Температура плавления бессвинцового припоя

Какие бывают бессвинцовые припои

Во многих государствах все большее внимание уделяется вопросам экологической безопасности материалов. Накопилась научно подтвержденная информация о вреде свинца и его соединений.

В связи с этим популярность набирает бессвинцовый припой, имеющий хорошие эксплуатационные свойства. Он менее вреден для организма человека.

Общие требования

Количество композиций металлов, не включающих свинец, постоянно увеличивается. Благодаря многолетнему применению на практике, известность получили несколько основных составов. Для многих из них характерно явление эвтектики.

Оно заключается в том, что температура плавления сплава с тщательно подобранным соотношением металлических компонентов ниже, чем у любой другой смеси выбранных металлов. Эвтектические качества бессвинцового припоя позволяют снижать температуру нагрева рабочей зоны, экономить количество потребляемой электроэнергии.

Существуют общее требования к припоям без свинца – отсутствие лишних примесей. Посторонние металлы негативно влияют на качества шва:

  • если в сплавах в небольших количествах находится никель, то шов может иметь полости;
  • примеси алюминия приведут к получению тусклого и зернистого соединения;
  • железо значительно увеличивает вероятность образования окалины;
  • медь в избыточном количестве склонна увеличивать смачиваемость;
  • сурьма может вызвать образование шва, хрупкого при невысоких показателях температуры.

Важно применять припои, сделанные авторитетными производителями. На предприятиях, профессионально занимающихся получением бессвинцовых припойных сплавов, много внимания уделяется контролю чистоты всех компонентов. Качеству такой продукции можно доверять.

Олово, серебро, медь

Припои из олова и меди применяют давно. Смесь относится к эвтектическим, при этом имеет температуру плавления большую, чем другие припои, не содержащие свинца.

Припойная композиция из олова и серебра имеет отличные эксплуатационные качества. Пайка с ней проводится легко, шов получается прочным и долговечным.

Температура плавления эвтектического композита с серебром равна строго 221 °С. Узкий температурный диапазон плавления – характерная особенность всех бессвинцовых эвтектических смесей.

Припой их трех компонентов: олова, серебра и меди стал применяться гораздо раньше, чем олово-серебряный материал. Он имеет меньший показатель температуры плавления, равный 217 °С.

Некоторые зарубежные производственные компании выпускают бессвинцовый трехкомпонентный композит с соотношением металлов, несколько отличающимся от привычного.

Вследствие этого, температура плавления таких эвтектических смесей может быть иной. Подробная информация о составе обязательно указывается производителем в сопроводительных документах.

Сплавы с висмутом

Лучшей спаиваемостью обладает припой из олова, серебра и небольших количеств висмута. Иногда вместо висмута добавляют германий. Бессвинцовый сплав имеет низкую температуру плавления, которая укладывается в интервал от 200 до 210 ℃.

Значение может изменяться в зависимости от соотношения металлов. Добавки улучшают смачивание деталей расплавом, способствуют образованию качественных швов.

Очень близка температура плавления смеси олова, цинка и висмута к аналогичному показателю свинцовых припоев. Достоинством бессвинцового сплава является отсутствие токсичного компонента.

Однако цинк, как активный металл провоцирует появление многих проблем. Припойная паста подлежит быстрому использованию, при хранении она изменяется.

Паять таким бессвинцовым средством нужно с применением флюсов, в атмосфере инертных газов. Иначе велика вероятность окисления, излишнего зашлаковывания шва.

Какие применять флюсы

В качестве флюсов при проведении бессвинцовой пайки преимущественно применяют композиции в водном растворе, не содержащие летучих органических веществ (VOC).

Они не склонны к воспламенению, обладают активностью в большом диапазоне температур. Составы и пасты на их основе можно хранить в замороженном состоянии сколь угодно долго.

Флюс для бессвинцовой пайки долго не теряет необходимых свойств, обладает хорошим поверхностным натяжением, улучшает текучесть расплавленной массы.

Направления использования

Возможности пайки бессвинцовыми припоями велики. Они включают проведение спаивания волной или в специальных печах.

Можно использовать обычный паяльник. Выбор технологии определяется объектом, условиями эксплуатации спаянного изделия, спецификой производства.

При работе на предприятиях оборонного назначения рекомендуются высококачественные смеси из олова, серебра, меди, к которым при необходимости добавляют сурьму.

Присутствие сурьмы ухудшает экологическую безопасность сплава. Это очень токсичный элемент, смеси с которым применяются только в случае острой необходимости.

Для работы с профессиональной техникой в промышленности, системах связи также пригодны припои из олова, серебра, меди или только оловянно-серебряные составы эвтектического характера.

Для офисного оборудования, аудио- и видеотехники рекомендованы также составы на основе олова, серебра с добавками меди или сурьмы или без таковых. Припои, содержащие висмут, из соображений экономии денежных средств применяются значительно реже.

Влияние на здоровье

Ограниченные возможности применения бессвинцовых припоев в радиоэлектронике, их не очень хорошая смачиваемость и необычная температура плавления вызывают недовольство у многих паяльщиков.

Безопасность оловянных сплавов они ставят под сомнение. Мнение некоторых практиков сводится к тому, что неудобств много, а вред для человека все равно имеет место быть.

Олово, входящее в бессвинцовые припои, обладает токсичностью в случае, если частички попадают в легкие. Олово кипит при температуре 2600°. Это очень высокий показатель, который в процессе пайки, конечно, не достигается. Следовательно, выделение паров олова при спаивании деталей не происходит.

Свинец и все его соединения проявляют сильно выраженное токсическое действие на организм, накапливается в тканях, повреждает почки, кровеносную систему. Особенно он опасен для детей, нарушая развитие нервной системы.

Сам по себе металл не представляет опасности. Олово разрешено к применению в пищевой промышленности. Следовательно, мнение о токсичности бессвинцовых припоев не оправдано.

Читать еще:  Температура плавления черного металла

Пайка с бессвинцовым припоем обычно проводится по известной схеме. Поверхность деталей следует хорошо почистить, расплавить выбранный припой, распределить его на спаиваемой зоне.

Особое внимание нужно обратить на температуру нагрева. Припои без свинца плавятся при меньшей температуре. После охлаждения нужно проверить качество полученного соединения.

Бессвинцовый припой

К разряду бессвинцовых припоев относятся те материалы, которые не имеют в своем составе свинца. Изначально использование подобной технологии было предпринято в экологических целях, так как этот металл относится к вредным для окружающей среды и здоровья человека. Стоит отметить, что марки, в которых нет только свинца, но при этом содержится ртуть и кадмий, не относятся к бессвинцовым. Самым простым примером является оловянный припой без свинца, в котором содержится только чистое олово. Благодаря этому он получает повышенную смачиваемость и у него повышается электропроводность. Чтобы бороться с некоторыми недостатками, которыми обладает бессвинцовый припой из чистого олова, к нему добавляют такие элементы, как золото, серебро, медь и прочее. Это помогает сделать состав более твердым, не используя при этом свинец. При этом возрастает температура плавления, что ограничивает спектр применения подобных материалов.

Этот относительно новая разновидность, разработки которой ведутся. Ведь пока не удалось найти альтернативу, которая бы полностью заменила стандартные виды припоев и превзошла их по всем параметрам. Пока количество недостатков, в практическом плане, превышает количество преимуществ, но главной целью здесь является безвредность. К примеру, для пищевой промышленности, где идет непосредственный контакт с человеком. Здесь уровень безопасности стоит выше качества соединения. Припой без свинца производится по ГОСТ 21931-76. Одними из самых популярных разновидностей являются те, в которых дополнительно содержится серебро.

Преимущества

  • Безопасность использования, а также отсутствие токсических элементов;
  • Высокая электропроводность;
  • В чисто оловянных сплавах наблюдается хорошее смачивание;
  • Широкий выбор вариантов марок;
  • Сплавы с медью имеют высокую температурную стойкость.

Недостатки

  • У сплавов олова с другими металлами понижается смачиваемость, в сравнение со свинцовыми;
  • Нет возможности использовать в электронике, несмотря на высокую электропроводность, так как во время термоциклирования здесь образуется рост «усов» и появляется интерметаллическая поверхность, на которой потом возникают трещины;
  • Температура плавления бессвинцового припоя является относительно высокой, как для пайки, что не позволяет использовать его для тонких металлов и чувствительных к термообработке.

Разновидности

С содержанием меди. Эта разновидность была создана для того, чтобы спаивать печатные платы. Это осуществляется волной припоя. Но он имеет более низкие механические качества в наплавленном состоянии, если сравнивать с другими разновидностями. Также не всегда требуется столь высокая температура плавления.

С содержанием серебра. Припой оловянный бессвинцовый является одной из самых популярных разновидностей. Они обладают высокими качествами спаивания, а также хорошими механическими характеристиками в наплавленном состоянии. Температура плавления их достигает более 220 градусов Цельсия. Это один из немногих вариантов, надежность которого может конкурировать со свинцовыми припоями.

Многосоставный сплав меди, серебра и олова. Трехкомпонентный состав применяется долгое время, так как он был изобретен еще до появления серебряных припоев. У него более низкая температура плавления. Большую часто состава занимает олово, которое достигает более 90%. Здесь наблюдается хорошее свойство спаивания, а также повышенная крепость соединения. Исходя из экономических соображений, он является наиболее выгодным.

Висмут, серебро и олово. В нем наиболее низкая температура плавления, что улучшает способности к спаиванию, но понижает температурный предел эксплуатации. Спаивание у него наиболее высокое среди бессвинцовых разновидностей, тогда как смачиваетесь не всегда себя хорошо проявляет.

Химический состав

Выделяется несколько примеров содержание элементов в сплаве относительно металла, который используется как добавка, хотя в каждой марке оно может быть свое.

Основной элемент (олово), %

Оловянно-индиевый Оловянно-цинковый Оловянно-медно-серебряный Оловянно-медный

Технические характеристики популярных марок

Максимальная температура плавления, градусы Цельсия

Arconium Specialty Alloy

Для бессвинцовых покрытий и печатных плат.

Во время пайки волной требуется повышенная температура, чтобы расплавить состав (около 260 градусов Цельсия). Несовместим со свинцом и индием. Применяется только для тех покрытий, которые не имеют в своем составе свинца. Используется для пайки контактных площадок в печатных платах, а также для выводов в микросхемах

AIM Products U.S. Deptartament of Energy

Во время пайки волной требуется повышенная температура, чтобы расплавить состав.

AIM Products U.S. Deptartament of Energy

Для обработки нужно использовать температуру выше 260 градусов Цельсия.

Особенности выбора

Выбор подходящей марки зависит от состава бессвинцового припоя.

Если нет подходящего варианта, то иногда применяют в качестве заменителя отечественную марку ПСР 45, которая содержит всего 0,5% свинца.»

В большинстве случаев олово занимают основное место в составе, так что его характеристики больше всего влияют на общие свойства. Чем его больше, тем мягче будет проходить спаивание, но будет ниже крепость соединения. Также у него ниже температура плавления. Материал в итоге получается очень мягким.

Повышение количества меди в составе увеличивает температуру плавления и твердость. Ее зачастую немного, но даже нескольких процентов вполне достаточно, чтобы изменить характеристики состава. Серебро также повышает температуру плавления и крепость, но делает это более мягко. Его наличие в составе позволяет повысить качество шва без особых негативных моментов, но он же влияет и на стоимость марки. Следует обратить внимание, что существуют также добавочные материалы, как висмут, сурьма и прочие. Они предназначаются для особых случаев спаивания, которые требуются в производстве и не всегда нужны в частной сфере. Как правило, они имеют более высокую стоимость.

Читать еще:  Температура плавления дюралюминия д16т

Особенности пайки

У многих может возникнуть вопрос, как паять бессвинцовым припоем. Здесь нет больших отличий от стандартной процедуры. Требуется подготовить поверхность металла, расплавить припой и нанести его на спаиваемую часть. Затем нужно дать остыть и проверить качество соединения. Особенностью является температура пайки бессвинцовым припоем, так как она ниже и соответственно, подогрев должен производиться в другом режиме.

Популярные фирмы производители

Данная продукция производится следующими компаниями:

Бессвинцовые припои и их свойства

Замена традиционных типов припоев на материалы, не содержащие свинца, является не только веянием времени, но и требованием многочисленных международных комиссий по экологии. В статье рассмотрены свойства различных типов бессвинцовых припоев, даны рекомендации по их применению.

Среди термических, механических, усталостных и других свойств припоев одним из самых важных является температура плавления. В таблице 1 представлены некоторые из широко известных типов бессвинцовых припоев [1].

Следует отметить, что продолжается работа по оптимизации составов бессвинцовых припоев для достижения ими необходимых свойств. По этой причине составы припоев, приведенных в таблице 1, могут время от времени несколько отличаться от серийно производимых припоев. Например, в таблице 2 показаны торговые марки некоторых серийно производимых припоев различных производителей.

Бессвинцовым припоям с высоким содержанием индия (например, первому из припоев в таблице 2) свойственна несовместимость материалов индия и свинца, независимо от того, присутствует ли последний на поверхности печатной платы или на выводах компонентов. Для реализации полностью бессвинцового процесса в некоторых случаях (например, при использовании сплавов, содержащих индий) необходимо задействовать бессвинцовое покрытие паяемых поверхностей печатного монтажа и выводов компонентов.

Таблица 1. Примеры некоторых бессвинцовых припоев и их свойства [1]

Состав бессвинцового

Температура

Примечания

припоя

плавления, °С

Низкая температура плавления, высокая

стоимость, низкая прочность

Стандартный, доступность зависит от

Высокая степень шлакообразования,

Высокая прочность, высокая

устойчивость к термической усталости

Высокая прочность, хорошая

устойчивость к термической усталости

Высокая прочность, высокая температура

Высокое сопротивление сдвигу,

устойчивость к термической усталости

Патент Motorola, высокая прочность

Высокая температура плавления

Высокая прочность и высокая

Из таблицы 1 видно, что бессвинцовые припои характеризуются либо слишком низкой, либо слишком высокой температурой плавления по сравнению с эвтектическими свинцово-

оловянным припоями. В таблице 2 приведены, в основном, бессвинцовые припои с высокой температурой плавления.

При использовании низкотемпературных припоев необходим специальный флюс, поскольку стандартный флюс при низких температурах малоактивен. Еще одним ограничением, связанным с низкотемпературными припоями, является уменьшение их смачивающих свойств, вызванное пониженной текучестью при субэвтектических температурах.

Для низкотемпературных применений определенное признание получили припои, содержащие индий. Так, многими компаниями используется припой, содержащий 52% 1п и 48% Бп, поскольку он обеспечивает лучшие характеристики при повторной пайке в процессе ремонта или переделки. Поскольку температура плавления этого припоя составляет 244°Р (118°С), повторная пайка при более низкой температуре может производиться многократно без риска теплового повреждения. Если печатные линии платы покрыты золотом в качестве антиоксиданта, то использование припоя с индием предотвращает выщелачивание золота [2].

Еще одним бессвинцовым припоем с низкой температурой плавления является припой 42 Бп/58 Ы. Если посмотреть на фазовую диаграмму припоя БпЫ, то можно увидеть, что температура плавления находится на

уровне 138°С. Висмут используется в паяльных сплавах для достижения низких температур плавления, но висмутсодержащие сплавы обычно имеют плохие характеристики смачивания.

Многие другие сплавы, представленные в таблице 1, обладают более высокой температурой плавления, чем свинцово-оловянный эвтектический сплав с температурой плавления 183°С. Это, например, цинк-оловянный высокотемпературный бессвинцовый припой с температурой плавления 198°С.

Высокотемпературные припои несовместимы с широко распространенными материалами для изготовления печатных плат, такими как РИ-4. Помимо этого, более высокие температуры при повторной пайке могут увеличить риск повреждения платы.

В настоящий момент не существует бессвинцовых припоев, полностью заменяющих свинцовосодержащие, хотя некоторые производители описывают свои припои как «почти идентичные» [3]. Даже в этом случае для повторной пайки требуется температура жала паяльника 400°С. Для некоторых применений эта температура может оказаться слишком высокой и вызвать тепловое повреждение.

Одной из ключевых проблем использования высокотемпературных припоев, представленных в таблицах 1 и 2 при пайке волной, является повышение риска пробоя конденсаторов. При пайке волной следует поддерживать температуру в диапазоне 230. 245°С, что на 45. 65°С выше температуры плавления оловянно-свин-цового припоя. Бессвинцовый припой с температурой плавления 220°С потребует при пайке волной температуры 265. 280°С. Это увеличивает разницу температур между предварительным нагревом и пайкой волной и, соответственно, повышает риск повреждения конденсаторов.

В целом, почти все бессвинцовые припои имеют меньшую смачиваемость (текучесть), чем эвтектические оловянно-свинцовые, и потому первые из них хуже заполняют необходимую площадь. Для улучшения текучести требуются специальные составы флюсов. Усталостные характеристики бессвинцовых припоев также недостаточно хороши, хотя в одном

Таблица 2. Примеры бессвинцовых припоев различных производителей (с любезного разрешения Dr. Raiyoman Aspandiar, Intel Corporation)

Читать еще:  При какой температуре плавится алюминий

Тип припоя

Поставщик

Состав

Температура плавления, °C

Секреты бессвинцовой пайки

Как избежать дефектов при ручной пайке компонентов, выполненных по бессвинцовой технологии

1. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начинают действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев.

Даже несмотря на то, что в электронной промышленности используется менее 1% объема всего используемого в промышленности свинца, более того – многие Pb-free припои гораздо токсичнее оловянно-свинцовых, а так же официальный стандарт Green на данный момент отсутствует, ведущие производители выработали общие критерии и собираются их придерживаться в ближайшем будущем. Аналогичные RoHS директивы приняли Китай, Япония и некоторые штаты США.

2. Прежде всего, эта директива коснется практически всех разработчиков и производителей электронной техники и в первую очередь тех, кто экспортирует продукцию в вышеперечисленные страны. Остается очень мало времени, чтобы полностью перейти на выпуск компонентов, не содержащих свинца. В самое ближайшее время крупные фирмы-производители интегральных микросхем – Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и прочие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electro-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных.

3. Но в сложившейся ситуации, необходимо понимать следующее – мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки, не категорично! Такая точка зрения распространена среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. В данном вопросе все ведущие производители единодушны – большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. И, как раз, очередное противоречие заключается в том, что совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Ведь в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов. И эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов.

4. Таким образом, если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки, приведенных ниже, качество пайки не пострадает:

  • Когда речь идет о ручной пайке, выбираются паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов.
  • Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала повышается до 343°C (по сравнению с 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается. Поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку.
  • Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки.
  • Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих (и многое другое у них хуже, например: окисляемость во время пайки, образование кристаллических нитей и пр.). Чем меньше окислов, тем легче идет пайка. Здесь два варианта:
    1. Пайка в среде азота. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается.
    2. Задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, при ручной пайке в условиях несерийного производства в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде.
  • В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем.
  • При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр.
  • Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями.

5. Не стоит забывать и о микросхемах в корпусах BGA, с ними сложнее, но эта ситуация «на руку» ассортименту компании «ERSA», а именно модернизированным инфракрасным паяльным центрам IR550plus. С точки зрения работы с «Pb-free» микросхем BGA, аргументы неоспоримы:

  • Непревзойденная равномерность локального инфракрасного нагрева.
  • Точная и безопасная для чувствительных компонентов отработка термопрофиля.
  • Возможность визуального мониторинга процесса пайки (опция – видеосистема PL550A).
  • Универсальность и самодостаточность системы.
  • Возможность работы со сложнопрофильными компонентами.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector