Припой ( UK : / ˈ s ɒ l d ə , ˈ s ə ʊ l d ə / ; [ 1] NA : / ˈ s ɒ d ər / ) [2] — это легкоплавкий металлический сплав , используемый для создания постоянной связи между металлическими заготовками. Припой расплавляется для смачивания частей соединения, где он прилипает и соединяет детали после охлаждения. Металлы или сплавы, подходящие для использования в качестве припоя, должны иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Припой также должен быть устойчивым к окислительным и коррозионным воздействиям, которые со временем могут ухудшить соединение. Припой, используемый для создания электрических соединений, также должен иметь благоприятные электрические характеристики.
Мягкий припой обычно имеет диапазон температур плавления от 90 до 450 °C (от 190 до 840 °F; от 360 до 720 K), [3] и обычно используется в электронике , сантехнике и работе с листовым металлом. Наиболее часто используются сплавы , которые плавятся при температуре от 180 до 190 °C (от 360 до 370 °F; от 450 до 460 K). Пайка, выполняемая с использованием сплавов с температурой плавления выше 450 °C (840 °F; 720 K), называется «твердой пайкой», «серебряной пайкой» или пайкой мягким припоем .
В определенных пропорциях некоторые сплавы являются эвтектическими — то есть температура плавления сплава является минимально возможной для смеси этих компонентов и совпадает с температурой замерзания. Неэвтектические сплавы могут иметь заметно отличающиеся температуры солидуса и ликвидуса , поскольку они имеют четкие жидкие и твердые переходы. Неэвтектические смеси часто существуют в виде пасты твердых частиц в расплавленной матрице фазы с более низкой температурой плавления, когда они приближаются к достаточно высоким температурам. В электротехнических работах, если соединение нарушается в этом «пастообразном» состоянии до того, как оно полностью затвердеет, может возникнуть плохое электрическое соединение; использование эвтектического припоя уменьшает эту проблему. Пастообразное состояние неэвтектического припоя может использоваться в сантехнике, поскольку оно позволяет формовать припой во время охлаждения, например, для обеспечения водонепроницаемого соединения труб, что приводит к так называемому «протертому соединению».
Для электротехнических и электронных работ припойная проволока доступна в диапазоне толщин для ручной пайки (ручная пайка выполняется с использованием паяльника или паяльника ) , а также с сердечниками, содержащими флюс . Она также доступна в виде пасты комнатной температуры, в виде предварительно отформованной фольги, соответствующей форме заготовки, что может быть более подходящим для механизированного массового производства , или в виде небольших «язычков», которые можно обернуть вокруг соединения и расплавить пламенем, когда утюг не может быть использован или недоступен, например, при ремонте в полевых условиях. Сплавы свинца и олова широко использовались в прошлом и по-прежнему доступны; они особенно удобны для ручной пайки. Бессвинцовые припои все чаще используются из-за нормативных требований, а также из-за преимуществ для здоровья и окружающей среды, связанных с отказом от электронных компонентов на основе свинца. Сегодня они почти исключительно используются в бытовой электронике. [4]
Сантехники часто используют прутки припоя, намного толще проволоки, используемой в электротехнике, и наносят флюс отдельно; многие флюсы для пайки, подходящие для сантехники, слишком едкие (или проводящие), чтобы их можно было использовать в электротехнических или электронных работах. Ювелиры часто используют припой в тонких листах, которые они режут на кусочки.
Слово solder происходит от среднеанглийского слова soudur , через старофранцузские solduree и soulder , от латинского solidare , что означает «делать твердым». [5]
Припои олово - свинец (Sn-Pb), также называемые мягкими припоями , коммерчески доступны с концентрацией олова от 5% до 70% по весу. Чем больше концентрация олова, тем выше прочность припоя на растяжение и сдвиг . Свинец смягчает образование оловянных усов , [6] хотя точный механизм этого неизвестен. [7] Сегодня для смягчения проблемы используется множество методов, включая изменения в процессе отжига (нагрев и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, и нанесение конформных покрытий . [8] Сплавы, обычно используемые для электропайки, — это 60/40 Sn-Pb, который плавится при 188 °C (370 °F), [9] и 63/37 Sn-Pb, используемый в основном в электротехнических/электронных работах. Последняя смесь представляет собой эвтектический сплав этих металлов, который:
В Соединенных Штатах с 1974 года свинец запрещен в припоях и флюсах для сантехнических работ, связанных с питьевой водой, в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде . [10] Исторически использовалась более высокая доля свинца, обычно 50/50. Это имело преимущество в том, что сплав затвердевал медленнее. Поскольку трубы были физически соединены вместе перед пайкой, припой можно было протереть по стыку, чтобы обеспечить водонепроницаемость. Хотя свинцовые водопроводные трубы были вытеснены медью, когда значимость отравления свинцом начала полностью осознаваться, свинцовый припой все еще использовался до 1980-х годов, поскольку считалось, что количество свинца, которое могло выщелачиваться в воду из припоя, было незначительным из правильно спаянного соединения. Электрохимическая пара меди и свинца способствует коррозии свинца и олова. Однако олово защищено нерастворимым оксидом. Поскольку даже небольшое количество свинца было признано вредным для здоровья, поскольку является мощным нейротоксином , [11] свинец в сантехнических припоях был заменен серебром (пищевые применения) или сурьмой , часто с добавлением меди , а доля олова была увеличена (см. бессвинцовый припой).
Добавление олова — более дорогого, чем свинец — улучшает смачивающие свойства сплава; сам свинец имеет плохие смачивающие характеристики. Высокооловянные сплавы олова и свинца имеют ограниченное применение, поскольку диапазон обрабатываемости может быть обеспечен более дешевым высокосвинцовым сплавом. [12]
Свинцово-оловянные припои легко растворяют золотое покрытие и образуют хрупкие интерметаллиды. [13] Припой Sn-Pb 60/40 окисляется на поверхности, образуя сложную 4-слойную структуру: оксид олова (IV) на поверхности, под ним слой оксида олова (II) с мелкодисперсным свинцом, за которым следует слой оксида олова (II) с мелкодисперсным оловом и свинцом, а под ним — сам припойный сплав. [14]
Свинец и в некоторой степени олово, используемые в припое, содержат небольшие, но существенные количества радиоизотопных примесей. Радиоизотопы, подвергающиеся альфа-распаду , вызывают беспокойство из-за их тенденции вызывать мягкие ошибки . Полоний-210 особенно проблемен; свинец-210 бета распадается до висмута-210 , который затем бета распадается до полония-210, интенсивного излучателя альфа-частиц . Уран-238 и торий-232 являются другими существенными загрязнителями сплавов свинца. [15] [16]
Директива Европейского союза об отходах электрического и электронного оборудования и Директива об ограничении использования опасных веществ были приняты в начале 2003 года и вступили в силу 1 июля 2006 года, ограничив включение свинца в большинство потребительских электронных устройств, продаваемых в ЕС, и оказав широкое влияние на потребительские электронные устройства, продаваемые по всему миру. В США производители могут получить налоговые льготы за счет сокращения использования припоя на основе свинца. Бессвинцовые припои в коммерческом использовании могут содержать олово, медь, серебро, висмут , индий , цинк , сурьму и следы других металлов. Большинство бессвинцовых заменителей обычного припоя 60/40 и 63/37 Sn-Pb имеют температуру плавления на 50–200 °C выше, [17] хотя существуют также припои с гораздо более низкими температурами плавления. Бессвинцовый припой обычно требует около 2% флюса по массе для адекватной смачивающей способности. [18]
При использовании бессвинцового припоя при пайке волной припоя может потребоваться слегка модифицированная ванна для пайки (например, титановые вкладыши или крыльчатки) для снижения затрат на техническое обслуживание из-за повышенного поглощения олова припоем с высоким содержанием олова.
Бессвинцовый припой запрещен в критических приложениях, таких как аэрокосмические , военные и медицинские проекты, поскольку соединения, вероятно, будут страдать от усталостного разрушения металла под напряжением (например, от теплового расширения и сжатия). Хотя это свойство, которым обладает и обычный свинцовый припой (как и любой металл), точка, в которой усталость под напряжением обычно возникает в свинцовом припое, значительно превышает уровень обычно встречающихся напряжений.
Припои олово-серебро-медь (Sn-Ag-Cu или SAC ) используются двумя третями японских производителей для пайки оплавлением и волной припоя , и примерно 75% компаний для ручной пайки. Широкое использование этого популярного семейства бессвинцовых припоев основано на пониженной температуре плавления тройной эвтектики Sn-Ag-Cu (217 °C; 423 °F), которая ниже эвтектики 22/78 Sn-Ag (мас.%) 221 °C (430 °F) и эвтектики 99,3/0,7 Sn-Cu 227 °C (441 °F). [19] Тройное эвтектическое поведение Sn-Ag-Cu и его применение для сборки электроники было обнаружено (и запатентовано) группой исследователей из лаборатории Эймса , Университета штата Айова и из Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке.
Многие недавние исследования были сосредоточены на добавлении четвертого элемента в припой Sn-Ag-Cu, чтобы обеспечить совместимость для пониженной скорости охлаждения оплавления сферического припоя для сборки массивов шариковых решеток . Примерами этих четырехэлементных композиций являются 18/64/14/4 олово-серебро-медь-цинк (Sn-Ag-Cu-Zn) (диапазон плавления 217–220 °C) и 18/64/16/2 олово-серебро-медь- марганец (Sn-Ag-Cu-Mn; диапазон плавления 211–215 °C).
Припои на основе олова легко растворяют золото, образуя хрупкие интерметаллические соединения; для сплавов Sn-Pb критическая концентрация золота для охрупчивания соединения составляет около 4%. Припои с высоким содержанием индия (обычно индий-свинец) больше подходят для пайки более толстых слоев золота, поскольку скорость растворения золота в индии намного медленнее. Припои с высоким содержанием олова также легко растворяют серебро; для пайки серебряной металлизации или поверхностей подходят сплавы с добавлением серебра; сплавы без олова также являются выбором, хотя их смачивающая способность хуже. Если время пайки достаточно велико для образования интерметаллических соединений, оловянная поверхность соединения, припаянного к золоту, очень тусклая. [13]
Диапазон температур плавления бессвинцового припоя обычно составляет от 220° до 260° по Цельсию. Температура плавления бессвинцового припоя обычно выше, чем у обычного свинцового припоя, при этом бессвинцовое олово имеет температуру плавления от 210° до 235° и рабочую температуру от 245° до 280°. 1
Факторы, влияющие на температуру плавления бессвинцового припоя
Температура плавления: температура плавления бессвинцового припоя должна быть низкой, как можно ближе к эвтектической температуре сплава олова и свинца 63/37, составляющей 183 °C, однако в настоящее время нет реального продвижения такого бессвинцового припоя, соответствующего требованиям пайки.
Смачиваемость: бессвинцовый припой должен обладать хорошей смачиваемостью, чтобы гарантировать, что при пайке оплавлением припоя в жидкой фазе выше линии времени пребывания в течение 30 ~ 90 секунд, пайка волной припоя обеспечивает пайку вывода и поверхности подложки печатной платы, а время контакта жидкой волны олова с оловом составляет около 4 секунд.
Проводимость и теплопроводность: проводимость и теплопроводность после сварки должны быть близки к показателям припоя из оловянно-свинцового сплава 63/37.
Прочность паяного соединения: прочность на разрыв, вязкость, пластичность и сопротивление ползучести паяного соединения должны быть аналогичны показателям оловянно-свинцового сплава.
Стоимость: стоимость, насколько это возможно, можно контролировать, уменьшая ток в сплаве олова и свинца в 1,5 ~ 2 раза, это более идеальная цена.
Характеристики пайки: при использовании бессвинцового припоя в процессе, а также медного основания печатной платы или бессвинцового припоя, покрывающего печатную плату, а также выводов компонентов или поверхности бессвинцового припоя и других металлических покрытий, наблюдается хорошая эффективность пайки.
Совместимость: Новые бессвинцовые припои должны быть совместимы со всеми видами флюсов, и совместимость должна быть максимально возможной.
Проверка и доработка: Проверка и доработка паяных соединений после пайки должны быть простыми.
Поставка сырья: отбор сырья для обеспечения долгосрочных достаточных поставок.
Совместимость оборудования с технологическим процессом: совместимо с текущим оборудованием, используемым в технологическом процессе, при условии отсутствия необходимости замены оборудования может работать.
Твердые припои используются для пайки и плавятся при более высоких температурах. Наиболее распространены сплавы меди с цинком или серебром.
В серебряном деле или изготовлении ювелирных изделий используются специальные твердые припои, которые проходят пробу . Они содержат большую долю паяемого металла, и свинец в этих сплавах не используется. Эти припои различаются по твердости, обозначаются как «эмалирующий», «твердый», «средний» и «легкий». Эмалевый припой имеет высокую температуру плавления, близкую к температуре плавления самого материала, чтобы предотвратить распайку соединения во время обжига в процессе эмалирования. Остальные типы припоев используются в порядке убывания твердости в процессе изготовления изделия, чтобы предотвратить распайку ранее спаянного шва или соединения при пайке дополнительных участков. Легкий припой также часто используется для ремонтных работ по той же причине. Флюс также используется для предотвращения распайки соединений.
Серебряный припой также используется в производстве для соединения металлических деталей, которые не подлежат сварке . Сплавы, используемые для этих целей, содержат большую долю серебра (до 40%), а также могут содержать кадмий .
Различные элементы играют разные роли в припое:
Примеси обычно попадают в резервуар для припоя, растворяя металлы, присутствующие в паяемых узлах. Растворение технологического оборудования не является обычным явлением, поскольку материалы обычно выбираются нерастворимыми в припое. [25]
Накопление примесей в ванне пайки волной припоя и финишных покрытий плат:
Флюс — это восстановитель, предназначенный для восстановления (возвращения окисленных металлов в металлическое состояние) оксидов металлов в точках контакта для улучшения электрического соединения и механической прочности. Два основных типа флюса — это кислотный флюс (иногда называемый «активным флюсом»), содержащий сильные кислоты, используемый для починки металла и сантехники, и канифольный флюс (иногда называемый «пассивным флюсом»), используемый в электронике. Канифольный флюс бывает разной «активности», что примерно соответствует скорости и эффективности органических кислотных компонентов канифоли в растворении оксидов поверхности металла и, следовательно, коррозионной активности остатка флюса.
Из-за опасений по поводу загрязнения атмосферы и утилизации опасных отходов электронная промышленность постепенно переходит с флюса на основе канифоли на водорастворимый флюс, который можно удалить деионизированной водой и моющим средством вместо углеводородных растворителей . Водорастворимые флюсы, как правило, более проводящие, чем традиционно используемые электрические/электронные флюсы, и поэтому имеют больший потенциал для электрического взаимодействия с цепью; в целом важно удалять их следы после пайки. Некоторые следы флюса на основе канифоли также следует удалять, и по той же причине.
В отличие от использования традиционных прутков или спиральных проволок цельнометаллического припоя и ручного нанесения флюса на соединяемые детали, с середины 20-го века во многих видах ручной пайки использовался припой с флюсовым сердечником. Он изготавливается в виде спиральной проволоки припоя с одним или несколькими непрерывными телами неорганической кислоты или канифольного флюса, встроенными в него по длине. Когда припой расплавляется на соединении, он освобождает флюс и также выпускает его на себя.
Поведение при затвердевании зависит от состава сплава. Чистые металлы затвердевают при определенной температуре, образуя кристаллы одной фазы. Эвтектические сплавы также затвердевают при одной температуре, все компоненты осаждаются одновременно в так называемом связанном росте. Неэвтектические составы при охлаждении начинают сначала осаждать неэвтектическую фазу; дендриты, когда это металл, крупные кристаллы, когда это интерметаллическое соединение. Такая смесь твердых частиц в расплавленной эвтектике называется кашеобразным состоянием. Даже относительно небольшая доля твердых веществ в жидкости может резко снизить ее текучесть. [28]
Температура полного затвердевания — это солидус сплава, температура, при которой все компоненты расплавлены, — ликвидус.
Кашеобразное состояние желательно, когда степень пластичности полезна для создания соединения, позволяя заполнять большие зазоры или протирать соединение (например, при пайке труб). При ручной пайке электроники это может быть вредно, так как соединение может казаться затвердевшим, хотя это еще не так. Преждевременное обращение с таким соединением затем нарушает его внутреннюю структуру и приводит к нарушению механической целостности.
Во время затвердевания припоев и во время их реакций с паяемыми поверхностями образуется множество различных интерметаллических соединений . [25] Интерметаллиды образуют различные фазы, обычно в виде включений в пластичную матрицу твердого раствора, но также могут образовывать саму матрицу с металлическими включениями или образовывать кристаллическое вещество с различными интерметаллидами. Интерметаллиды часто бывают твердыми и хрупкими. Тонко распределенные интерметаллиды в пластичной матрице дают твердый сплав, в то время как грубая структура дает более мягкий сплав. Между металлом и припоем часто образуется ряд интерметаллидов с увеличением доли металла; например, образуя структуру Cu−Cu 3 Sn−Cu 6 Sn 5 −Sn . Между припоем и паяемым материалом могут образовываться слои интерметаллидов. Эти слои могут вызывать ослабление механической надежности и хрупкость, повышенное электрическое сопротивление или электромиграцию и образование пустот. Интерметаллический слой золота и олова является причиной низкой механической надежности паяных оловом позолоченных поверхностей, где золотое покрытие не полностью растворилось в припое.
В образовании паяного соединения играют роль два процесса: взаимодействие между подложкой и расплавленным припоем и твердофазный рост интерметаллических соединений. Основной металл растворяется в расплавленном припое в количестве, зависящем от его растворимости в припое. Активный компонент припоя реагирует с основным металлом со скоростью, зависящей от растворимости активных компонентов в основном металле. Твердофазные реакции более сложны — образование интерметаллических соединений можно замедлить, изменив состав основного металла или сплава припоя, или используя подходящий барьерный слой для замедления диффузии металлов. [29]
Вот некоторые примеры взаимодействия:
Преформа — это заранее изготовленная форма припоя, специально разработанная для применения, в котором она будет использоваться. Для изготовления преформы припоя используется множество методов, наиболее распространенным из которых является штамповка. Преформа припоя может включать флюс припоя, необходимый для процесса пайки. Это может быть внутренний флюс, внутри преформы припоя, или внешний, с покрытием преформы припоя.
Стеклянный припой используется для соединения стекол с другими стеклами, керамикой , металлами , полупроводниками , слюдой и другими материалами в процессе, называемом соединением стеклянной фриттой . Стеклянный припой должен течь и смачивать спаянные поверхности значительно ниже температуры, при которой происходит деформация или деградация любого из соединенных материалов или близлежащих структур (например, слоев металлизации на чипах или керамических подложках). Обычная температура достижения текучести и смачивания составляет от 450 до 550 °C (от 840 до 1020 °F).
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) 