Современные припои

Начнем с определения. Процесс пайки предполагает соединение металлических элементов с использованием расплавленного металла или металлического сплава с температурой плавления ниже температуры плавления тех спаиваемых элементов. Причем в отличие от сварки, при которой растворяется и поверхность свариваемого элемента, пайка не влияет на структуру соединяемых деталей.

Пайка делится на мягкую и твердую. Точкой разделения является температура 450°С. Если температура плавления припоя ниже 450°С, то имеем дело с мягкой пайкой, а если температура выше 450°С — с твердой. При пайке присадочный металл должен расплавляться на соединяемых поверхностях, которые предварительно должны достичь соответствующей температуры. При правильных условиях связующий элемент начнет смачивать паяемые поверхности и растекаться по ним.

Адгезия связующего припоя к соединяемым поверхностям может быть нарушена присутствующими на них загрязнениями, например, небольшими остатками механической обработки или химических соединений, например, оксидами металлов, жирами, остатками краски или лака. Поэтому перед началом процесса может потребоваться механическая или химическая очистка спаиваемых поверхностей. В процессе самой пайки нагретые металлические элементы будут подвергаться более интенсивному образованию оксидов металлов на своей поверхности, что отрицательно сказывается на процессе пайки и качестве получаемого соединения. Предотвращение повторного окисления и удаление имеющихся оксидов с соединяемых поверхностей – как раз одна из основных задач паяльных флюсов.

В зависимости от используемого припоя (свинцовый, бессвинцовый, низкотемпературный, высокотемпературный) процесс соединения будет проходить при разной температуре. Поэтому важно правильно подобрать флюс, чтобы его работа была оптимальной именно при температуре данного процесса, и он не сгорал до ее достижения.

Эвтектические сплавы

Припои представляют собой однородные смеси как минимум двух металлов. При нагревании в большинстве случаев они начинают переходить из твердой фазы (солидус) в жидкую (ликвидус) через фазу «теста». Аналогично, когда он остывает и переходит из жидкой фазы в твердую, появляется промежуточная фаза.

При лишь одном соотношении смешивания металлов, входящих в состав припоя, переход от твердой фазы к жидкой и наоборот будет немедленным, минуя промежуточную фазу. Такой материал с определенным соотношением входящих в его состав металлов называется эвтектическим сплавом, для которого температуры солидуса и ликвидуса равны.

Затвердевание эвтектического сплава происходит равномерно по всему шву и положительно влияет на качество соединения. Это снижает риск смещения компонентов и создания так называемой «холодной пайки» — соединения, подвергавшиеся движению или вибрации до полного затвердевания, в результате чего снижалась их долговечность и механическая устойчивость. Например, для системы олово-свинец эвтектическая смесь представляет собой сплав, состоящий примерно из 62% олова и 38% свинца. Температура плавления/застывания здесь составляет 183°C.

Эвтектические сплавы: Sn63Pb37 (183°C), Sn50Pb32Cd18 (145°C), Sn62Pb36Ag2 (179°C), Bi58Sn42 (139°C), Sn99,3Cu0,7 (227°C), Sn99,25Cu0,7Ni0,05. (227°С), In52Sn48 (118°С), Sn96,5Ag3,5 (221°С), Sn95,5Ag3,8Cu0,7 (217°С), Sn91Zn9 (199°С).

Нормативы состава припоев

Часто используемыми стандартами, касающимися химического состава мягких припоев, являются ISO 9453 (Международная организация по стандартизации) и IPC J-STD-006 (Институт соединений и упаковки электронных схем). Определяют содержание в связующем припое следующих элементов (основные компоненты и допустимые уровни примесей): Sn, Pb, Sb, Bi, Cd, Cu, Au, In, Ag, Al, As, Fe, Ni, Zn. Для некоторых сплавов стандарт ISO 9453 также определяет уровни содержания фосфора (P), галлия (Ga) и германия (Ge). Последняя редакция стандарта ISO 9453:2020(E) включает 31 свинцовосодержащий припой и 31 бессвинцовый сплав.

В этих стандартах описываются также формы припойных связующих: слитки, стержни, пластины, полоски, проволоки, заготовки, шарики, ленты, порошок и пасты, содержащие порошок. Они также включают рекомендации по предпочтительным методам проверки химического состава припоев, а также требования к маркировке сплавов и содержанию этикеток продукции.

Припои содержащие свинец

Припой представляет собой смесь нескольких различных металлов, выбранных по их свойствам, таким как температура плавления и электропроводность. Свинец, обычно в сочетании с оловом, был основой большинства припоев с самого начала современной электроники. Этот металл характеризуется низкой температурой плавления, хорошими показателями адгезии и текучести, что делает процесс пайки быстрым и надежным. Но из соображений охраны окружающей среды и здоровья был введен ряд правил, ограничивающих использование свинца в производстве электроники. Например директива ЕС RoHS (Ограничение использования опасных веществ), целью которой является ограничить количество опасных веществ, попадающих в окружающую среду из электронных отходов.

В эту группу входят сплавы Sn-Pb, Sn-Pb-Ag, Sn-Pb-Cu, Sn-Pb-Sb, Sn-Pb-Bi, Sn-Pb-Cd и Pb-Ag. В течение многих лет свинцовосодержащие припои доминировали в процессах мягкой пайки в электронике и электротехнике. Наиболее часто используемые сплавы:

• Sn63Pb37 (эвтектика 183°С),
• Sn60Pb40 (183/190°С),
• Sn60Pb39Cu1 (183/190°С),
• Sn63Pb36Ag2 (эвтектика 179°С),
• Pb93Sn5Ag2 (HMP – тугоплавкий сплав 296/301°С).

Преимуществом свинцовых сплавов является более низкая температура процесса (за исключением сплавов HMP), что означает меньшие энергозатраты, меньший термический риск для паяемых деталей, более быстрый предварительный нагрев деталей, меньшая стоимость сплава, хорошая смачиваемость на большинстве поверхностей, отсутствие образования оловянных дендритов (усов), надежность соединений.

Свинец признан элементом, оказывающим негативное влияние на здоровье человека, а при попадании в окружающую среду он является одной из причин загрязнения воды тяжелыми металлами. Директива RoHS исключает, среди прочего, свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, полибромдифенилы (ПБД), полибромдифениловые эфиры (ПБДЭ) и фталаты (DEHP, BBP, DBP, DIBP) в электрическом оборудовании.

Бессвинцовые припои

Бессвинцовые припои часто изготавливаются на основе смеси олова и серебра. Они обычно характеризуются более высокой температурой плавления и требуют использования при пайке большего количества флюса (или флюса с более высокой активностью). В случае классической ручной пайки, при правильном проведении процесса надежность соединений, выполненных свинцовыми и бессвинцовыми сплавами, должна быть сопоставима. Правда в случае электронных схем высшего класса, предназначенных для использования в сложных климатических условиях (например, в авиации), имеются некоторые оговорки по поводу надежности соединений выполненных из бессвинцовых материалов.

В эту группу входят сплавы Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb, Sn-Bi, Sn-Bi-Cu-In, Sn-Bi-Cu-In, Sn-Bi-Ag-Cu, Sn-Bi-Ag-Cu-In, Sn-Cu-Ni, Sn-Cu-Ni-P-Ga, Sn-Cu-Ag-P-Ga, In-Sn, Sn-In-Ag-Bi, Sn-Ag-Cu-In, Sn-Ag-Cu-Ni-Ge, Sn-Ag-Bi-Cu, Sn-Zn, Sn-Zn-Bi. Наиболее часто используемые сплавы:

• Sn96.5Ag3Cu0.5 (SAC305 217/220°C),
• Sn95.5Ag3.8Cu0.7 (эвтектика SAC387 217°C)
• Sn99.3Cu0.7 (эвтектика 227°С),
• Sn99Cu0,7Ag0,3 (217/227°С),
• Sn96.3Ag3.7 (221/228°С),
• Sn97Ag3 (221/224°С),
• Sn96.5Ag3.5 (эвтектика 221°С).

Преимущество бессвинцовых сплавов заключается в том, что они соответствуют требованиям директивы RoHS и снижают риск для здоровья человека и окружающей среды. Однако следует помнить, что бактерицидные свойства серебра при попадании в окружающую среду могут нарушить биологический баланс.

К недостаткам бессвинцовых сплавов относятся:

1. более высокая энергозатратность процесса в результате более высокой температуры плавления,
2. больший термический риск для паяных компонентов,
3. обычно менее блестящий шов с большим углом контакта (худшая смачиваемость),
4. риск образования оловянных дендритов (усов), которые могут создать нежелательные электрические замыкания на печатной плате,
5. более быстрый износ жал из-за агрессивности олова в более высокой концентрации,
6. повышенные механические нагрузки в суставах,
7. более высокая цена припоя из-за более высокого содержания олова и добавления серебра.

Затраты энергии, затрачиваемой на процесс пайки, можно снизить используя низкотемпературные связующие, например, In52Sn48 (118°C), Bi58Sn42 (139°C) или сплав Bi57Sn42Ag1, легированный серебром для повышения прочности. Возможность проведения процесса пайки при более низких температурах существенно повышает термическую безопасность паяемых элементов.

Популярные виды бессвинцовых сплавов

• Индиевые сплавы. Индий широко используется в производстве электронных устройств. Его сплавы активно используются в процессе поверхностной сборки (SMT). Для них характерна низкая температура плавления (около 157°С). Паяные соединения из этого материала характеризуются высокой устойчивостью к низким температурам.
• Сплав олова и сурьмы. Сплав Sn/Sb характеризуется высокой прочностью и устойчивостью к высоким температурам. Его температура плавления составляет около 235°C, что позволяет использовать данный материал в процессе установки систем охлаждения и вентиляции.
• Сплавы олова и серебра. Сплавы Sn/Ag часто используются в процессах пайки волной и оплавлением. Добавка серебра повышает механическую стойкость паяного соединения, но обычно не превышает 3% от массы сплава. Увеличение примеси серебра может привести к ослаблению пластичности сплава.
• Сплав кадмий-цинк. Сплавы Cd/Zn имеют температуру плавления около 265°C. Паяное соединение, выполненное с их помощью, отличается высокой прочностью, что делает его идеальным для использования в схемах, подверженных сильным ударам и вибрациям.

Таким образом, прогрессирующая миниатюризация электронных компонентов ставит новые задачи перед связующими веществами и самими процессами пайки. В схемах, применяемых в авиации и автомобилестроении, где приоритетом является безопасность человека, обеспечиваемая длительной, безошибочной и безотказной работой электронных компонентов, классические процессы пайки могут оказаться недостаточными. Например, для устранения пустот и пористости в швах (снижения теплопроводности шва) процесс оплавления целесообразно проводить в вакууме, но это уже тема выходящая за рамки обычного радиолюбительства…