Реферат: Химия для электроники – III

Александр Переятенец,

pribor @ pribor.ru

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