что такое смачиваемость при пайке

Припои для пайки. Виды и свойства. Состав и флюсы. Плавление

Общее разделение

Припои разделяются на две группы. Это мягкие и твердые.

Мягкие имеют температуру плавления до 300 °C. Такими припоями паяют радиодетали, и к ним можно отнести оловянно свинцовые и бессвинцовые материалы. Основной рабочий инструмент с такими материалами это паяльники до 50 Вт и паяльные фены.

Твердые плавятся свыше 300 °C. Это прочные материалы с высоким пределом прочности по сравнению с мягкими.

К ним относятся медно-цинковые и серебряные. С такими припоями можно работать только с мощными паяльниками, паяльными лампами или горелками.

В данной статье будут подробно описаны мягкие припои, которые используются для радиодеталей и ремонта техники.

Видео

В продаже распространён припой с канифолью в виде полой проволоки, свитой кольцами. Аналогичного состава флюс производится из хвойных деревьев, такая субстанция приходит в мягкое состояние при нагревании до 50 °С, а при 250 °C — начинает кипеть с частичным испарением. Канифоль нужно обязательно удалять после окончания работ, иначе произойдёт окисление, а субстанция, впитывая влагу из воздуха, начнёт препятствовать исправной работе приборов.

Популярные составы

Существуют три основных категории:

[stextbox жидкие флюсы надо в герметически закрывающихся ёмкостях, для исключения испарения.[/stextbox]

Пастообразные

Большое распространение получила паста Тиноль, которая применяется для пайки разных изделий в труднодоступных местах. Наносится лопаткой, с последующим активным нагреванием паяльником или другим, более мощным электрическим инструментом. Часто используется неопытными исполнителями, у которых нет навыков в работе с оловом и канифолью.

Классификация

Все критерии классификации припоев представляют собой довольно обширную сферу, которая под силу, пожалуй, лишь узкопрофильным специалистам. Поэтому для упрощения подборки конкретные марки ее изготавливают для конкретных целей – паять алюминий, ювелирные изделия, медную проволоку, радиокомпоненты и т.д. Главное, на что вам следует обратить внимание – это температурный параметр. Так как, к примеру, пайку микросхемы нельзя выполнять той же маркой ПОС, что и соединение жил кабеля, так как чувствительный компонент может сгореть и выйти со строя.

Припои для пайки классифицируются по следующим критериям:

При выборе оловянно-свинцового припоя наиболее важным критерием является последний, поэтому на нем мы и остановимся более детально.

Легкоплавкие (мягкие).

Тугоплавкие (твердые).

Твердые припои обладают значительно большей механической прочностью, но их температура плавления составляет более 400°С, что является неприемлемым для большинства радиодеталей, так как они могут пострадать даже от касания разогретым жалом паяльника. Двумя наиболее крупными группами в этой категории являются медные и серебряные составы. Медные сплавы, как правило, соединяются с цинком, но они слишком хрупкие, поэтому подходят для твердых сплавов, испытывающих только статическую нагрузку. Серебряные припои являются универсальными и могут использоваться для пайки любых точек соединения, однако стоимость этих марок также довольно высокая.

Паяльные пасты.

Паяльные пасты также представляют собой компонент для пайки радиодеталей, но применяются они для мелких элементов из легкоплавкого металла. Состав пасты содержит измельченные кусочки припоя в растворе жидкого флюса. Их используют в тех платах или устройствах, где воздействие высокой температуры может нанести вред оборудованию. Пасты, как правило, паяются феном без электрического паяльника, или могут просто наноситься в качестве проводящего клеевого состава.

Нанесение смеси для пайки в точку крепления выводов наносится порционно и может выполняться при помощи специального трафарета, шприца или каплеструйным картриджем.

Рис 3. Нанесение паяльной пасты принтером, шприцом, трафаретом

Однако применение пасты для пайки обуславливает целый ряд требований, которые должны соблюдаться:

Крайне негативно на функциональных характеристиках такого припоя сказывается помещение в среду с высокой или низкой температурой, а также воздействие влаги.

Бессвинцовые припои.

Изначально, причиной создания припоя без содержания свинца была потребность исключить вредное влияние на окружающую среду и человеческий организм. Такие припои массово используются для пайки алюминия или стали в пищевой промышленности, для труб подачи питьевой воды, лабораторного оборудования и инструментов.

Всего выделяют три наиболее распространенные группы бессвинцовых припоев:

Основные свойства

Смачиваемость пайки

Такой термин означает сцепление молекул жидкого расплава с твёрдой поверхностью, от степени которой зависит текучесть пайки. Для хорошей пайки жидкий припой качественно смачивает поверхность, где происходит пайка, а граница его образует острый угол.

Высохший флюс удаляется только при помощи механической зачистки, потому что появился дополнительный сплав. Если капля расплавленного вещества образует тупой угол с поверхностью, то это указывает на неудовлетворительное качество смачивания, которому противодействуют загрязнения, жировые пятна или оксидная плёнка металла.

Варианты смачиваемости поверхности пайки расплавленным флюсом.

Температура плавления

Основной критерий выбора качественных сплавов заключается в том, что они должны приходить в жидкое состояние раньше, чем соединяемые структуры, при этом температура плавления припоя существенно отличается от аналогичного показателя другого вида, например, имеющего в составе примеси свинца.

Наличие разных примесей влияет на способность плавиться при одинаковой температуре, например, ПОС-40 расплавляется при достижении 238 С, но встречаются тугоплавкие припои и для их плавления применяются специальные приспособления.

Мягкие припои

Для пайки печатных плат, проводов и других работ нужна невысокая температура. Многие радиодетали просто не переносят высоких температур, от перегрева выходят из строя. Не переносит нагрева и изоляция проводов. Поэтому припой для пайки этой категории выбирают из мягких и легкоплавких. Причем, желательно чтобы плавился припой при 200°C или чуть ниже.

Внешне отличить припои для пайка с большим содержанием свинца можно по серому цвету

ПОС: виды. типы, применение

Наиболее распространенный мягкий припой для пайки — ПОС (Припой Оловянно-Свинцовый). Состоит он из олова и свинца в разных пропорциях. Процентный состав отображается в названии — после ПОС идет цифра, в которой указывается процент олова. Например, в ПОС 40 содержится 40% олова. В ПОС 61 — 61%, в ПОС 90 — 90% и т.д.

Килограммовая бухта ПОС 40 — для солидных объемов работ. Выпускается по ГОСТу 21931-76

Для улучшения/изменения характеристик в состав могут вводиться в небольшом количестве добавки. Тип добавки и ее процентное содержание прописывается в конце маркировки припоя. Например, дописка к ПОС 61 Sn61Pb37Ag2 обозначает, что припой состоит из следующих компонентов:

Этот припой для пайки хорошо растекается и дает почти зеркальный блеск. Но серебро — недешевая добавка, что и отразится на цене.

ПОС и ПОССу: технические характеристики

Есть одна популярная разновидность ПОС — ПОССу. А обозначает оно «припой оловянно-свинцовый с добавкой сурьмы» (две последние буквы «Су» и обозначают наличие этой добавки в составе). Сурьма повышает прочность пайки, так что такие составы применяют там, где требуется повышенная прочность соединений.

Пару слов насчет характеристик, отраженных в таблице. Температура плавления дана двумя цифрами — солидус и ликвидус. Первая — это начало плавления. При нагреве до этой степени переходят в жидкое состояние самые легкоплавкие компоненты состава. Ликвидус — это температура полного плавления. Именно она нужна при пайке — жало должно быть чуть «горячее». Например, чтобы паять ПОС 61, паяльник надо разогреть до 190°C или около того. Точный нагрев паяльника подбирается экспериментальным путем, так как флюсы, детали, потери тепла отличаются. Но общий принцип одинаков: чуть выше чем точка плавления.

Как отличить, каким припоем выполнена пайка? По степени блеска контактной площадки. Чем больше олова в составе, тем более блестящей получается поверхность. Свинец придает тусклый серый цвет. И это видно невооруженным глазом.

В этой таблице собраны припои на основе олова, которые можно встретить в магазинах. Как видим, самый легкоплавкий — ПОСК 50-18 — плавится при 145°C. Самый прочный и жесткий — ПОССу 4-6, самый «тягучий» — ПОССу 50-0,5, чуть менее растяжимый ПОС 40.

Легкоплавкие припои

Некоторые компоненты нагревать до температуры выше 100°C противопоказано. Другие едва переносят нагрев до 80°C, есть и еще более «нежные». Для таких применяют особо легкоплавкие виды припоев. Это сплав Розе (плавится при 94°C), Вуда (60,5°C), Д’арсенваля (79°) и некоторые другие.

Самая высокая температура плавления из этой группы у ПОСК 50-18. Он содержит много кадмия (буква К в маркировке именно об этом и говорит), что делает его токсичным. Его можно использовать только при хорошей вытяжке. Чуть меньше нагревается ПОСВ-33. Это олово, свинец и висмут в равных долях. Температура плавления — 130°C. Оба этих состава применяют для лужения дорожек печатных плат, пайки чувствительных к перегреву компонентов.

Для монтажа/демонтажа SMD-компонентов применяют припой Вуда и Розе. Они плавятся при температуре ниже 95°C. Применяют их и для лужения дорожек, но стоимость этих составов высока.

Как использовать?

Флюс и припой — это два разных по назначению материала. Припои нужны для заполнения стыка между двумя деталями. А флюсы нужны для улучшения качества швов и защиты от их окисления. Поэтому и технология применения будет разной.

Чтобы использовать припой, его нужно предварительно нагреть. Если вы занимаетесь пайкой мелких деталей, то приложите припой к месту пайки и прикоснитесь к проволоке с помощью паяльника. Припой расплавится и заполнит стык. При сварке вместо паяльника используйте газовую горелку.

Что касается припоев с флюсом внутри, то здесь все просто. Нагревайте флюс с припоем так же, как и при использовании обычного металлического припоя. С помощью паяльника или горелки. Припой будет плавиться, выделяя пары флюса.

Чтобы использовать флюсы, нужно знать, какой они консистенции. Жидкие флюсы наносят на место пайки с помощью кисточки, пастообразные тоже (или пальцами), сухие флюсы подаются на место сварки с помощью специального аппарата.

Источник

Физико-химические ocновы пайки

Согласно первому закону капиллярности (формула Лапласа)

Из формулы Лапласа следует, что поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, оказывает добавочное давление по сравнению с тем, которое он испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением обусловлены главным образом все капиллярные явления.

При растекании капли жидкости на плоской поверхности твердого тела условия ее равновесия выражаются в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трех фаз.

Этой границей является периметр смачивания:

Это уравнение является вторым законом капиллярности (равенство Юнга), из которого следует:

Косинус угла θ, называемый коэффициентом смачивания, характеризует смачивающую способность жидкости.

Как первое, так и второе уравнение капиллярности получены исходя из предпосылки, что равновесие материального объекта рассматривается как равновесие всех приложенных к нему сил.

Поскольку при температуре пайки припои находятся в жидком состоянии, то на них можно распространить первый и второй законы капиллярности. Однако при этом необходимо иметь в виду, что эти законы выведены для жидкостей, не взаимодействующих с твердым телом.

В процессе же пайки происходит активное взаимодействие между основным металлом и расплавленным припоем, поэтому капиллярные явления, протекающие при этом, более сложны и лишь приближенно описываются приведенными уравнениями.

Растекание расплавленного припоя по поверхности основного металла определяется многими факторами. Среди них наибольшее влияние оказывают характер взаимодействия в контакте основной металл-припой, вязкость расплава припоя, жидкотекучесть.

Последнее особое значение приобретает, когда припой имеет широкий интервал кристаллизации; а пайка им происходит при температурах, лежащих ниже температуры ликвидуса. Наличие в расплаве в этом случае твердой фазы, строение выпадающих кристаллов, характер их расположения резко меняют жидкотекучесть припоя.

Механизм растекания припоя связан с взаимодействием расплава припоя и его парообразной фазы с основным металлом, с поверхностной диффузией расплавленного припоя, с капиллярным течением последнего и т. д. При растекании указанные процессы имеют место в сочетании, определяемом соотношением физико-химических свойств припоя и основного металла, а также условиями пайки.

Растекание расплава припоя, как и всякой жидкости по поверхности твердого тела, определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя.

Работа адгезии определяется свободной поверхностной энергией, освобождающейся при смачивании твердого тела жидкостью:

Полное растекание припоя по поверхности основного металла имеет место при краевом угле θ=0.

Когезия частиц припоя оценивается работой, необходимой для разрыва жидкости и образования двух новых поверхностей:

Растекание капли расплава припоя по основному металлу произойдет, если работа адгезии к поверхности последнего будет равна или больше работы когезии частиц припоя. Разность между ними называют коэффициентом растекания:

Следовательно, растекаемость расплавленного припоя по поверхности основного металла определяется его поверхностным натяжением и краевым углом смачивания. Зависимость между краевым углом смачивания и поверхностным натяжением имеет сложный характер.

Так, например, для сплавов свинец-олово в интервале 60-80% содержания последнего поверхностное натяжение уменьшается по линейному закону. Краевой же угол смачивания сплавами свинец-олово стали ШХ15 в этом интервале остается приблизительно постоянным.

С повышением температуры пайки для чистого олова площадь растекания остается постоянной, а для сплавов свинец-олово эвтектического состава растет, если перегрев не превышает 40-50°С.

Дальнейший перегрев сплава ведет к снижению растекаемости, что связано с усилением взаимодействия между припоем, флюсом, основным металлом и окружающей газовой средой.

Растекание припоя по основному металлу при пайке в отдельных случаях происходит в две стадии. Первая соответствует быстрому растеканию под действием сил поверхностного натяжения, вторая характеризуется медленным растеканием.

Такое вторичное растекание имеет место, например, при пайке меди припоями, содержащими от 30 до 70% олова. Иногда на второй стадии площадь, образованная растекшимся припоем, может несколько уменьшаться или эффект вторичного растекания совершенно прекратится.

Данное обстоятельство связано с физико-химическими свойствами взаимодействующей пары и температурой. Природа этого явления связана с образованием между основным металлом и припоем сплава, обладающего более высокой смачивающей способностью, чем припой в исходном состоянии.

Так, припой ПОС 40 при температуре 250°С имеет характерное вторичное растекание, при 300°С оно полностью отсутствует. На растекание припоев при пайке в вакууме большое влияние оказывает разрежение в камере пайки.

Если металл и его окисел находятся в системе взаимодействующих веществ в виде насыщенных паров, то константа равновесия реакции:

определится из соотношения:

— парциальные давления паров металла, кислорода и паров окисла.

Когда металл и его окисел находятся в конденсированном состоянии, константа равновесия:

т. е. будет постоянной, если при неизменной температуре металл и окисел представляют собой смесь насыщенных растворов. При ненасыщенных растворах константа равновесия будет функцией концентрации в соответствии с правилом фаз.

Из последнего равенства следует, что при постоянной температуре равновесие между металлом и его окислом определяется парциальным давлением кислорода. Если парциальное давление кислорода в зоне пайки будет меньше равновесного при данной температуре парциального давления кислорода, образующегося при разложении окисла, то последний будет удаляться с поверхности основного металлами припоя.

Следовательно, с повышением степени вакуумирования при постоянной температуре парциальное давление кислорода в камере пайки будет снижаться, что должно способствовать диссоциации окислов и улучшению условий смачивания основного металла расплавленным припоем.

Источник

Какой припой выбрать для пайки: виды, марки и характеристики

При изготовлении и ремонте электротехники постоянно требуются навыки обращения с паяльником, а для спайки используют припой и канифоль, в середине прошлого века для этих целей использовалось олово, но не в чистом виде, т. к. это весьма дорогое удовольствие, а сплавы с другими легкоплавкими металлами.

Какие встречаются?

Что же такое припой и как надо правильно его выбирать — на практике они могут быть мягкими или твёрдыми. Монтаж любой радиоэлектронной аппаратуры происходит с применением легкоплавких вариантов.

Компоненты неизвестного происхождения отличается по следующим признакам:

Иногда для качественной пайки применяется уже готовая смесь — это припой в виде проволоки, а флюс запаян внутри. Производители изготавливают аналогичные субстанции с допуском флюса в пределах 1—3% от общего веса, что благоприятно сказывается на процессе пайки и увеличивает производительность труда, т. к. отпадает необходимость постоянно макать жало паяльника в баночку с флюсом.

По консистенции выпускаются двух видов: мягкий или твердый припой, а по температуре плавления различают обыкновенные и тугоплавкие типы.

Основные свойства

Смачиваемость пайки

Такой термин означает сцепление молекул жидкого расплава с твёрдой поверхностью, от степени которой зависит текучесть пайки. Для хорошей пайки жидкий припой качественно смачивает поверхность, где происходит пайка, а граница его образует острый угол.

Высохший флюс удаляется только при помощи механической зачистки, потому что появился дополнительный сплав. Если капля расплавленного вещества образует тупой угол с поверхностью, то это указывает на неудовлетворительное качество смачивания, которому противодействуют загрязнения, жировые пятна или оксидная плёнка металла.

Варианты смачиваемости поверхности пайки расплавленным флюсом.

Температура плавления

Основной критерий выбора качественных сплавов заключается в том, что они должны приходить в жидкое состояние раньше, чем соединяемые структуры, при этом температура плавления припоя существенно отличается от аналогичного показателя другого вида, например, имеющего в составе примеси свинца.

Наличие разных примесей влияет на способность плавиться при одинаковой температуре, например, ПОС-40 расплавляется при достижении 238 0 С, но встречаются тугоплавкие припои и для их плавления применяются специальные приспособления.

Низкотемпературные варианты

На первом месте находится сплав ВУДА с составом: по 10% Sn и Cd, по 40% Pb и Bi, начало расплава — 65—72 0 C. Вторую позицию занимает припой под названием РОЗЕ, которых начинает плавиться при 90—94 0 C. Состоит: по 25% олова и свинца, а остальные 50% занимает висмут. Вышеперечисленные сплавы относятся к дорогим припоям.

Третье место среди низкотемпературных изделий занимает ПОСК-50-18, с температурой 142—145 0 С. В состав этого припоя входит 50% олова, 32% свинца и 18% кадмия, что усиливает сопротивляемость коррозии, но добавляет ему токсичность.

Большую популярность у радиолюбителей имеет второй номинант (под названием РОЗЕ), но в отечественной радиоэлектронике его маркировка — ПОСВ-50, где цифры — это процент висмута. Применяется для монтажа/демонтажа и лужения чувствительных к перегреву дорожек из меди на печатных платах.

Марки мягкого вида

Припой для пайки из этой категории применяется с уже готовым флюсом, находящимся внутри проволоки, поэтому расплавление происходит одновременно. Большое распространение получило изделие с названием Третник, потому что в нём содержится треть свинца от общей величины состава. Олово, входящее в состав сплава для пайки, отличается чистой в плане экологии, поэтому разрешается применение этого вида в пищевой промышленности.

Мягкие виды припоев применяются для пайки деталей, боящихся перегрева, например: транзисторов или предохранителей. Сплав ВУДА из-за токсичности применяется в ограниченных сферах человеческой деятельности.

Отечественные сплавы маркируются аббревиатурой ПОС, но при наличии других веществ в конце добавляется буква, соответствующая названию, например, ПОСВ-33 — этот припой содержит равные части олова, свинца и висмута.

Основные технические параметры

Материалы для пайки разделяют по таким параметрам:

Таблица зависимости температуры и применения от химического состава припоя.

В продаже распространён припой с канифолью в виде полой проволоки, свитой кольцами. Аналогичного состава флюс производится из хвойных деревьев, такая субстанция приходит в мягкое состояние при нагревании до 50 °С, а при 250 °C — начинает кипеть с частичным испарением. Канифоль нужно обязательно удалять после окончания работ, иначе произойдёт окисление, а субстанция, впитывая влагу из воздуха, начнёт препятствовать исправной работе приборов.

Популярные составы

Существуют три основных категории:

[stextbox жидкие флюсы надо в герметически закрывающихся ёмкостях, для исключения испарения.[/stextbox]

Пастообразные

Большое распространение получила паста Тиноль, которая применяется для пайки разных изделий в труднодоступных местах. Наносится лопаткой, с последующим активным нагреванием паяльником или другим, более мощным электрическим инструментом. Часто используется неопытными исполнителями, у которых нет навыков в работе с оловом и канифолью.

Использование ПОС

Первооткрыватели этого сплава были приятно удивлены, что он превращается в расплавленное состояние при меньшей температуре, а эвтектическая смесь способна играть роль растворителя для добавленного металла. Так и были разработаны самые первые марки припоев ПОС.

Свинцовые варианты

Такие смеси с содержанием свинца, отличаются мягкостью, быстрым расплавлением и лёгкой обработкой, поэтому получили название свинецсодержащие припои. Они вредны, поэтому были запрещены для использования во время спайки элементов электрических приборов по всему миру. Процент содержание кадмия, ртути, а также аналогичных вредоносных компонентов в оборудовании строго регламентировано и проверяется соответствующими организациями.

Без содержания свинца

Бессвинцовый припой не должен содержать вредного металла и считается экологически чистым, не причиняющим вреда окружающей среде и исполнителям работ по пайке. Простейшим примером служит припой оловянный, который содержит чистое олово, имеет повышенную смачиваемость и высокую электропроводность. Для борьбы с недостатками, в них добавляют медь, серебро и золото, что помогает сделать субстанцию более твёрдой.

У такого изделия повышается температура расплавления, но найти полную альтернативу стандартным видам припоя пока что не удаётся, но основным показателем является безвредность. Олово занимает главное место в химическом составе, поэтому присущие ему свойства оказывают большое влияние на припой, из-за этого температура плавления у бессвинцового припоя ниже, а материал получается более мягким.

[stextbox И. Блинов, образование ПТУ, специальность сварщик шестого разряда, допуск от НАКС к НГДО и ГО, опыт работы с 2004 года: «При отсутствии подходящего по всем параметрам варианта, во время пайки используйте марку ПСР-45, в которой содержание вредного свинца минимальное и составляет не более 0,5% от общего веса».[/stextbox]

Колофонская смола

Именно так называется общеизвестная канифоль — аморфное вещество с характерным изломом и стеклянным блеском сколов. Кроме того, что она обладает природным свойством диэлектрика, известны и такие особенности:

Цвет изменяется от светло-жёлтого до тёмно-бурого оттенков, что зависит от степени очистки и указывает на количество посторонних примесей. Отличные электроизоляционные свойства принадлежат смоле с лимонным окрасом.

Секреты выбора

Задача любого исполнителя состоит в создании крепкого и надёжного закрепления на плате радиодеталей, поэтому подбор припоя выполняется согласно следующим параметрам:

В каждой конкретной ситуации исполнитель должен чётко знать соответствие припоя и соединяемого изделия, чтобы выбрать оптимальный вариант для качественной пайки.

Выводы

Сегодня в продаже встречается изобилие разных припоев, как говорится, на все случаи жизни, но выбирать следует проверенные образцы, которые помогут спаять изделие качественно и с высокой надёжностью при эксплуатации.

Источник