Химия для электроники – III

(путеводитель по химическим продуктам для сервисного обслуживания, эксплуатации и производства электрического и электронного оборудования)

В материале, представленном в №5-2001 ”Компоненты и технологии”, на стр. 76-78, и в №6 на стр. 130-132 рассмотрены химические продукты, используемые при очистке и смазке элементов электрического и электронного оборудования, а так же лаки и покрытия, применяемые на различных этапах эксплуатации этого оборудования. В предлагаемой ниже статье продолжается рассмотрение химических средств, применяемых в электронике, здесь внимание уделено материалам используемым при пайке.

«Стишок про лудильщика, парня веселого.

Он плавит свинец и блестящее олово…»

Дж. Родари

Для надежного соединения металлов (и не только металлов) применяется пайка. Процесс пайки заключается в том, что соединяемые материалы прикладывают друг к другу и промежуток между ними заполняют расплавленным металлом, который после застывания образует крепко держащую спаиваемые элементы прослойку. Эта прослойка представляет собой эвтектический ( объемно-затвердевающий ) сплав металлов, процентное весовое соотношение которых определяется стоящими задачами и условиями применения.

ПРИПОЙ

Для выполнения поставленной перед припоем задачи, он должен:

-обладать хорошей текучестью в расплавленном состоянии,
хорошо смачивать поверхности соединяемых материалов,
иметь прогнозируемые параметры в твердом состоянии (механическая прочность, стойкость к воздействию агрессивных факторов окружающей среды, электропроводимость, усадочные напряжения, коэффициент теплового расширения, твердость, относительное удлинение и т.п.).

Выбор состава припоя для пайки производится в зависимости от типа соединяемых металлов , от способа пайки, температурных ограничений на собственно процесс пайки и последующую эксплуатацию, массогабаритных параметров паяемых элементов, требуемой коррозионной стойкостью и др.

Отечественными производителями выпускаются припои под ГОСТированными наименованиями, а импортные припои, как правило, классифицируются фирмами производителями припоев, что усложняет их идентификацию. На мировом рынке наиболее известны припои под торговыми марками своих производителей: Alpha Metals, ASAHI, Cobar, Ersa, HARRIS, Heraeus, InterFlux, Multicore, Philips, Ctannol. В марках отечественных припоев заложено наименование входящих химических элементов и их процентное весовое содержание. В области производства и ремонта электрического и электронного оборудования наибольшее применение нашли оловянно- свинцовые припои:

безсурьмянистые ( ПОС );
малосурьмянистые ( ПОССу ), с содержанием до 0.5% сурьмы;
сурьмянистые ( ПОССу ), с содержанием сурьмы более 0.5%.

Химический состав припоя определяет его температуру плавления. Внесение различных добавок приводит к изменению его эксплуатационных свойств. Как правило, припои под торговыми марками известных производителей имеют гарантию задекларированной степени чистоты припоя, а следовательно и соответствие заявленным параметрам. Следует иметь в виду, что длительное и нарушение условий хранения не способствует сохранению заявленных свойств и параметров паяльных материалов. Сохранению свойств припоя, способствует использование антиоксидантов и специальных восстановителей припоя.

Форма поставляемого припоя зависит от способа пайки:

- ручной (индивидуальной) – контактной, инфракракрасной, ультразвуковой, лазерной;

- механизированной (групповой) – инфракрасной, волной припоя, двойной волной припоя, в парогазовой фазе, лазерной.

Потребителям припои поставляются в форме литых брусков и чушек, прутков, проволоки, трубок, лент, фольги, порошков, а также в виде паяльных паст.

При производстве и ремонте электрического и электронного оборудования применяются припои, работающие в температурном диапазоне до 450˚С. В зависимости от температуры плавления припои можно разделить на легкоплавкие и мягкие, с границей раздела в районе 100˚С.

Областью применения легкоплавких припоев является:

пайка и лужение в условиях, когда требуется особо низкая температура плавления припоя;
для спаивания металлов с собственной низкой температурой плавления;
при соединении компонентов критичных к перегреву;
для использовании на первом этапе при многоступенчатой пайке.

В таблицу №1 сведены параметры наиболее употребительных легкоплавких припоев.

Таблица № 1

Марка припоя	Состав, % вес	Область температур плавления, ˚С	Область применения
Сплав Гутри	Sn 21.1/Pb 20.5/Bi 50/Cd 14.3	45	Пайка и лужение, когда требуется особо низкая температура плавления
-	Sn 8.3/Pb 22.6/Bi 44.7/ Cd 5.3/In 19.1	47
-	Sn 12/Pb 18/Bi 49/In 21	58
Сплав Вуда	Sn 12.5/Pb 25/Bi 50/ Cd 12.5	65-68
-	Sn 20/Pb 35/Bi 35.5/ Cd 9.5	67-90
Сплав Липовитца	Sn 12.9/Pb 27.7/Bi 49.4/ Cd 10	70
-	Sn 11/Pb 37.7/Bi 42.5/ Cd 8.5	70-90
Сплав Д΄Арсе	Sn 9.6/Pb 45.1/Bi 45.3	79
Сплав Розе	Sn 25/Pb 25/Bi 50	93.7
Сплав Ньютона	Sn 18.75/Pb 31.25/Bi 50	96
ПОСВ-32-15-53	Sn 32/Pb 15/Bi 53	96
-	Sn 22/Pb 28/Bi 50	100

Применение мягких припоев в области производства и ремонта электрического и электронного оборудования более разнообразно. Предназначение того или иного припоя определяется в зависимости от вида поставки, технологии применения и используемого флюса. Классификация мягких припоев по области применения, в зависимости от их состава и области температур плавления, приведена в таблице № 2.

Таблица № 2

Марка припоя	Состав, % вес	Область температур плавления, ˚С	Область применения
-	Sn 50/In 50	117	Пайка к / на стекло
-	Sn 33.3/Pb 33.3/Bi 20/ Cd 13.4	120	То же
ПОСВ-33	Sn 33.4/Pb 33.3/Bi 33.3	130	Пайка плавких сигнальных предохранителей
-	Sn 42/Bi 58	139	То же
ПОСК-50	Sn 49.8/Pb 32/Cd 18.2	145	Пайка деталей из меди и ее сплавов, не допускающих местного перегрева. Пайка полупроводниковых приборов.
-	Sn 70/Pb 18/In 12	150-174	Пайка тонких обмоточных проводов, выводов радиоэлементов и микросхем
-	Sn 34/Pb 63/Zn 3	170-256	Пайка алюминия и его сплавов
-	Sn 18/Pb 80/Ag 2	178-270	То же
-	Sn 62/Pb 36/Ag 2	178-190	Пайка серебренных плат, контактов и компонентов с покрытием выводов из золота, серебра, палладий- серебра
ПОСК-47-17	Sn 47/Pb 36/Cd 17	180	Пайка проводов и выводов элементов к слою серебра, нанесенного на керамику методом вжигания
Третник	Sn 35/Pb 65	181	Пайка корпусов и экранов.
ПОС-61	Sn 59-61/Pb остальное/Sb до 0.8	182-185	Пайка монтажных проводов в ПХВ изоляции, обмоточных проводов, герметичных швов, изделий из закаленной стали. Токоведущих деталей из латуни, серебра, луженного никеля
-	Sn 49-50/Pb остальное /Bi до 0.25/ Sb 0.2-0.5	182-216	Пайка в тех случаях, когда требуется повышенная электропроводность.
-	Sn 63/Pb 37	183	Машинная пайка волной припоя
-	Sn 60/Pb 40	183-188	Пайка требующая хорошего электрического контакта и механической прочности
ПОС-50	Sn 49-50/Pb остальное/Sb до 0.8	183-209	Пайка нихрома с нихромом, нихрома с медью и сталью
-	Sn 50/Pb 50	183-212	То же
-	Sn 50/Pb 49/Cu 1	183-215	То же
ПОС-90	Sn 80-90/Pb остальное/Cu 0.08/Sb 0.1/Bi 0.1/As 0.05	183-222	Пайка деталей и узлов под гальванические покрытия, серебренных и золоченых контактов
-	Sn 45/Pb 55	183-224	Пайка корпусов и экранов
-	Sn 40/Pb 60	183-234	Повышенная механическая прочность
ПОС-40	Sn 39-40/Pb остальное/Cu 0.1/Sb 1.5-2/Bi 0.1/As 0.05	183-235	Лужение латуни, железа, медных проводов.
-	Sn 30/Pb 70	183-255	Пайка выводов ламп, обмоток моторов
ПОС-30	Sn 29-30/Pb остальное/Cu 0.15/Sb 1.5-2/Bi 0.1	183-256	Пайка латуни, меди, железа и оцинкованных листов, белой жести, гибких шлангов
-	Sn 20/Pb 80	183-275	Пайка выводов ламп, обмоток моторов
ПОС-18	Sn 17-18/Pb остальное/Cu 0.15/Sb 2-2.5/Bi 0.1/As 0.05	183-277	Пайка свинца, железа, латуни, меди, оцинкованного железа
-	Sn 50/Pb 47/Sb 3	185-204	Припой с повышенной прочностью на разрыв
-	Sn 91.1/Cd 8.9	199	Повышенная механическая прочность
Авиа-1	Sn 55/Cd 20/Zn 25	200	Пайка алюминия и его сплавов
-	Pb 50/In 50	215	Припой с высокой стойкостью к щелочной коррозии
-	Sn 95.5/Ag 4/Cu 0.5	217	Припой с высокой коррозионной стойкостью и электропроводностью
-	Sn 96/Ag 4	221	То же
ПСр-2	Sn 30/Pb 63/Cd 5/Ag 2	225-235	Пайка молибдена и вольфрама
ПОС-15	Sn 15/Pb 85	225-290	Пайка выводов ламп
-	Sn 99/Cu 1	227-240	Повышенная прочность на разрыв
-	In 90/Ag 10	231	Пайка серебра, стекла и керамики
ПС-780л-15Су-7	Sn 15/Pb 78/Sb 7	231	Припой с повышенной прочностью на разрыв
-	Sn 100	232	Прочное, не токсичное соединение
-	Sn 94/Sb 6	232-240	То же
ПС-99Ц1	Pb 98.9/Na 0.1/Zn 1	234	Повышенная прочность на разрыв
ПК600-400	Sn 40/Cd 60	235	Пайка алюминия и его сплавов
-	Sn95/Sb 5	236-243	То же
ПКЦ-40-60	Cd 40/Zn 60	240	Пайка магния и его сплавов
ПС-830л-6Су-10	Sn 7/Pb 83/ Sb 10	242	То же
Пол-70Ц30	Sn 70/Zn 30	243	Пайка алюминия и его сплавов
ПОСС 4-6	Pb 5-6/Sn остальное/Sb 0.15/Cu 0.1	245-265	Паяние белой жести, железа меди, свинца
-	Pb 90/Sb 10	247-248	Повышенная прочность на разрыв
Авиа-2	Sn 40/Cd 20/Al 15/ Zn 25	250	Пайка алюминия и его сплавов
ПСр-1.5	Sn 15/Pb 83.5/Ag 1.5	265-270	Пайка молибдена и вольфрама
ПОССр-1.5	Sn 15/Pb 83/ Bi 0.75/Ag 1.25	276	Пайка деталей из оцинкованной стали, цинка, медных сплавов
ПСр-2.5	Sn 5.5/Pb 92/Ag2.5	235-305	Пайка молибдена и вольфрама
-	Sn 95/Sb 5	236-243	Повышенная прочность на разрыв
-	Sn 5/Pb 93/Ag 2	296-301	То же
-	Sn 1/Pb 97/Bi 0.25/Sb 0.25/Ag 1.5	309	Тугоплавкое соединение
ПК60Ц-40	Zn 40/Cd 60	310	Пайка деталей из оцинкованной стали, цинка, медных сплавов
-	Pb 95/In 5	315	Паяное соединение обладает повышенной тягучестью и прочностью на разрыв

ФЛЮСЫ

Важную роль при пайке играет флюс, предохраняющий металл от окисления и создавая условия для улучшения смачивания металла припоем. Паяльные флюсы применяются:

непосредственно перед пайкой - для удаления окисной пленки с паяемого материала и с поверхности припоя,
во время пайки – для предотвращения образования окисных пленок на поверхности паяемого материала и на расплавленном припое.

В процессе пайки, при сборочно–монтажных работах с электрическим и электронным оборудованием, применяют два вида флюсов, различающихся механизмом действия:

не активные – не производящие химического воздействия. Они образуют покрытие на поверхности металла, защищая его от окисления (например, минеральные масла),
активные – производящие химическое воздействие. Они выполняют роль химических растворителей и поглотителей окислов.

Необходимость удаления остатков флюса после пайки определяется в зависимости от того, что находится в составе флюса: кислоты или комбинации спиртов.

При ручной пайке набольшее распространение получили флюсы приготавливаемые на основе канифоли с добавлением неактивных веществ: спирта, скипидара, глицерина. Остаток канифоли – негигроскопичен и является хорошим диэлектриком.

Машинная- групповая пайка более ориентирована на использование однокомпонентных, без канифольных флюсов.

Флюсы для пайки могут быть нанесены на поверхность подготавливаемую для пайки отдельно от припоя:

печатью,
распылением в виде пены или аэрозоля,
волной,
погружением,

или одновременно с припоем: во внутренних полостях проволочного припоя или в составе паяльных паст, что позволяет в ряде случаев сократить, а при точечной пайке чистых поверхностей и полностью избежать предварительной обработки паяемых материалов флюсом.

ПАЯЛЬНЫЕ ПАСТЫ

Припойные пасты, как правило, представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой; при этом содержание порошка припоя составляет приблизительно от 80 до 92 %. Припойная паста уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция является одной из важных характеристик пасты. Чаще всего состав паяльных паст выражают через соотношение компонентов материала припоя, размер частиц, и активность флюса. Параметры частиц материала припоя в паяльной пасте оказывают существенное влияние на качество паяного соединения. Наиболее важным параметром, характеризующим паяльную пасту , является размер частиц припоя, который определяет как способ нанесения ( дозатор- трафарет), так и собственно характеристики технологического цикла пайки. Как и при любой комбинации «в одном флаконе», имеются негативные моменты предварительного соединения припоя с флюсом в паяльной пасте. В основном это проявляется в сокращении срока хранения до использования, жестких условий содержания и ограничений, накладываемых на период транспортировки собранной платы в зону пайки. Флюс в составе паяльных паст служит не только для активации контактируемых металлических поверхностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного соединения), но и обеспечивает требуемую растекаемость (реологию), а также изменение вязкости со временем (тиксотропность) при нанесении паяльной пасты на печатную плату.

БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Как правило, применяемые припои и флюсы в процессе использования не образуют токсичных или обладающих резким запахом веществ. Требования гигиены труда в радиомонтажном производстве накладывает ограничения на используемые при пайке материалы:

исключается применение свинцово-кадмиевых припоев с содержанием кадмия более 20%,
вводятся альтернативные технологии с применением без свинцовых припоев,
осуществляется переход на флюсы не требующие последующей отмывки.

Однако в процессе пайки происходит выделение дыма, содержащего органические кислоты и пары металлов, которые могут вызвать аллергические реакции, а при длительном воздействии и заболевания дыхательных путей. Кроме того, вещества содержащиеся в этих дымах и в продуктах разложения загрязняют места соединений и являются очагами коррозии. Поэтому рабочее место и зона пайки должно быть снабжено хорошей принудительной вентиляцией или очистными дымоулавливающими системами, ориентированными на очистку от дымов образующихся в процессе пайки.

В представленном материале, рассмотрен ряд химических продуктов которые находят применение в процессе пайки при сервисном обслуживании, эксплуатации и производстве электрического и электронного оборудования. Условия и варианты их использования будут рассмотрены в следующей статье.

Дополнительную информацию можно найти на сайте: www.pribor.ru

Blog

Химия для электроники – III

Содержание