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 |