При создании неразъемных соединений, которые не подвергаются высокой механической нагрузке, принято использовать пайку. Для осуществления пайки применяется так называемый припой, который при нагреве заполняет место контакта и в момент охлаждения кристаллизуется, образуя достаточно надежное соединение.
Список припоев для пайки является весьма обширным и разнообразным. При выборе оптимального припоя следует учесть множество факторов: необходимая прочность соединения, допустимая температура нагрева соединяемых изделий, экономическая целесообразность и прочее-прочее. Обзор расскажет о том, как выбрать припой.
Пайка металлических и прочих изделий практикуется человеком на протяжении не менее 4000 лет. До второй половины XIX века пайка использовалась в основном для изготовления посуды, предметов обихода и других аналогичных изделий.
Припой для пайки – специальный металлический сплав, который имеет более низкую температуру плавления, чем у соединяемых деталей.
При нагреве происходит переход припоя из твердого состояния в жидкий расплав. Перейдя в жидкую фазу припой растекается по контактным поверхностям, заполняя зазоры между соединяемыми поверхностями.
Дополнительно нагрев от жидкого расплава провоцирует появление диффузионных процессов, что обеспечивает соединение разнородных поверхностей на атомарном уровне.
При снижении температуры припой для пайки начинает кристаллизоваться. Формируется неразъемное соединение, позволяющее более-менее надежно скрепить между собой в прошлом отдельные детали.
Ниже рассказано про виды припоев.
Классификация припоев по температуре плавления
Ключевой характеристикой припоя является температура плавления. От этого параметра зависят многие характеристики: прочность соединения на разрыв, степень усадки, пористость, и пр.
Различают следующие виды припоев для пайки:
- Особолегкоплавкие (до 145 С)
- Легкосплавкие (145-450 С)
- Среднеплавкие (450-1100 С)
- Высокоплавкие (1100—1850 С)
- Тугоплавкие (от 1850 С и выше)
Температура плавления определяет сферу применения припоя.
Как выбрать припой для работы с электронными компонентами.
- Особолегкоплавкие припои являются незаменимыми в том случае, когда соединяемые детали нельзя подвергать сильному перегреву. В данную категорию попадают припои с температурой плавления до 145 С.
Как правило, особолегкоплавкие припои применяются при лужении дорожек печатных плат, фиксации конденсаторов и соединении других электронных компонентов. Данная категория припоев активно используется при изготовлении плавких предохранителей и всевозможных систем пожарной безопасности.
Широкое распространение получили особолегкоплавкие припои Вуда (60,5 С), Д’Арсенваля (79 С), Розе (94 С). Это сплавы с использованием висмута, свинца и олова. В припое Вуда предусмотрен еще и кадмий.
Какие еще существуют виды припоев для электроники.
- Легкоплавкие припои хорошо подходят для пайки тех компонентов, которые плохо переносят повышенные температуры, более 400-450 С. Данная категория припоев нашла широчайшее применение при пайке радиодеталей и прочих электронных компонентов.
Легкоплавкие припои для пайки, как и особолегкоплавкие, называют мягкими, что обусловлено невысокой прочностью таких припоев на растяжение. Предел прочности мягких припоев не превышает 16-100 (МПа).
Основу легкоплавких припоев составляют олово и свинец. Эта серия припоев маркируется ПОС (припой оловянно-свинцовый). Припой ПОС-61 содержит в своем составе 61% олова и 39% свинца. Температура плавления ПОС-61 составляет 183 С.
Если к прочности паяных соединений предъявляются какие-то повышенные требования, то принято использовать оловянно-свинцовый припой с добавлением сурьмы. Такие припои маркируются ПОССу. Припои данной серии чаще всего применяются при пайке оцинкованных или цинковых металлоизделий.
Если производится пайка каких-то чувствительных к высоким температурам компонентов (конденсаторы, транзисторы, пьезокерамика), то в состав ПОС вводится кадмий. Это позволяет заметно ускорить плавление припоя. Серия припоев для пайки с кадмием маркируется ПОСК.
- Среднеплавкие припои применяются для тех соединений, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться повышенному нагреву, свыше 400 С.
Припои средней плавкости требуют для пайки нагрева в пределах 450-1100 С. Для этой категории припоев нужен специальный паяльник, способный греться до высокой температуры.
Для работы с некоторыми среднеплавкими припоями используется нагрев при помощи газовой горелки.
Припои для пайки среднеплавкой категории отличаются хорошей электропроводностью и улучшенными прочностными характеристиками. В основе среднеплавкого припоя могут находиться следующие металлы:
- Алюминий
- Медь
- Никель
- Титан
- Серебро
- Золото
- Палладий
В роли среднеплавкого припоя на основе чистого металла обычно используют лишь медь и серебро. Остальные металлы применяются в составе со вспомогательными компонентами.
Серебряные припои активно используются при создании электроники, которая работает в вакуумной среде.
Для пайки металлоизделий на основе алюминия широко применяется припой из силумина, смеси алюминия и кремния. В составе алюминиевого припоя нередко находятся: медь, марганец, цинк и т.д.
Достаточно широкое распространение получили припои для пайки на основе меди и серебра. Среднеплавкие припои этого типа демонстрируют неплохие прочностные характеристики соединения, до 300 (МПа). Медно-серебряные припои легко соединяют разнородные металлы с различной толщиной стенок.
Как выбрать припой для пайки металлоизделий.
- Высокоплавкие припои используются для изготовления и ремонта различных металлоизделий, конструкций, трубопроводов и пр. Припои высокоплавкого типа требуют повышенной температуры нагрева, от 1100 до 1850 С.
В роли высокоплавких припоев используются сплавы на основе никеля и железа.
Для работы с высокоплавкими припоями требуется специальное нагревательное оборудование. Чаще всего применяют аппарат для газовой резки.
Высокоплавкий припой обычно применяется в рамках газосварочных работ. Припои высокой плавкости позволяют создавать высоконадежные соединения тех металлов, которые плохо поддаются полуавтоматической или электродуговой сварке.
- Тугоплавкие припои требуют нагрев свыше 1850 С. Эта разновидность припоев активно используется при осуществлении сварки в среде защитных газов, при помощи неплавящегося электрода.
Припои для пайки тугоплавкого типа создаются на основе сплавов из молибдена и кремния, карбида титана и других аналогичных компонентов с высокой температурой плавления.
Тугоплавкий припой позволяет добиться от соединения высокого уровня прочности.
Что еще нужно знать про виды припоев.
Эпоха бессвинцовых припоев
Наличие свинца в составе особолегкоплавких, легкоплавких и среднеплавких припоев позволяет заметно повысить качество и надежность соединений, при условии не сильно высоких температур нагрева.
Основным недостатком свинца является негативное влияние на экологию и здоровье человека. Если в пределах одного-двух электронных устройств наличие свинца в припое не будет заметно, то в рамках массового производства свинец из припоя способен существенно влиять на окружающую среду.
По этой причине с начала XXI века электронная промышленность активно переходит на так называемые бессвинцовые припои для пайки.
Бессвинцовый припой не содержит в своем составе не только свинца, но и других вредных компонентов, таких как кадмий, ртуть и пр. Такие припои позволяют сделать электронику абсолютно безопасной для здоровья человека и экологичной для окружающей среды.
Основу бессвинцовых припоев для пайки составляют следующие сплавы:
- Олово и индий
- Олово и цинк
- Олово, серебро и медь
- Олово и медь
Разумеется, в бочке меда бессвинцовых припоев не обошлось без ложки дегтя. При отсутствии свинца происходит заметное увеличение температуры плавления припоя. Сфера применения подобных припоев все же имеет некоторые ограничения при работе с чувствительными к температуре электронными компонентами.
Работы по совершенствованию бессвинцовых припоев продолжаются по сей день. Полноценной замены свинцово-оловянным припоям еще не найдено.
Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики бессвинцовых припоев для пайки мастера практикуют использование флюсов. Под действием флюса экологически чистый припой обретает хорошую текучесть. Флюс улучшает диффузию расплава без заметного увеличения температуры нагрева.
На сегодняшний день разработаны более-менее качественные бессвинцовые припои для работы с электроникой. Есть среди бессвинцовых припоев и сплавы для качественной и экологичной пайки медного трубопровода.
