Припой ( Великобритания : / ˈ s ɒ l d ə , ˈ s ə ʊ l d ə / ; [1] NA : / ˈ s ɒ d ər / ) [2] представляет собой легкоплавкий металлический сплав , используемый для создания постоянной связи между металлами. заготовки. Припой расплавляют, чтобы смочить части соединения, где он прилипает и соединяет детали после охлаждения. Металлы или сплавы, пригодные для использования в качестве припоя, должны иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Припой также должен быть устойчив к окислительным и коррозионным воздействиям, которые со временем могут привести к разрушению соединения. Припой, используемый для выполнения электрических соединений, также должен иметь хорошие электрические характеристики.
Мягкий припой обычно имеет температуру плавления от 90 до 450 °C (от 190 до 840 °F; от 360 до 720 К) [3] и обычно используется в электронике , сантехнике и при работе с листовым металлом. Чаще всего используются сплавы , которые плавятся при температуре от 180 до 190 ° C (от 360 до 370 ° F; от 450 до 460 К). Пайка, выполняемая с использованием сплавов с температурой плавления выше 450 ° C (840 ° F; 720 К), называется «пайкой твердым припоем», «пайкой серебром» или пайкой .
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 разные температуры солидуса и ликвидуса , поскольку они имеют разные переходы между жидкостью и твердым телом. Неэвтектические смеси часто существуют в виде пасты твердых частиц в расплавленной матрице легкоплавкой фазы при приближении к достаточно высоким температурам. При электромонтажных работах, если соединение нарушается в этом «пастообразном» состоянии до того, как оно полностью затвердеет, это может привести к плохому электрическому соединению; использование эвтектического припоя уменьшает эту проблему. Пастообразное состояние неэвтектического припоя можно использовать в сантехнике, поскольку оно позволяет формовать припой во время охлаждения, например, для обеспечения водонепроницаемого соединения труб, в результате чего получается так называемое «затертое соединение».
Для электромонтажных и электронных работ доступна паяльная проволока различной толщины для ручной пайки (ручная пайка выполняется с помощью паяльника или паяльника ) и с сердечниками, содержащими флюс . Он также доступен в виде пасты комнатной температуры, в виде предварительно отформованной фольги, имеющей форму, соответствующую заготовке, которая может больше подходить для механизированного массового производства , или в виде небольших «лепестков», которые можно обернуть вокруг соединения и расплавить пламенем, где железо невозможно использовать или оно недоступно, как, например, при ремонте в полевых условиях. Сплавы свинца и олова широко использовались в прошлом и доступны до сих пор; они особенно удобны для ручной пайки. Использование бессвинцовых припоев растет из-за нормативных требований, а также 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 стержни припоя, намного толще, чем проволока, используемая в электротехнике, и отдельно наносят флюс; многие флюсы для пайки, подходящие для сантехники, слишком коррозионны (или проводящие), чтобы их можно было использовать в электротехнических или электронных работах. Ювелиры часто используют припой в виде тонких листов, которые разрезают на кусочки.
Слово «припой» происходит от среднеанглийского слова «soudur» , через старофранцузское «solduree » и «soulder» , от латинского « solidare» , что означает «сделать твердым». [5]
Оловянно - свинцовые припои (Sn-Pb), также называемые мягкими припоями , коммерчески доступны с концентрацией олова от 5% до 70% по весу. Чем выше концентрация олова, тем выше прочность припоя на растяжение и сдвиг . Свинец смягчает образование оловянных усов [6] , хотя точный механизм этого неизвестен. [7] Сегодня для решения этой проблемы используется множество методов, включая изменение процесса отжига (нагрев и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, а также нанесение конформных покрытий . [8] Для электропайки обычно используются сплавы 60/40 Sn-Pb, которые плавятся при 188 °C (370 °F), [9] и 63/37 Sn-Pb, используемые в основном в электротехнических и электронных работах. Последняя смесь представляет собой эвтектический сплав этих металлов, который:
В Соединенных Штатах с 1974 года свинец запрещен в припоях и флюсах в сантехнике для использования в питьевой воде в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде . [10] Исторически сложилось так, что использовалась более высокая доля свинца, обычно 50/50. Преимущество этого заключалось в том, что сплав затвердевал медленнее. Поскольку трубы физически соединялись вместе перед пайкой, припой можно было протереть по месту соединения, чтобы обеспечить водонепроницаемость. Хотя свинцовые водопроводные трубы были заменены медью, когда значимость отравления свинцом стала 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 при правильном использовании. паяное соединение. Электрохимическая пара меди и свинца способствует коррозии свинца и олова . Однако олово защищено нерастворимым оксидом. Поскольку даже небольшие количества свинца были признаны вредными для здоровья как мощный нейротоксин , [11] свинец в сантехнических припоях был заменен серебром (применение в пищевых целях) 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. Сплавы олова и свинца с высоким содержанием олова имеют ограниченное применение, поскольку диапазон обрабатываемости может быть обеспечен более дешевым сплавом с высоким содержанием свинца. [12]
Свинцово-оловянные припои легко растворяют позолоту и образуют хрупкие интерметаллиды. [13] Припой Sn-Pb 60/40 окисляется на поверхности, образуя сложную четырехслойную структуру: на поверхности оксид олова(IV) , под ним слой оксида олова(II) с мелкодисперсным свинцом, за которым следует слой оксида олова(II) с мелкодисперсными оловом и свинцом, а под ним — сам припой. [14]
Свинец и в некоторой степени олово, используемые в припое, содержат небольшие, но значительные количества радиоизотопных примесей. Радиоизотопы, претерпевающие альфа-распад, вызывают беспокойство из-за их склонности вызывать мягкие ошибки . Особенно неприятен полоний-210 ; Бета-свинец-210 распадается на висмут-210 , который затем бета-распадает на полоний-210, интенсивный излучатель альфа-частиц . Уран-238 и торий-232 являются другими значительными 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, ограничивая включение свинца в большую часть бытовой электроники, продаваемой в ЕС, и оказывая широкое влияние на бытовая электроника, продаваемая по всему миру. В США производители могут получить налоговые льготы за счет сокращения использования припоя на основе свинца. Бессвинцовые припои при коммерческом использовании могут содержать олово, медь, серебро, висмут , индий , цинк , сурьму и следы других металлов. Большинство бессвинцовых заменителей обычных олово-свинцовых припоев 60/40 и 63/37 имеют температуру плавления на 50–200 °C выше, [17] хотя существуют также припои с гораздо более низкими температурами плавления. Для бессвинцового припоя обычно требуется около 2% флюса по массе для адекватной смачивающей способности. [18]
Когда при пайке волной используется припой, не содержащий свинца , может оказаться желательным слегка модифицированный резервуар для припоя (например, титановые вкладыши или крыльчатки), чтобы снизить затраты на техническое обслуживание из-за повышенного удаления олова из припоя с высоким содержанием олова.
Бессвинцовая пайка запрещена в критических приложениях, таких как аэрокосмическая , военная и медицинская промышленность, поскольку соединения могут пострадать от усталостного разрушения металла под нагрузкой (например, из-за теплового расширения и сжатия). Хотя этим свойством обладает и обычный свинцовый припой (как и любой металл), точка, в которой обычно возникает усталостная усталость в свинцовом припое, существенно превышает уровень обычно возникающих напряжений.
Припои олово-серебро-медь (Sn-Ag-Cu, или SAC ) используются двумя третями японских производителей для пайки оплавлением и волновой пайкой и около 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 температуры плавления 22/78 Sn-Ag ( вес.%) эвтектики 221 °C (430 °F) и эвтектики Sn-Cu 99,3/0,7 227 °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 Сандиа - Альбукерке.
Многие недавние исследования были сосредоточены на добавлении четвертого элемента в припой Sn-Ag-Cu, чтобы обеспечить совместимость с пониженной скоростью охлаждения при оплавлении сфер припоя при сборке решеток шариков . Примерами этих четырехэлементных составов являются 18/64/14/4 олово-серебро-медь-цинк (Sn-Ag-Cu-Zn) (интервал плавления 217–220 °С) и 18/64/16/2 олово-медь-цинк. серебро-медь- марганец (Sn-Ag-Cu-Mn; интервал плавления 211–215 °С).
Припои на основе олова легко растворяют золото, образуя хрупкие интерметаллические соединения; для сплавов Sn-Pb критическая концентрация золота, вызывающая хрупкость соединения, составляет около 4%. Припои с высоким содержанием индия (обычно индий-свинцовые) 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; Также можно использовать сплавы, не содержащие олова, хотя их смачивающая способность хуже. Если время пайки достаточно велико для образования интерметаллидов, оловянная поверхность соединения, припаянного к золоту, становится очень тусклой. [13]
Твердые припои используются для пайки и плавятся при более высоких температурах. Сплавы меди с цинком или серебром являются наиболее распространенными.
В серебряном или ювелирном деле используются специальные твердые припои, которые выдерживают анализ . Они содержат большое количество паяемого металла, и в этих сплавах не используется свинец. Эти припои различаются по твердости и обозначаются как «эмалирующие», «жесткие», «средние» и «легкие». Эмалирующий припой имеет высокую температуру плавления, близкую к температуре плавления самого материала, что позволяет предотвратить распайку соединения во время обжига в процессе эмалирования. Остальные типы припоя применяются в процессе изготовления изделия в порядке убывания твердости, чтобы предотвратить распайку ранее спаянного шва или стыка при пайке дополнительных участков. По этой же причине при ремонтных работах часто используют легкую припой. Флюс также используется для предотвращения распайки соединений.
Серебряный припой также используется в производстве для соединения металлических деталей, которые невозможно сварить . Сплавы, используемые для этих целей, содержат высокую долю серебра (до 40%), а также могут содержать кадмий .
Различные элементы выполняют в припое разные роли:
Примеси обычно попадают в резервуар для припоя в результате растворения металлов, присутствующих в паяемых узлах. Растворение технологического оборудования не является обычным явлением, поскольку материалы обычно выбираются нерастворимыми в припое. [25]
Отделка платы и накопление примесей в ванне для пайки волной:
Флюс — это восстановитель , предназначенный для восстановления (возвращения окисленных металлов в металлическое состояние) оксидов металлов в точках контакта с целью улучшения электрического соединения и механической прочности. Двумя основными типами флюсов являются кислотный флюс (иногда называемый «активным флюсом»), содержащий сильные кислоты, используемый для ремонта металлов и сантехники, и канифольный флюс (иногда называемый «пассивным флюсом»), используемый в электронике. Канифольный флюс обладает различными «активностями», что примерно соответствует скорости и эффективности органических кислотных компонентов канифоли при растворении поверхностных оксидов металлов и, следовательно, коррозионной активности остатков флюса.
Из-за опасений по поводу загрязнения атмосферы и утилизации опасных отходов электронная промышленность постепенно переходит от канифольного флюса к водорастворимому флюсу, который можно удалить с помощью деионизированной воды и моющего средства 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; вообще важно после пайки удалить их следы. Некоторые следы канифольного флюса также следует удалить по той же причине.
В отличие от использования традиционных стержней или спиральной проволоки из цельнометаллического припоя и ручного нанесения флюса на соединяемые детали, при ручной пайке с середины 20-го века во многих случаях используется припой с флюсовым сердечником. Он изготавливается в виде намотанной проволоки припоя с одним или несколькими непрерывными телами неорганической кислоты или канифольного флюса, заделанными внутри него по длине. Когда припой плавится на соединении, он освобождает флюс и высвобождает его также на нем.
Поведение при затвердевании зависит от состава сплава. Чистые металлы затвердевают при определенной температуре, образуя кристаллы одной фазы. Эвтектические сплавы также затвердевают при одной температуре, при этом все компоненты выделяются одновременно в ходе так называемого связанного роста. Неэвтектические композиции при охлаждении сначала начинают выделять неэвтектическую фазу; дендриты, если это металл, крупные кристаллы, если это интерметаллическое соединение. Такая смесь твердых частиц в расплавленной эвтектике называется кашеобразным состоянием . Даже относительно небольшая доля твердых частиц в жидкости может резко снизить ее текучесть. [28]
Температура полного затвердевания – это солидус сплава, температура, при которой все компоненты плавятся, – это ликвидус.
Мягкое состояние желательно там, где определенная 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, поскольку соединение может показаться затвердевшим, хотя на самом деле это еще не так. Преждевременное обращение с таким соединением нарушает его внутреннюю структуру и приводит к нарушению механической целостности.
В процессе затвердевания припоев и в ходе их реакций с паяемыми поверхностями образуется множество различных интерметаллидов . [25] Интерметаллиды образуют отдельные фазы, обычно в виде включений в матрице пластичного твердого раствора, но также могут образовывать саму матрицу с металлическими включениями или образовывать кристаллическое вещество с различными интерметаллидами. Интерметаллиды часто тверды и хрупки. Мелко распределенные интерметаллиды в пластичной матрице дают твердый сплав, тогда как грубая структура дает более мягкий сплав. Между металлом и припоем часто образуется ряд интерметаллидов с увеличением доли металла; например, формирование структуры Cu-Cu 3 Sn-Cu 6 Sn 5 -Sn . Между припоем и паяемым материалом могут образовываться слои интерметаллидов. Эти слои могут привести к снижению механической надежности и хрупкости, увеличению электрического сопротивления или электромиграции и образованию пустот. Слой интерметаллидов золото-олово ответственен за плохую механическую надежность паяных оловом позолоченных поверхностей, где золото не полностью растворилось в припое.
В формировании паяного соединения играют роль два процесса: взаимодействие подложки и расплавленного припоя и рост интерметаллических соединений в твердом состоянии. 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. Реакции в твердом состоянии более сложны: образование интерметаллидов можно предотвратить, изменив состав основного металла или припоя или используя подходящий барьерный слой для предотвращения диффузии металлов. [29]
Некоторые примеры взаимодействий включают в себя:
Преформа — это заранее приготовленная форма припоя, специально разработанная для той области применения, в которой она будет использоваться. Для изготовления заготовки припоя используется множество методов, наиболее распространенным из которых является штамповка. Заготовка припоя может содержать флюс для припоя, необходимый для процесса пайки. Это может быть внутренний флюс внутри заготовки припоя или внешний, с покрытием заготовки припоя.
Стеклянный припой используется для соединения стекол с другими стеклами, керамикой , металлами , полупроводниками , слюдой и другими материалами в процессе, называемом склеиванием стеклянных фритт . Стеклянный припой должен растекаться и смачивать паяемые поверхности при температуре значительно ниже температуры, при которой происходит деформация или разрушение соединяемых 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 ) 