Припои, флюсы, пасты.

 

Припои предназначены для горячего облуживания поверхностей и образо­вания паяного соединения деталей при сборке и монтаже конструкций ЭА и должны удовлетворять следую­щим требованиям: высокая механиче­ская прочность в заданных условиях эксплуатации, высокие электропро­водность и теплопроводность, герме­тичность, стойкость против коррозии, жидкотекучесть при температуре пай­ки, хорошее смачивание основного металла, малый температурный интер­вал кристаллизации.

По температуре плавления припои подразделяются на следующие группы в соответствии с ГОСТ 17349 – 71:

– особолегкоплавкие, Тпл < 145 °С;

– легкоплавкие, 145 °С < Тпл < 450 °С;

– среднеплавкие, 450 °С < Тпл <1100 °С;

– высокоплавкие, Тпл>1100°С.

 

Прежнее деление (низкотемпературные, Тпл < 450°С, и высокотемпературные) устарело. В производстве ЭА исполь­зуются припои первых трех групп. Основную группу легкоплавких припоев составляют оловянно-свинцовые припои системы Pb – Sn (рис. 3.17).

 

 

Рис. 3.17. Диаграмма состояния системы Sn – Pb

 

Наименьшей температурой плавле­ния (183°С) обладает эвтектический сплав (61 % Sn и 39 % Рb). Выше ли­нии солидуса при концентрации Sn в расплаве от 0 до 20 % образуется бога­тый свинцом α-твердый раствор, ко­торый содержит нерастворимые час­тицы свинца, а при концентрации Sn от 69 до 97,5 % – богатый оловом β-твердый раствор. Состав, температу­ры плавления и области применения оловянно-свинцовых припоев приве­дены в табл. 3.2.

 

Таблица3.2. Характеристики оловянно-свинцовых припоев.

Марка припоя Состав, % (остальное –свинец) Температура плавления Область применения
ПОС 30   ПОС 40 ПОС 61   ПОС 61М   ПОС 63 ПОС 90   Олово 29 – 30, сурьма 1,5 – 2,0   Олово 39 – 40, сурьма 1,5 – 2,0 Олово 59 – 61, сурьма до 0,8   Олово 59 – 61, сурьма до 0,8, медь 1,5 – 2 Олово 63±0,5, примеси 0,15, Олово 90 183 –256   183 –235   183 –185   183 –185 183 –222 Пайка и лужение меди и ее сплавов, углеродистых сталей. Пайка деталей из медных сплавов, сталей Пайка монтажная, лужение выводов ЭРЭ и ИМС Пайка паяльником монтажных соединений.   Пайка волной припоя МПП. Пайка деталей по серебряным изолоты покрытиям.

 

Недостатками припоев системы Sn–Pb являются их разупрочнение и пол­зучесть при температурах выше 100–150°С. Припои ПОС 30, ПОС 40 име­ют большую прочность, но и более широкие температурные интервалы кристаллизации, что снижает произ­водитель-ность процессов пайки.

Путем введения легирующих доба­вок в систему Sn–Pb получают при­пои, отличающиеся повышенной ме­ханической прочностью (Sb), пони­женной температурой плавления (Bi, Cd, In), повышенной электропровод­ностью (Ag), пригодностью к УЗ-пайке (Zn), пайке полупроводниковых при­боров (In, Au, Ga) и др. (табл. 3.3)

Выбор марки припоя определяется требуемой механической прочностью и электропроводностью соединений, максимально допустимой температу­рой пайки, типом основного металла и технологического покрытия, а также технико-экономическими и техноло­гическими требованиями. Наиболее распространенным припоем для мон­тажной пайки является оловянно-свинцовый припой ПОС 61, который отличается низкой температурой плав­ления, узким интервалом кристалли­зации, хорошей жидкотекучестью и низким электросопротивлением. Эти факторы способствуют применению групповых методов пайки с высокой производительностью.

Обогащенный медью припой ПОС61М предназначен в основном для ручной пайки, так как в нем за­медляется эрозия паяльного медного жала. При объемном монтаже, в част­ности пайке штепсельных, высокочас­тотных и коаксиальных разъемов, ка­белей, требующих повышенного на­грева, используют малооловянистые припои ПОС 40, ПОС 30. Пайку и лу­жение термочувствительных элемен­тов ведут особолегкоплавкими при­поями ПОСК 50, ПОСВ 50, ПОСВ 33. Пайку деталей с покрытиями, содер­жащими серебро, золото, индий, пал­ладий, проводят припоями, в состав которых входят эти элементы.

 

Таблица 3.3. Характеристики специальных припоев

Марки припоя Состав,% (остальное – свинец) Температура плавления Область применения
Повышенной прочности
ПОС 4-6   ПОССу 10-2 Олово 4 –3, сурьма 5 –6   Олово 8 –10, сурьма 2 –3 245 –265 68 –285 Пайка медных сплавов с повышенной прочностью Пайка медных и никелиевых сплавов с повышенной прочностью.
Особолегкоплавкие
ПОСК 50-18   ПОСВ 33 ПОСВ 50 (спл Розе) ПОСВ 50К (спл Вуда) ПОИ 50 Олово 50, кадмий 18   Олово 33, висмут 50 Олово 25, висмут 50 Олово 50, индий 50 142 – 145   120 –130 90 –92 66 – 70 Пайка чувствительных к перегреву элементов, серебряных покрытий. Лужение печатных плат. Лужение ПП и МПП Пайка предохранителей Пайка подложек ГИС, БГИС, феррита, керамики  
Серебросодержащие
ПСр 45     ПСр 2,5     ПСр1,5   ПОССр 2 Серебро 45, медь 30, цинк 25   Олово 5, серебро 2,5     Олово 15, Серебро 1,5   Олово 60Ю серебро 2 660 – 725     295 – 305     265 –270   169 – 173 Пайка изделий из меди и стали при повышенных статических вибрационных нагрузках Пайка медных волноводах с гальваническим серебряным покрытием Пайка и лужение ЭРЭ, работающих при температурах до 200ºС Пайка и лужение по серебряным покрытиям
Для УЗ – пойки
П150А   ПОЦ 10 (П200А) ПОЦ 80 (П250) П300А Олово 40, цинк 3,5, кадмий 56 Олово 90, цинк 10 Олово 80, цинк 20 Кадмий 40, цинк 60 150 – 165   199 – 200 200 – 250 266 –310   Пайка и лужение деталей из керамики и ферритов с применением ультразвука Пайка алюминиевых, титановых сплавов с применением ультразвука
Для пайки полупроводниковых припоев
ПОС 3л3   ПГлМ 65 Олово 60, золото 3,0   Галлий 65, медь 34 – 36 180 –215   Пайка полупроводниковых приборов Пайка термочувствительных элементов с самоупрочнением

 

Припои выпускают в виде литой (рис.3.18, а) или прессованной (рис.3.18, б) проволоки, в которой каждое зерно припоя окружено кани­фолью, при общем ее содержании 0,8 – 1,2 % (по массе), а также запол­ненной флюсом одно- (рис.3.18, в), трех- (рис.3.18, г) или пятиканальной трубки.

Применение трубчатого при­поя при ручной пайке сокращает на 30–40 % расход припоя из-за более оптимального дозирования.

 

 

Рис. 3.18. Структура трубчатых припоев

 

Для успешного проведения опера­ции пайки применяют флюсы, кото­рые должны удовлетворять следую­щим требованиям:

– температура плавления – не выше температуры плавления припоя;

– полностью растворять оксиды основного металла, но не образовы­вать с ним трудноудаляемых хими­ческих соединений;

– остатки флюса должны легко удаляться с поверхности основного металла после пайки и не вызыватькоррозии паяного соединения;

– флюс и продукты его разложения при выполнении пайки не должны выделять удушливых или вредных газов, т. е. флюс должен быть тер­мически стабилен в заданном ин­тервале температур.

В зависимости от температурного интервала активности флюсы подраз­деляются на низко- и высокотемпе­ратурные. Основными параметрами флюсов являются:

– химическая актив­ность;

– термическая стабильность;

– тем­пературный интервал флюсования , где Та – температура активации; Т пф – температура потери флюсующих свойств;

– активность рас­текания (оценивается коэффициентом растекания припоя).

 

Основные типы флюсов для мон­тажной и конструкционной пайки, применяемой на практике, приведены в табл. 3.4.

Смолосодержащие флюсы на основе канифоли имеют органическое проис­хождение. С химической точки зрения канифоль является нелетучей фракци­ей смолистых веществ хвойных де­ревьев, в ее состав входят абиетиновая и пимаровая кислоты, которые при температуре 225–300°С растворяют тонкие оксидные пленки на меди и олове. К достоинствам флюсов на ос­нове канифоли относятся нетоксич­ность, отсутствие коррозийного дей­ствия, длительная сохраняемость. Не­достатки – малая активность, труд­ность удаления смолистых остатков, вредность, поэтому пары канифоли необходимо удалять с рабочего места путем вентиляции.

Для повышения активности флюсов в их состав вводятся активирующие до­бавки: анилин, гидразин, триэтаноламин, диэтиламин солянокислый, а также органические кислоты: сали­циловая, адипиновая, щавелевая, ли­монная, молочная и др. При этом не­обходимо, чтобы в температурном интервале пайки добавки со щелочными свойствами (триэтаноламин) нейтрали­зовали остатки веществ, имеющих ки­слотные свойства (салициловая кисло­та, диэтиламин солянокислый и др.).

Смолосодержащие флюсы удаляются последовательной трехкратной промывкой в смеси (1:1) бензина и эти­лового спирта при 20°С, спирто-фреоновой смесью или УЗ-обработкой. Водорастворимые флюсы удаляются струйной промывкой в горячей про­точной воде с последующей протир­кой щетками.

Для высокотемпературной пайки ис­пользуют буру – обезвоженный тетраборнокислый натрий Na2B4О7. Наибо­лее низкие температуры плавления сре­ди боратных флюсов имеют системы, содержащие 15–20% борного ангидрида (570 – 650°С).

Для пайки алюминиевых и магниевых сплавов применяют легкоплавкую эв­тектику солей КС1–LiCl–NaCl, кото­рая обеспечивает хорошую жидкотекучесть при температуре 450–500°С. Такие флюсы обладают высокой хи­мической активностью, поэтому их остатки после пайки должны удалять­ся особенно тщательно.

 

Таблица 3.4. Характеристики флюсов для пайки в производстве ЭА

Марка флюса Химический состав, % (остальное – этиловый спирт) Активность на меди при 260˚С Область применения
Некоррозионные смолосодержащие
ФКСп ФКТ   ФПЭт Канифоль сосновая 10 – 40 Канифоль сосновая 10 – 40, тетрабромид-дипентен до 0,1 Смола полиэфирная ПН-9 (ПН-56) 20 – 30, Этилацетат 70   1,0 1,2   1,5 Пайка и лужение ЭРЭ, ИМС в изделиях специального назначения, ΔТф =200–300˚С Монтажная пайка, консервация деталей, ΔТф =200–400˚С.
Коррозионные смолосодержащие активированные
ФКТС     ЛТИ 120 Канифоль сосновая 15 – 30, кислота салициловая 3,0 – 3,5, триэтаноламин 1,0 – 1,5. Канифоль сосновая 20 – 25, диэталамин солянокислый 3 – 5, триэтаноламин 1– 2.   1,2     2,0 Монтажная пайка при условии полного удаления флюса, ΔТф =200–400˚С Пайка и лужение элементов в изделиях широкого потребления при полном удалении остатков.
Водорастворимые
ФТБ   ФТС   ФГСп ФДФс Кислота бензойная 4,0 – 4,5 триэтаноламин 1,0 – 1,5. Кислота салициловая 4,0 –4,5, триэтаноламин 1,0 – 1,5. Гидразин солянокислый 2 –4, Диэтиламин солянокислый 20 – 25, кислота ортофосфорная 20 – 25, этиленгликоль – остальное. 1,1   1,2   1,5 2,5   Механизированная и ручная пайка ЭРЭ в изделиях бытовой ЭА, ΔТф =225–300˚С.     Пайка и лужение деталей бытовой ЭА Пайка деталей из цветных и черных металлов и сплавов при полном удалении остатков, ΔТф =180–310˚С
Высокотемпературные
    34А   Ф370А Борный ангидрит 70 – 62 , бура 17 – 21, кальций фтористый 13 – 17. Калий хлористый – 50, литий хлористый – 32, натрий фтористый – 10, цинк хлористый – 8. Калий хлористый 51 – 46, литий хлористый 36 – 39, натрий фтористый 4 – 5, кадмий хлористый 9 – 10. 5,1     5,0 на Амц   9,2 на АМц Пайка меди и ее сплавов, сталей ΔТф =650–670˚С   Пайка алюминиевых и титановых сплавов ΔТф =415–435˚С     Пайка алюминиевых и титановых сплавов ΔТф =360–380˚С.    

 

Технология поверхностного монта­жа обусловила широкое применение припойных (паяльных) паст, представ­ляющих собой механическую смесь порошка припоя, связующего вещества, флюса и некоторых других компо­нентов. В настоящее время это один из наиболее перспективных, удобных и гибких способов дозирования па­яльных материалов в условиях автома­тизированного производства.

Припойная паста обеспечивает зна­чительную (до 30–50 %) экономию припоя благодаря точному дозирова­нию, а клеящие свойства позволяют использовать ее для фиксации эле­ментов перед пайкой. Основным компонентом пасты является порошок припоя (75–95 % по массе) в виде сферических частиц диаметром 10–150 мкм, получаемых УЗ-распылением жидкого припоя. В качестве связую­щих веществ используют органиче­ские смолы или их смеси. Кроме них в пасту вводят разбавители, пласти­фикаторы, тиксотропные вещества. Последние препятствуют оседанию частиц припоя при хранении, повы­шают разрешающую способность пас­ты, обеспечивают заданный диапазон вязкости.

 

Рис. 3. 79. Схема установки УЗ-распыления припоя:

1 - подача расплава; 2 - камера; 3 - ступенчатый вол­новод-концентратор;

4 - преобразователь; 5 - подача га­за; 6 - тара

 

Для распыления припоя применяют УЗ-установки на магнитострикционных (рис.3.19) или пьезоэлектрических пре­образователях. Получают порошки при­поев ПОС61, ПОИн52, ПОСК50-18 с размером сферических частиц 10–160 мкм, в которых содержание кисло­рода по массе из-за распыления в среде инертного газа не превышает 5-10 -2 %.

Средний размер распыляемых час­тиц определяется так:

 

 

где σ – коэффициент поверхностного натяжения припоя;

ρ – плотность при­поя;

f – частота УЗ-колебаний.

Промышленность ряда стран вы­пускает припойные пасты, различаю­щиеся маркой припоя, составом флю­са и другими свойствами (табл.3.5).

 

Таблица 3.5. Характеристики припойных паст

Марка пасты Тип припоя Флюсы Температурный интервал, ˚С
ПП1-180 ППЛ-06-61 ПП1-40 SC3301 (heraeus, Германия) SC6004 (heraeus, Германия) ПОС 61 ПОС 61 ПОСК 50-18 Sn – 63%, Pb – 37% Sn – 48%, In – 52% Активированная канифоль То же То же Производные органических кислот То же 220 – 250 220 – 250 170 – 180 210 – 235 145 – 170