не всеобъемлюща. Например, при пайке алюминия такие сплавы плохо адгезируют к поверхности, шов получается непрочным, через некоторое время место соединения разваливаются. Для этих целей применяют припои на основе алюминия или цинка (или которые почти полностью состоят из этих металлов).

Виды припоя их характеристики и назначение

Выполнить классификацию сплавов для пайки можно по различным критериям.

По химическому составу

Для применения в бытовых и промышленных условиях наиболее распространены следующие виды припоев:

1. Сплавы олова и свинца в различных пропорциях. Широко применяются, имеют низкие температуры плавления (до 250 градусов). Для улучшения механических свойств легируются небольшими добавками других металлов (цинк, сурьма, алюминий и т.д.).
2. Припои на основе висмута . Относятся к очень легкоплавким сплавам. Самые известные составы – сплавы Вуда и Розе. Они переходят в жидкое состояние ниже точки закипания воды.

По температуре плавления

По температуре плавления припои можно разделить на группы:

• особолегкоплавкие;
• легкоплавкие (мягкие);
• тугоплавкие (твердые).

К первой категории относят сплавы, которые плавятся при температурах до 100 градусов. Сюда включаются уже упомянутые сплавы Розе и Вуда, а также несколько других припоев на основе висмута. Верхней температурой плавления легкоплавких припоев обычно считают 400 градусов. Сюда входят все сплавы свинца и олова, а также другие составы. К тугоплавким относят припои на основе цинка и алюминия (их применяют для пайки алюминиевых сплавов), а также сплавы с высоким содержанием серебра.

По наличию флюса

Некоторые припои выпускаются в виде трубочек, заполненных флюсом. В большинстве случаев это удобно, но случаются ситуации, когда надо точнее подобрать сочетание сплава для пайки и химического реагента. В этих обстоятельствах надо использовать бесфлюсовые припои.

Трубочки из припоя, наполненные флюсом

Формы выпуска и диаметр

Обычно сплавы для пайки выпускаются в форме проволоки или прутков (реже – в виде гранул, порошка, ленты и т.п.), а также припои входят в состав паяльных паст. Диаметр прутков может составлять от 1 до 10 мм и выше.

Припой в виде прутков

На паяющие свойства диаметр «кругляка» не влияет, но надо иметь в виду, что чем меньше мощность паяльника, тем сложнее осуществить забор припоя от прутка. Паяльник на 25 ватт с трудом будет плавить «проволоку» диаметром 5..10 мм, и пайка превратится в мучение. Поэтому первый выбор «типоразмера» припоя выполняется по характерному пространственному размеру.

Многие припои достаточно мягки и пластичны, поэтому можно отрезать и сформовать кусочек сплава под имеющийся маломощный паяльник с помощью мелкого слесарного инструмента.

Скрутка из нескольких прутков

Если наоборот, имеется мощный паяльник и тонко сформированный припой, то проблему составит набрать нужный объем расплава. Лучше использовать в этом случае более толстый пруток или скрутить несколько тонких.

Для паяльника с большим жалом применять тонкие прутки неудобно

Марки припоев и их температура плавления

Различные сплавы имеют различную температуру плавления. Это надо учитывать при выборе оборудования (паяльника, фена, ИК-стола и т.п.).

Очевидно, что итоговая температура плавления сплава часто бывает ниже температуры плавления самого легкоплавкого компонента.

Выбор марки припоев для пайки

Для различных целей применяют сплавы различного состава. Для каждого вида работ коллективным опытом подобраны оптимальные припои.

Радиодеталей и микросхем

Микросхемы и другие электронные компоненты при пайке не рекомендуется перегревать (хотя этот момент на практике излишне мифологизирован). Еще менее толерантны к перегреву печатные проводники плат. Поэтому для пайки радиодеталей удобнее всего использовать классические свинцово-оловянные флюсы с большим содержанием олова (мягкие припои с металлическим блеском), выпускаемые в виде проволоки толщиной 1..2 мм. Удобно использовать трубочки, наполненные флюсом – как правило, он нейтральный и пригоден для такого вида работ.