Как определить температуру плавления припоя: Все про припой ПОС | Мастер Пайки

Припои | Электрод-Сервис

Какие бывают припои и какие у них свойства?

В начале своей радиолюбительской деятельности многие начинающие радиолюбители редко задаются вопросом о том, какие бывают припои и каковы их свойства. Да и для сборки простейших самодельных устройств вполне достаточно самого распространённого припоя типа ПОС-61 или ему подобного. Как говориться: ”Было бы, чем паять…”

Припой можно даже не покупать. Порой достаточно взять старую печатную плату от какого-нибудь электронного прибора и собрать припой разогретым жалом паяльника с паяных контактов. Особенно такой метод “добычи” припоя актуален для тех, кто живёт вдали от городов и крупных населённых пунктов, где нет возможности побывать в магазине радиотоваров.

Но всё же, припой припою рознь. В своей практике человек, имеющий дело с электроникой должен разбираться в вопросе выбора припоя. Поэтому рассмотрим подробно, какие бывают припои, для чего они применяются, какой припой использовать для монтажа электронных схем и ремонта бытовой радиоаппаратуры.

Какие бывают припои?

Припои делят на мягкие (легкоплавкие) и твёрдые. Для монтажа радиоаппаратуры применяются как раз легкоплавкие припои, т.е. такие, температура плавления которых лежит в пределах до 300 — 450⁰C. Мягкие припои по своей прочности уступают твёрдым, но для сборки электронных приборов применяются лишь мягкие припои.

Припой представляет собой сплав металлов. Для легкоплавких припоев это, как правило, сплав олова и свинца. Именно эти металлы составляют большую часть в сплаве. Также в сплаве могут присутствовать и легирующие металлы, но их количество в составе сплава невелико. Примеси других металлов вводят в оловянно-свинцовые припои для получения определённых характеристик (температуры плавления, пластичности, прочности, устойчивости к коррозии).

Наиболее распространены припои ПОС (припой оловянно-свинцовый). Далее за кратким обозначением марки припоя следует число, которое показывает процентное содержание в нём олова. Так в припое ПОС-40 содержится 40% олова, а в припое ПОС-60, соответственно, 60%.

Бывает, что в пользование попадает припой неизвестной марки. Приблизительно оценить состав припоя можно по косвенным параметрам:

• Припои оловянно-свинцовой группы имеют температуру плавления 183 – 265 ⁰C.
• Если припой имеет яркий металлический блеск, то в таком припое достаточно большое содержание олова (ПОС-61, ПОС-90).

Наоборот, если припой тёмно-серого цвета, а поверхность матовая, то в таком припое большое процентное содержание свинца. Именно свинец придаёт припою своеобразный сероватый оттенок.

• Также припои, в которых много свинца очень пластичны.

Так, например, пруток диаметром 8 мм. из припоя с большим содержанием свинца (ПОС-30, ПОС-40) легко гнётся руками. Олово, в отличие от свинца, придаёт припою прочность и жёсткость.

Рассмотрим, в каких целях используются припои оловянно-свинцовой группы (ПОС).

• ПОС-90 (Sn 90%,Pb 10%). Этот припой применяется при ремонте пищевой посуды и медицинского оборудования. Как видим, в нём небольшое содержание свинца (10%), который достаточно токсичен и его применение в вещах, соприкосающихся с пищей и водой недопустимо.
• ПОС-40 (Sn 40%,Pb 60%). В основном служит для пайки электроаппаратуры и деталей из оцинкованного железа, ремонта радиаторов, латунных и медных трубопроводов.
• ПОС-30 (Sn 30%,Pb 70%). Данный припой применяется в кабельной промышленности, а также он служит для лужения и пайки листового цинка.
• И, наконец, ПОС-61 (Sn 61%,Pb 39%).Тоже, что и ПОС-60. Думаю, между ними особой разницы нет.

Припой ПОС-61 используется для лужения и пайки печатных схем радиоаппаратуры. Именно этот припой в основном служит материалом для сборки электроники. Температура его плавления начинается со 183⁰C, а полное расплавление достигается при температуре в 190⁰C.

Производить пайку таким припоем можно с помощью обычного паяльного инструмента не боясь перегрева радиоэлементов, поскольку полное расплавление припоя достигается уже при 190⁰C.

Такие припои, как ПОС-30,ПОС-40,ПОС-90 полностью расплавляются при температурах в 220 – 265

0C. Для многих радиоэлектронных компонентов такая температура является предкритической. Поэтому для сборки самодельных электронных устройств лучше использовать ПОС-61.

Зарубежным аналогом припоя ПОС-61 можно вполне считать припой Sn63Pb37 (олова 63%, свинца 37%). Он также применяется для пайки радиоаппаратуры и для изготовления самодельной электроники. Радиолюбители выбирают именно его, как альтернативу отечественному припою ПОС-61.

Одной из разновидностей припоев ПОС является припой марки ПОССу. Да, если произнести вслух, то звучит не очень то презентабельно . Но, несмотря на это, оловянно-свинцовый припой c сурьмой (именно так расшифровывается сокращённое обозначение) применяется в автомобилестроении, в холодильном оборудовании, для пайки обмоток электрических машин, элементов электроаппаратуры, моточных деталей и кабельных изделий.

Хорошо подходит для пайки оцинкованных деталей. В таких припоях кроме свинца и олова присутствует от 0,5% до 2% сурьмы.

Припой	Начальная t0плавления	Полное расплавление , t0
ПОССу-61-0,5	183	183
ПОССу-40-2	185	229
ПОССу-40-0,5	183	235
ПОССу-30-2	185	250
ПОССу-30-0,5	183	255

Как видим из таблицы, припой ПОССу-61-0,5 наиболее подходит для замены ПОС-61, так как имеет температуру полного расплавления – 183⁰C.

Низкотемпературные припои.

Среди припоев существуют такие, которые предназначены специально для пайки компонентов очень чувствительных к перегреву. Самым “высокотемпературным” среди низкотемпературных свинцово-содержащих припоев является ПОСК-50-18. Он имеет температуру плавления 142-145⁰C. В своём составе ПОСК-50-18 имеет 50% олова и 18% кадмия. Остальные 32% приходится на свинец. Наличие в сплаве кадмия усиливает устойчивость к коррозии, но и придаёт припою токсичность.

Далее по убыванию температуры плавления идёт сплав РОЗЕ (Sn 25%,Pb 25%, Bi 50%). Маркируется как ПОСВ-50. Температура его плавления ниже температуры кипения воды и составляет 90 — 94

0C. Он предназначен для пайки меди и латуни. В составе сплава РОЗЕ олово занимает 25%, свинец – 25%, висмут – 50%. Находит применение в плавких защитных предохранителях, которые можно обнаружить в любой радиоаппаратуре.

Ещё более низкотемпературным является сплав ВУДА (Sn 10%, Pb 40%,Bi 40%, Cd 10%). Температура плавления данного припоя 65 – 72⁰C. Так как в этом припое присутствует кадмий (10%), то он токсичен, в отличие от сплава РОЗЕ.

 

Припои для высокотемпературной пайки жаропрочных и жаростойких сплавов

Одним из способов формирования высокопрочного неразъемного соединения при температурах ниже температуры плавления соединяемых материалов является метод пайки. Формирование неразъемных соединений в данном случае происходит при температуре выше температуры плавления припоя без расплавления материала соединяемых элементов. Распространение получили припои в форме порошка, пасты, проволоки, ленты или фольги. Пайка применяется преимущественно для соединения разнородных и трудносвариваемых материалов. В числе примеров применения технологии:

— пайка сотовых уплотнений, пористоволокнистых истираемых материалов, знаковых отверстий лопаток, блоков сопловых лопаток, дефлекторов и пр.;

— пайка монокристаллических сплавов;

— пайка композиционных материалов на основе интерметаллидов;

— пайка разнородных материалов на основе интерметаллидов;

— ремонт с применением технологии пайки.

Современные припои в зависимости от особенности кристаллизации металла можно условно разделить на два класса — эвтектические и твердорастворные, а в зависимости от материала основы можно классифицировать на четыре группы.

Эвтектические припои производятся на основе переходных металлов, таких как никель, железо, кобальт, хром. Наиболее применяемые припои на основе никеля и кобальта содержат металлоиды — бор, кремний, фосфор, углерод — химически активные элементы, снижающие температуру плавления и способствующие растворению оксидов на поверхности деталей. Эвтектические сплавы, обладающие низкой температурой ликвидус, высокой жидкотекучестью, которые хорошо смачивают поверхность паяемых материалов и менее склонны к образованию ликваций и усадочных пор. Такие сплавы по своей природе являются хрупкими и производятся преимущественно в форме порошка.

Твердорастворные припои производятся на основе благородных металлов — серебра, золота, паладия. Такие припои имеют очень широкую область кристаллизации и достаточно технологичны для производства в форме фольги и проволоки. Соединения, полученные данными припоями, отличаются высокой стойкостью к окислению и коррозии. Вместе с тем такие припои характеризуются ограниченностью применения из-за относительно низкой прочности при высоких темепратурах и их высокой стоимости.

Классификация припоев для высокотемпературной пайки сталей и сплавов

Основа сплава	Класс	Легирующие элементы	Температура пайки, С	Температура эксплуатации, С
переходный металл-металлоид
Ni/Fe/Co-(B)-(Si)-(C)-(P)	эвтектический	Cr, Mo, W, Ti, Al	950-1200	<1200
Ni/Pd-(Si)-(B)	эвтектический	Cr, Co, W, Mo	900-1000	400-800
переходный металл-металл
Ni-Ge	эвтектический	—	1200	<1200
Ni/Zr/Hf	эвтектический	Cr	1200-1250	>1150
благородный металл
Au/Pd/Ag	твердорастворный	Cu, Ni, Cr	900-1300	<1200

В общем случае состав припоя должен удовлетворять ряду требований по обеспечению уровня физико-химических свойств, смачиваемости и растекаемости, низкой эрозионной активности и т. д. Для реализации этих требований в состав вводят разные элементы: хром — для повышения жаростойкости и стойкости к высокотемпературной солевой коррозии; молибден, вольфрам, тантал, алюминий, титан — для повышения жаропрочности; кобальт — для повышения пластичности соединения.

Припои на органическом связующем (ленты и пасты)

Высокие показатели прочности и рабочей температуры могут обеспечить только сложнолегированные припои с системой легирования, близкой к системе легирования соединяемых материалов. Из-за сложного химического состава многие припои являются трудно недеформируемыми и не могут быть получены традиционными методами в виде полос, фольги или прутков. Высокотемпературные припои могут получены в форме высокотехнологичных полуфабрикатов – лента или паста на органическом связующем. Состав органического связующего паст обеспечивает высокие реологические свойства и надежную фиксацию на паяемой поверхности. Связующее лент порошковых припоев обеспечивает высокую эластичность и технологичность лент при использовании (поддаются резке ножом и ножницами), клеевой слой обеспечивает надежную фиксацию на паяемой поверхности. Основное требование к органическому связующему для изготовления лент и паст порошковых припоев – способность удаляться при нагреве в вакууме без образования зольного остатка. Для нанесения припоя на сложные криволинейные поверхности разработан полуфабрикат порошкового припоя – пасты на органическом связующем, предназначенные для экструзии из туб или шприцов через дюзы различного диаметра.

Аморфные припои

Еще одним вариантом получения припоев труднодеформируемых материалов является изготовление лент с аморфной структурой. Аморфные металлические материалы являются однофазными системами и достаточно пластичны. Формируется такая структура в процессе быстрого охлаждения расплава определенного состава. При применении припоев в виде аморфных лент исключается необходимость использования органических связок (кроме случая использования в качестве клеящего слоя), удается достичь снижения расхода припоя. Высокая пластичность ленточных припоев позволяет придавать им необходимую форму. Припой в виде аморфных лент позволяет ограничить эрозию основного материала за счёт снижения температуры пайки, например, температура пайки припоя ВПр51 составляет 1040-1080 С. Относительно низкое содержание хрома и молибдена в совокупности с введением бора позволяет существенно снизить температуру пайки и обеспечить низкую эрозионную активность припоя, и не сказывается на уровне жаростойкости припоя и паяных соединений.

Припои в авиационной промышленности

В авиационной промышленности применяется порядка 50 марок припоев на основе олова, свинца, меди, серебра, никеля и титана. В последнем перечне ограничителе содержится 36 марок. Общие требования к технологическому процессу пайки высоколегированных сталей в вакууме изложены в ГОСТ Р 53542-2009. Технологические рекомендации для получения паяных соединений конечных изделий разрабатываются специалистами ФГУП ВИАМ в сотрудничестве с отраслевыми институтами и предприятиями отрасли.

Перечень припоев, рекомендуемых в перечне-ограничителе к применению в опытном производстве в авиационной промышленности, включает припои марок:

ВПр1, ВПр2, ВПр4	полосы
ВПр7, ПСр21,5 (ВПр17)	полосы, порошок
ПСр25, ПСр40	полосы, проволока
ВПр11-40Н	порошок
ВПр24	порошок, лента на органической связке
ВПр27	порошок, аморфная лента
ВПр36, ВПр37, ВПр42, ВПр44, ВПр50	порошок
Л63	проволока
ПФОЦ 7-3-2	литые прутки
ПМФ9, ПСр15, ПСр25, ПСр25Ф, ПСр40	полосы, проволока
ВПр16, ВПр28	порошок, аморфная лента
34А	прутки
Сплав Розе	гранулы
ПОС61, ПОССу 61-0,5, ПОС40, ПОССу 40-0,5	слитки
ПОСК 50-18	слитки, проволока, лента, пруток, порошок
ПСр2,5, ПСр3Кд	полосы, проволока
ВПр35, ВПр40	проволока

Наиболее востребованные марки припоев

Припой ВПр11-40Н наиболее широко используемый припой при пайке никелевых жаропрочных сплавов.

Припой ВПр24 (высокожаропрочный) на никелевой основе применяется для пайки сопловых и рабочих лопаток турбины из сплавов типа ЖС6.

Припой ВПр27 (аморфный) на никелевой основе используется для пайки упрочняющих пластин на контактные поверхности бандажных полок рабочих лопаток турбин из сплавов ЖС6У и ВЖЛ12.

Припои ВПр36, ВПр44 (высокожаропрочные) на никелевой основе предназначены для пайки монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, применяются при заделке технологических отверстий в рабочих лопатках турбин.

Припой ВПр50 на никелевой основе используется для пайки жаропрочных никелевых сплавов и нержавеющих сталей.

Припой ВПр37 на никелевой основе применяется для пайки интерметаллидных сплавов типа ВКНА.

Припой ВПр16 на титановой основе используется вместо серебрянных припоев, обеспечивает более высокие значения прочности и хорошую коррозионную стойкость паяных соединений.

Припой ВПр28 на титановой основе используется вместо серебрянных припоев, обеспечивает более высокие значения прочности и хорошую коррозионную стойкость паяных соединений.

Припой ВПр2 на медно-марганцевой основе применяется при пайке теплообменников различного назначения.

Припой ВПр17 (ПСр21,5) применяется при газопламенной пайке тонкостенных трубопроводов из стали 12Х18Н9Т.

Припои ВПр24, ВПр27, ВПр36, ВПр42, ВПр44, ВПр50 являются эвтектическими или доэвтектическими сложнолегированными сплавами со структурой твердого раствора с эвтектикой, содержащей бориды и силициды.

Припой ВПр11-40Н является смесью порошка ВПр11 со структурой никельхромового твердого раствора с эвтектикой, содержащей бориды, силициды и карбиды и наполнителя со структурой доэвтектического сплава никеля с силицидами и боридами.

Припой Впр37 является безэтектическим сплавом с кремнием и бором в качестве депрессантов.

Марка припоя	Система легирования	Температура пайки, С	Температура эксплуатации, С
Припой ВПр37	Ni-Cr-Al-Ti-W-Mo	1280-1310	1200
ВПр44	Ni–Cr–Al–Mo–W–Si–Co–B– C	1270-1290	1150
Припои ВПр36	Ni-Cr-Al-Mo-W-Nb-Co-B	1250-1270	1100
Припой ВПр24	Ni–Cr–Al–Ti–Mo–W–Nb– Si–Co–B	1200-1220	1050
Припой ВПр42	Ni-Cr-Al-Mo-W-Nb-Co-B-Ti	1130-1150	1000
Припой ВПр50	Ni–Cr–Mo–Nb–Si–Co–B	1120-1160	1000
Припой ВПр27	Ni–Cr–Al–Mo–W–Nb–Co– B–C–Si	1120-1150	1000
ВПр11-40Н	Ni–Cr–C–Si–B–Fe–Al	1080-1120	800
ВПр16	Ti-Cu-Zr-Ni	900-950	600
ВПр28	Ti-Zr-Cu-Ni	850-880	600

Появление новых жаропрочных материалов, разработка высокоэффективных схем охлаждения деталей и узлов ГТД, новых типов статорных уплотнений проточной части турбины требуют разработки новых припоев, технологических режимов пайки и способов нанесения припоев. Во ФГУП ВИАМ организована производственная и исследовательская инфраструктура необходимая для реализации большинства задач в области разработки материалов и технологий высокотемпературной пайки.

Источники информации:

Исследование мелкодисперсных порошков припоев для диффузионной вакуумной пайки, полученных методом атомизации расплава. Е.Н. Каблов, В.С. Рыльников, А.Г. Евгенов, А.Н. Афанасьев-Ходыкин. Труды ВИАМ. 2011.

Припои, применяемые для пайки материалов авиационного назначения. В.С. Рыльников, В.И. Лукин. Труды ВИАМ. 2013.

Высокотехнологичные полуфабрикаты жаропрочных припоев (ленты и пасты на органическом связующем). А.Н. Афанасьев-Ходыкин, В.И. Лукин, В.С. Рыльников. Труды ВИАМ. 2013.

Пайка тонкостенных элементов конструкций аморфным ленточным припоем ВПр51. Ю.В. Столянков, В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыкин. Труды ВИАМ. 2018.

Аморфный ленточный припой ВПр51 для тонкостенных металлических ЗПК. Ю.В. Столянков, В.С. Рыльников, В.И. Лукин. Материалы конференции «Функциональные материалы для снижения авиационного шума в салоне и на местности». 2015.

Влияние металлургических факторов на фазовый состав и технологические характеристики припоев на никелевой основе с высоким содержанием кремния и бора. А.Г. Евгенов, И.А. Галушка, С.В. Шуртаков, В.А. Игнатов. Труды ВИАМ. 2019

Изготовление конструкции типа «Блиск» из разноименного сочетания материалов (обзор). О.Г. Оспенникова, В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыки, И.А. Галушка. Труды ВИАМ. 2018.

Пайка аморфными припоями. В.И. Лукин, Ю.В. Столянков, В.С. Рыльников, А.И. Щербаков. Авиационные материалы и технологии. 2002.

Технология изготовления лент и паст порошковых припоев на органических связующих. В.И. Лукин, А.Н. Афанасьев-Ходыкин, И.А. Галушка, О.В. Шевченко. Клеи. Герметики. Технологии. 2017.

A nickel-based brazing alloy for brazing creep-resisting alloys and steels. Welding International. 2015. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2014.952498

Special features of brazing VZhM4 and VZhM5 single crystal alloys. V.I. Lukin, V.S. Rylnikov, N.G. Orekhov, A.N. Afanasev-Khodykin, V.G. Kolodochkina, I.A. Galushka. Welding International. 2017. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2017.1285546

Special features of diffusion welding of EP975 creep-resisting alloy and VKNA-4U cast single-crystal intermetallic alloy for blisk structures. V.I. Lukin, V.S. Rylnikov, A.N. Afanasyev-Khodykin, O.B. Timofeyeva. Welding International. 2014. http://dx.doi.org/10.1080/09507116.2013.840043

Efficient materials and brazing technology for honeycomb seals of gas turbines of a new generation of aircraft engines. E.B. Kachanov, R.S. Kurochko, V.P. Migunov, V.I. Lukin, V.S. Ryl’Nikov. Welding International. 1994. https://doi.org/10.1080/09507119409548651

Евгений Шеин

24.03.2020

Припой с низкой температурой плавления

Температура плавления и другие свойства припоев на основе олова и свинца

В таблице представлена температура плавления припоев распространенных марок на основе олова и свинца, а также их теплофизические и механические свойства. Свойства припоев даны при комнатной температуре.

В таблице приведены следующие свойства: температура плавления припоев (солидус и ликвидус) в градусах Цельсия, плотность припоев, удельное электрическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость по Бринеллю, HB.

Температура плавления припоев (ликвидус — жидкое состояние припоя) на основе свинца и олова находится в диапазоне от 145 до 308°С. Следует отметить, что температура плавления припоя, равная 145°С, соответствует припою ПОСК 50-18, который относится к категории легкоплавких припоев. При температуре 308 градусов Цельсия в жидком виде находится припой ПОССу 5-1.

Рассмотрены свойства следующих припоев: ПОС 90, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 10, ПОС 61М, ПОСК 50-18, ПОССу61-0,5, ПОССу 50-0,5, ПОССу 40-0,5, ПОССу 35-0,5, ПОССу 30-0,5, ПОССу 25-0,5, ПОССу 18-0,5, ПОСу 95-5, ПОССу 40-2, ПОССу 35-2, ПОССу 30-2, ПОССу 25-2, ПОССу 18-2, ПОССу 15-2, ПОССу 10-2, ПОССу 8-3, ПОССу 5-1, ПОССу 4-6.

По данным таблицы видно, что плотность припоев меняется в пределах от 7300 до 11200 кг/м 3 . Припоем с минимальной плотностью является оловянно-свинцовый припой ПОСу 95-5. Наиболее тяжелым из рассмотренных припоев является припой ПОССу 5-1 — плотность такого припоя имеет величину 11200 кг/м 3 .

Теплопроводность припоев в таблице дана в размерности ккал/(см·с·град). Припоями с максимальной теплопроводностью являются ПОС 90 и ПОСК 50-18 — их теплопроводность равна 0,13 ккал/(см·с·град).

Температура плавления припоев на основе серебра, их плотность и удельное электрическое сопротивление

К серебряным припоям относятся такие припои, как ПСр72, ПСр71, ПСр70, ПСрМО68-27-5, ПСр65, ПСр62, ПСр50, ПСр50КД, ПСрМЦКд45-15-16-24, ПСрКДМ50-34-16, ПСр45, ПСр40, ПСр37,5, ПСр25, ПСр25Ф, ПСр15, ПСр12М, ПСр10, ПСр010-90, ПСрОСу8 (Впр-6), ПСрМО5 (Впр-9), ПСрОС 3,5-95, ПСр3, ПСрО 3-97, ПСрОС3-58, ПСр3Кд, ПСр2,5, ПСр2,5С, ПСр2, ПСрОС2-58, ПСр1,5, ПСр1.

Плотность припоев на основе серебра изменяется в пределах от 7400 до 11400 кг/м 3 . Низкая плотность припоя, содержащего серебро, свойственна таким припоям, как: ПСрОСу8, ПСрМО5, ПСрОС 3,5-95 и ПСр010-90. Наиболее тяжелый припой — это ПСр3, его плотность равна 11,4 г/см 3 .

Температура плавления припоев на основе серебра находится в диапазоне от 183 до 860°С. Припоем с наименьшим удельным электрическим сопротивлением является серебряный припой ПСр72 — его электросопротивление равно 2,1 мкОм·см.

Удельное электрическое сопротивление припоев значительно изменяется в зависимости от марки припоя. Оно может иметь значение в интервале от 2,1 (у припоя ПСр72) до 37,2 мкОм·см — у ПСр37,5.

Примечание: плотность и удельное электрическое сопротивление припоев указаны при комнатной температуре.

Температура плавления припоев и легкоплавких сплавов

В таблице даны значения температуры плавления припоев и легкоплавких сплавов на основе ртути Hg, цезия Cs, калия K, висмута Bi, таллия Tl, индия In, олова Sn, свинца Pb, кадмия Cd, сплав Вуда, сплавы Роуза (Розе), золота Au, магния Mg, цинка Zn, серебра Ag.

Значения температуры плавления припоев и сплавов в таблице приведены начиная с самых легкоплавких сплавов и находятся в диапазоне от -48,2 до 262°С. В сплавах с отрицательной температурой плавления (от минус 48,2°С) преобладает содержание ртути и щелочных металлов. Легкоплавкие сплавы с температурой плавления от 200 до 260°С имеют в своем составе преимущественное содержание висмута и таллия.

Примечание: эвт — эвтектические сплавы или близкие к ним; для неэвтектических сплавов приводятся значения температуры солидуса.

Плотность припоев и баббитов, их теплопроводность и КТлР

В таблицах даны теплофизические свойства некоторых припоев и баббитов (антифрикционных подшипниковых материалов) при комнатной температуре. Представлены такие свойства, как: плотность, коэффициент температурного расширения и теплопроводность.

Указаны свойства следующих припоев и баббитов: ПОС-30, ПОС-18, ПСр45, ПОЦ70, ПОЦ60, 34А, эвтектический силумин; баббиты, Б83, Б16, БКА, Б88, Б89, Б6.

Следует отметить, что плотность припоев, коэффициент температурного расширения (КТлР) и теплопроводность припоев и баббитов имеют близкие значения, за исключением припоя 34А и эвтектического силумина, которые в 2-4 раза легче.

Состав и теплопроводность припоев и баббитов при различных температурах

В таблице представлен состав и значение коэффициента теплопроводности алюминиевых антифрикционных сплавов, баббитов и припоев при температуре от 4 до 300 К (от -269 до 27°С).

Рассмотрены следующие припои и подшипниковые материалы: АН2,5, АО6-1, БКА, Б16, Б83, Б88, ПОС61, ПОС18, ПОССу18-2, ПОССу40-2, сплав Вуда, сплав Розе, ПСр25, ПСр44, ПСр70.

Наиболее теплопроводным антифрикционным сплавом, по данным таблицы, является сплав АО6-1 — его теплопроводность равна 180 Вт/(м·град). Наибольшую теплопроводность среди рассмотренных припоев имеет серебряный припой ПСр70 (на основе серебра и меди) — теплопроводность этого припоя равна 170 Вт/(м·град).

Источники:

1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с.
4. Цветные металлы. Справочник. — Нижний Новгород: «Вента-2», 2001. — 279 с.

Припо́й — материал [1] , применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. Применяют сплавы на основе олова, свинца, кадмия, меди, никеля, серебра и другие.

Существуют неметаллические припои [2] .

Срок службы паяного соединения зависит от правильности технологии пайки и параметров окружающей среды в эксплуатации.

Содержание

Описание [ править | править код ]

Припои выпускаются в виде гранул, прутков, проволоки, порошка, фольги, паст и закладных деталей.

Пайку осуществляют или с целью создания механически прочного (иногда герметичного) шва, или для получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке мест соединения припой нагревают свыше температуры его плавления. Так как припой имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления соединяемого металла (или металлов), из которых изготовлены соединяемые детали, то он плавится, в то время как металл деталей остаётся твёрдым. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твёрдого металла происходят различные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Выбирают припой с учётом физико-химических свойств соединяемых металлов (например, по температуре плавления), требуемой механической прочности спая, его коррозионной устойчивости и стоимости. При пайке токоведущих частей необходимо учитывать удельную проводимость припоя.

Жидкотекучесть низкотемпературных припоев даёт возможность паять изделия сложной формы.

Классификация припоев [ править | править код ]

Вид припоев	Температура плавления Tпл., °C	Предел прочности при растяжении, МПа	Сплавы
Мягкие	До 300	16—100	оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-кадмиевые, оловянно-цинковые, сурьмянистые, бессвинцовые (Sn+Cu+Ag+Bi+др.)
Твёрдые	Свыше 300	100—500	медно-цинковые, медно-никелевые, медно-фосфористые, серебряные

Припои принято делить на две группы:

К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым — свыше 300 °C. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16—100 МПа, а твёрдые — 100—500 МПа.

К мягким припоям относятся оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90 % (ПОС-90), остальное — свинец. Электропроводность этих припоев составляет 9—15 % электропроводности чистой меди. Плавление этих припоев начинается при температуре 183 °C (температура плавления эвтектики системы олово-свинец) и заканчивается при следующих температурах плавления ликвидуса:

Припои ПОС-61 и ПОС-63 плавятся при постоянной температуре 183 °C, так как их состав практически совпадает с составом эвтектики олово-свинец.

Кроме этих составов в качестве мягких припоев используются также:

• сурьмянистые припои (ПОССу), применяемые при пайке оцинкованных и цинковых изделий и повышенных требованиях к прочности паяного соединения,
• оловянно-свинцово-кадмиевые (ПОСК) для пайки деталей, чувствительных к перегреву и пайки выводов к конденсаторам и пьезокерамике,
• оловянно-цинковые (ОЦ) для пайки алюминия,
• бессвинцовые припои, содержащие наряду с оловом медь, серебро, висмут и др. металлы.

Твёрдые припои [ править | править код ]

Наиболее распространёнными твёрдыми припоями являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками:

Припой марка	Состав	Температура плавления, °С	Плотность, г/см 3
Медно-цинковый ПМЦ-36	36 % Сu; 64 % Zn	825—950	7,7
Медно-цинковый ПМЦ-54	54 % Cu; 46 % Zn	860—970	8,3
Серебряный ПСр-15	15 % Ag; остальное Сu и Zn	635—810	8,3
Серебряный ПСр-45	45 % Ag; остальное Сu и Zn	665—725	9,1
Медно-титановый ПМТ-45	49—52 % Сu; 1—3 % Fе; 0,7—0,1 % Si; 45—49,3 % Ti	955	6,02

Температуры плавления припоев марок ПСр и ПМЦ:

ПСр-10 — 830 °С.
ПСр-12 — 785 °С.
ПСр-25 — 765 °С.
ПСр-45 — 720 °С.
ПСр-65 — 740 °С.
ПСр-70 — 780 °С.
ПМЦ-36 — 825 °С.
ПМЦ-42 — 833 °С.
ПМЦ-51 — 870 °С

Широко применяются медно-фосфористые припои. К медно-фосфористым припоям относятся сплавы меди, олова с добавками фосфора. Такие припои применяются при пайке меди, медных сплавов, серебра, чугуна, твердых сплавов.

Температуры плавления медно-фосфористых припоев:

П81 — 660 °С
П14 — 680 °С
МФ7 — 820 °С
П47 — 810 °С

Серебряные припои [ править | править код ]

Серебряные припои имеют температуру плавления от 183 до 1133 °С и представляют собой сплавы серебро-свинец-олово; серебро-свинец; серебро-медь; серебро-медь-цинк; серебро-медь-цинк-кадмий; и т. д.

Серебряные припои имеют достаточно широкую область применения:

• лужение и пайка меди, медно-никелевых сплавов, никеля, ковара, нейзильбера, латуней и бронз;
• пайка железоникелевых сплавов с посеребренными деталями из стали;
• пайка стали с медью, никелем, медными и медно-никелевыми сплавами;
• пайка меди с никелированным вольфрамом;
• пайка титана и титановых сплавов с нержавеющей сталью;
• пайка меди и медных сплавов с жаропрочными сплавами и нержавеющими сталями;
• пайка меди и латуни с коваром, никелем, с нержавеющими сталями и жаропрочными сплавами, пайка свинцово-оловянистых бронз;
• пайка и лужение меди, никеля, медных и медно-никелевых сплавов с посеребренной керамикой, пайка посеребренных деталей;
• пайка меди и никеля со стеклоэмалью и керамикой;
• пайка и лужение ювелирных изделий;
• пайка меди с бронзой, меди с медью, бронзы с бронзой;
• пайка меди, медных сплавов и сталей по свежеосаждённому медному гальваническому покрытию толщиной не менее 10 мкм;
• пайка и лужение цветных металлов и сталей;
• пайка и лужение серебряных деталей.

Бессвинцовые припои [ править | править код ]

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоев более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно в бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои.

Уход от свинцовосодержащих припоев также обусловлен негативным влиянием свинца на прочность соединения с контактами, покрытыми золотом. [4]

Паяльные пасты [ править | править код ]

Развитие автоматизированной технологии для изготовления электронных плат обусловило появление нового типа припоев: так называемых паяльных паст, пригодных как для обычной, так и трафаретной пайки элементов электронных схем. Паяльные пасты представляют собою дисперсную смесь, в которой дисперсной фазой являются микро- и наноразмерные частицы припоя, иногда твёрдых компонентов флюса, а диспергирующей средой являются жидкие компоненты флюса и летучие органические растворители.

Прочие [ править | править код ]

Не относящиеся к собственно припоям особые виды металлических сплавов применяются в электровакуумной технике для электрических вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, когда использование здесь тугоплавких, но относительно дорогих металлов (вольфрам, молибден, платина) не требуется. Для этих материалов особую важность имеет температурный коэффициент линейного расширения ( α l <displaystyle alpha _> ), который для получения вакуум-плотного ввода должен как можно точнее согласовываться с α l <displaystyle alpha _> стекла. Например, ковар (марка сплава 29НК), применяемый для изготовления электрических выводов через стеклянные колбы различных газонаполненных и электровакуумных электронных приборов и осветительных ламп имеет примерный состав: Ni — 29 %, Со — 18 %, Fе — остальное; его удельное сопротивление около 0,49 мкОм·м, а α l <displaystyle alpha _> около 4…5·10 −6 К −1 .

Процесс ремонта электроники, произведение работ в радиотехнике происходит с помощью паяльника. Качественная работа служит основанием для долговечного соединения деталей. Работа происходит паяльником, надежное соединения производится не только качественным инструментом, но и флюсом, припоем. Основной припоя является сплав металлов легкосплавного типа, которые расплавляется по достижению определенной температуры. Наиболее подходящим вариантом считается олово в чистом виде, однако материал очень дорогой.

Какие бывают припои

Существует большое количество материалов для пайки, основное разделение происходит на мягкие и твердые. Монтаж радиоаппаратуры происходит при помощи легкоплавкого, его температура плавления колеблется от 300 до 450 °C. По прочности мягкие виды припоев не уступают при пайке другим, используются при сборке практически всех электронных изделий.

Процесс пайки основывается на сплаве олова и свинца определенным стандартом, количеством.

Некоторые тугоплавкие припои имеют легирующие стали, что по позволяет реализовать некоторые параметры при соединении. Примеси используются для достижения определенных характеристик, антикоррозийных свойств, уровней прочности. Припой для пайки используется в большинстве случаев марки ПОС, что означает оловянно – свинцовые припои. Число указывает на процентное содержание составом олова.

Если происходит ситуация, когда припои и флюсы применяемые при пайке неизвестного происхождения, отличить можно по следующим физиологическим свойствам:

• Температура плавления свинцово – оловянных припоев варьируется в пределах от 183 до 265 °C.
• Яркий металлический отблеск выдает высокое содержание олова, предположительно марка ПОС-61 и выше.
• Большое содержание свинца выдается тусклым серым оттенком, матовой поверхностью.
• Большое количество свинца повышает пластичность проволоки, изделие диаметром 6 мм можно легко согнуть руками, а более качественное не гнаться.

Различные виды припоя производятся изготовителями при некоторых факторах. Большинством современных материалов пайки применяется допуск флюса от 1 до 3%, что значительно улучшает условия работы. Нет необходимости подносить жало паяльного инструмента к флюсу каждый раз, если он содержится сердцевиной припоя. Разновидностью свинцово – оловянных изделия является припой марки ПОССу. Обозначение предполагает добавление сурьмы, применяется в различных производствах, подходит к применению с оловянными деталями.

Наиболее распространенным при спайке и лужении медных, бронзовых деталей, через которые проходит течение тока, является припой третник. Температура плавления данной разновидности составляет 190 °C, получается герметичный шов. Зарубежным аналогом считается Sn63Pb37, где соответствующее названию содержание олова к свинцу.

Низкотемпературные припои

Легкоплавкие припои имеют температуру перехода к жидкому состоянию до 450 °C. Применяются радиотехническими соединениями, при спайке проводов, других работах. Основные составляющие таких изделий пайки имеют сплавы олова, свинца, кадмия или висмута. В процессе обезжиривания, лужения технических плат имеют место сплавы Вуда или Розе. Такие вещества переходят в жидкое состояние уже на отметке 70 °C.

Металлы имеют различную температуру плавления, важно ознакомиться с составом припоя перед покупкой.

1. Олово представляет собой легкоплавкий металл, который растворяется серной или соляной кислотой. Плавится металл на отметке 232 °C, воздействие стандартных комнатных температур не влияет на него, однако при отметке -50 °С разрушается составная кристаллическая решетка.
2. Свинец является популярным ввиду своей легкоплавкости, хорошо поддается обработке. Окисляется только поверхность, на которую происходит воздействие окружающего воздуха.
3. Кадмий используется в антикоррозийных целях при пайке изделием из олова и свинца. Сам материал токсичен, плавится при отметке 321 °С.
4. Висмут добавляется в состав ввиду растворимости серной кислотой, азотной средой.

Наиболее удобная форма выпуска для пайки радиодеталей – проволока диаметром 2-2,5 см. Составом современных изделий является канифоль, которая выступает ролью флюса.

Марки мягких припоев для пайки паяльником

Мягкие припои применяются совместно с электрическим паяльником и флюсом. Входящее в состав олово является экологически чистым продуктом, может применяться к соединению элементов пищевой промышленности. Наиболее распространенным является изделие пайки третник, получивший свое название из-за содержания трети свинца составом. Мягкие припои подразделяются на разновидности в соответствии с назначением, температурой плавки.

Низкоплавкие припои используются для пайки чувствительных к перегреву деталей, таких как предохранители, транзисторы. В состав входят свинец, олово, висмут и кадмий, последний материал токсичен, применяется не во всех сферах деятельности. Плавление изделий Вуда начинается с самой низшей температуры – 69 °C.

Отечественные марки продуктов имеют маркировку ПОС, с добавлением некоторых веществ наименование изменяется. К примеру, ПОСВ – 33 имеет равные части свинца, олова и меди, применяется к латунным, медным деталям, требующим герметичного шва.

Основные технические характеристики мягких припоев для пайки

электрическим паяльником

Технические характеристики материалов, применяемых к пайке, разделяются на некоторые параметры:

• проводимость или удельное электрическое сопротивление составляет 0,1 ом на метр. Припой оловянно – свинцового типа проводит электрический ток на порядок хуже, чем алюминий или медь;
• прочность при растяжении измеряется кг/мм, низкотемпературные припои не включают в себя данный параметр, т.к. не рассчитаны на нагрузку. Параметр зависит от количества олова, чем его больше, тем выше число. К примеру, припой марки ПОС – 61 имеет прочность 4,3 кг на мм, а ПОС – 90 4,9 кг/мм.
• температура плавления зависит от назначения, составных частей.

Флюс для пайки паяльником

Вспомогательное вещество, которое способствует растеканию материалов пайки по поверхности спаиваемых деталей — флюс. Качественное соединение создают припои и флюсы, без одной из составляющих пайка невозможна. Распространенным видом флюса является канифоль, производимая из твердых пород хвойных деревьев. Размягчение происходит при 50 °С, а при достижении температуры 250 °C, процесс переходит в кипение состава.

Флюс для пайки алюминия

За счет гидролизами, предусмотренной при изготовлении канифоли, материал не устойчив к воздействию атмосферной среды. После пайки необходимо удалить остатки флюса, т.к. соединение может подвергаться процессу окисления. Впитывая влагу из атмосферы, канифоль может нарушить работу радиотехнических составляющих.

Популярные флюсы для пайки электрическим паяльником

Пайка металлических соединений происходит с применением различных веществ. Флюсы делятся на три основные категории, отличающиеся областью применения, способом приготовления. Процесс подготовки элементов к работе может быть разным, после пайки необходимо удалять остатки описанным инструкцией способом.

1. Не активные канифольные флюсы применяются при пайке меди, других разновидностей мягких металлов. Существует светлая канифоль, которая готова к применению и не включает дополнительные вещества. Спирто – канифольный раствор производится из составляющих концентрацией 1 к 5. Используется при спайке в труднодоступных местах, производится в виде порошка, перед применением необходимо смешать со спиртом. Глицерино – канифольные материалы используется, когда необходимо герметичное соединение.
2. Активные флюсы подходят для пайки драгоценных и цветных металлов, включают хлористый цинк, спирт или вазелин. Последний параметр отличается составной частью, при использовании жидким или пастообразным состоянием. Флюс пастой работать удобнее, возможно наносить прямо на изделие необходимым количеством.
3. Кислотно активный флюс подразделяется на хлористо – цинковый, ортофосфорную кислоту. Исполняется в виде жидких растворов или пасты, с применением канифоли, хлористого цинка, спирта или вазелина.

Ортофосфорная кислота состоит из воды, этилового спирта и самой кислоты плотностью 1,7. Применяется при спайке нержавеющих материалов, меди, серебра. Флюсы на спиртовой основе требуется хранить в герметичной упаковке. Удобная тара для хранения – баночка из-под лака для ногтей, кисточка не реагирует на активную среду, а крышка позволяет плотно закрыть емкость, избегая испарения составляющих.

Паяльные пасты тиноль для пайки

Из предлагаемых веществ имеются паяльные пасты, которые выпускаются с флюсом смешанным видом. Применяется при монтаже бескорпусных элементов, труднодоступных местах. Нанесение происходит специальной лопаткой, затем прогрев электрическим инструментом. Результатом можно наблюдать надежное, качественное соединение, активно используется начинающими мастерами при отсутствии подобающего опыта.

Возможно приготовить сплав для пайки своими руками, для этого понадобится припой, требуемый элементом. Напильником со средней зернистостью измельчается олово для пайки в виде проволоки до состояния металлической крошки. К составу прибавляется флюс, выбранный из вышеперечисленных в жидким состоянии, после этого элементы смешиваются. Изготавливать состав требуется в небольшой емкости, срок хранения ограничен 6 месяцами, после этого происходит окисление металла кислотной средой.

Использование сплавов оловянно свинцовой группы

Процесс пайки представляет собой соединение нескольких металлизированных частей между собой. Температура воздействия при этом не превышает критический порог, при котором происходит разрушение деталей или плат. Основными задачами использования изделий пайки, является обеспечение максимально ровной температурной вязкости, при которой происходит равномерное растекание по поверхности.

Олово для пайки применяется достаточно часто, материал служит составляющей наибольшего количества припоев. В чистом виде металл очень дорог, применяется для спайки важных изделий, элементов. Разделяются по категориям с применением свинца и без него.

Свинцовые припои

Различные материалы для пайки применяются с использованием свинца. Материал отличается легкоплавкостью, мягок и легко поддается обработке. Легко растворяется в щелочной среде, кислотных примесях.

Наиболее популярными в использовании считаются изделия с маркировкой ПОС. Процентное содержание элементов позволяет работать с разными средами и материалами. Отличаются температурными показателями и другими параметрами, которые важны для надежного соединения. К свинцовым соединениям добавляются цинк, висмут или сурьма, которые обеспечивают защиту от окисления и других разрушающих факторов.

Как выбрать припой

Основной задачей перед мастером стоит создание качественного, надежного крепления, которое прослужит продолжительное время. Выбор припоя происходит по следующим параметрам:

• Материалы, которые подвергаются обработке. Необходимо точно ознакомиться с характеристиками материалов, подвергаемых спайке. Существует температурный порог плавления хрупких элементов, транзисторов, конденсаторов и т.д. Радиолюбителями применяются легкоплавкие вещества.
• Состав припоя подбирается по параметрам толщины, назначения изделия. При спайке проводов, других крупных элементов, возможно применение тугоплавких элементов.
• Некоторые случаи требуют выбора оптимальной токопроводности. Сопротивление олова меньше, чем свинца, на высокочастотных платах используется более дорогие марки припоя.

В любой ситуации, необходимо щепетильно относиться к соответствию параметров пайки и изделия. Для спайки используются качественные изделия, цена на них не высока, а выбор на рынке огромен.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Припои свинцовые и бессвинцовые BalverZinn/Cobar

Компания Balver Zinn (Германия) много лет занимается производством специальных сплавов олова для пайки. Применение хорошего сырья, отлаженные технологии и квалифицированный персонал — все это способствует выпуску качественных припоев заданного состава и со стабильно высокой чистотой в каждой партии. 

Требования к чистоте сплавов для производства электроники регламентируется различными стандартами, например IPC-J-STD-001. Для практического применения приводим общую техническую информацию по составу и свойствам различных сплавов для пайки электроники.

В первом приближении все припойные сплавы для сборки электроники можно разделить на свинцовые и бессвинцовые. Все сплавы такого типа состоят из олова (Sn), к которому добавлены один или несколько других элементов — свинец (Pb), серебро (Ag), медь (Cu). Также для улучшения свойств могут вводиться незначительные по количеству (0,06…0,0055%) добавки никеля (Ni) и германия (Ge). Кроме стандартных сплавов, существуют припои для особого применения, например Sn63PbP (добавлен фосфор) для установок нанесения покрытия HASL. 

В установках волновой и селективной пайки наиболее часто применяются эвтектические сплавы Sn63Pb37 с температурой плавления +183 °C и Sn99,3Cu0,7 (патентованное название такого сплава SN100C) с температурой плавления +227 °C. Нередко в установках групповой пайки можно встретить неэвтектический сплав ПОС-61 (примерный состав Sn61Pb39 плавится в интервале +183…190 °С). В связи с применением припоев типа ПОС следует отметить важность достаточной чистоты расплава в процессах групповой пайки, даже примеси в доли процента могут существенно влиять на температуру плавления, вязкость расплава, смачивающую способность и в целом на качество пайки.

Пример влияния различных примесей на свойства оловянно-свинцовых припоев:

• Ag (серебро). Критическое значение Ag составляет 0,2%. Если это значение превышено, будет происходить формирование интерметаллического соединения Ag3Sn, что придаст паяным соединениям тусклый внешний вид. Однако содержание Ag до 2% не приведет к плохому результату пайки. Растворимость Ag в припое при +250 °C составляет около 5%.
• Al (алюминий). Al будет окисляться в расплаве. Оксиды Al очень трудно удалить, поэтому резко увеличивается образование шлака, что снизит смачиваемость. Приемлемый уровень Al очень низкий, <0,005%. Следует избегать контакта любых сплавов Al с расплавом припоя, хотя Al и не смачивается из-за оксидной пленки, частый контакт с флюсом и волной приведет к его растворению в припое.
• As (мышьяк). Приемлемый уровень до 0,03%. При более высоких концентрациях он образует интерметаллические соединения AsSn и As2Sn3, что приведет к потере смачиваемости, особенно на поверхности латунных сплавов (CuZn).
• Au (золото). Технически критический уровень Au 0,5%. Попадание Au в припой может происходить из-за растворения NiAu-покрытий площадок печатных плат. Припой становится более вязким, текучесть во время охлаждения снижается из-за образования интерметаллического соединения AuSn4, что также приводит к хрупкости паяного соединения. Растворимость Au в припое при 250 °C составляет около 5%. 
• Bi (висмут). При уровне около 2% Bi придаст паяным соединениям матовый внешний вид. Примесь Bi до 3% не сказывается на свойствах пайки. Большее содержание Bi вызывает значительные изменения в температуре плавления.
• Cd (кадмий). Cd будет окисляться в расплаве. Оксиды Cd очень трудно удалить, в связи с чем увеличивается образование шлака, что резко снижает смачиваемость. Поэтому приемлемый уровень Cd очень низкий, <0,005%.
• Cu (медь). Критическое значение 0,3% для Cu. При превышении уровня 0,2% существенно возрастает образование перемычек, а поверхность паяных соединений становится тусклой. Образуется интерметаллическое соединение Cu6Sn5, что приводит к увеличению вязкости расплава. Растворимость Cu в припое при +250 °С составляет около 0,5%. В расплавах SnPb уровень Cu может быть значительно уменьшен нагревом припоя немного выше точки плавления (+185…187 °С) и отстаиванием при этой температуре несколько часов. Интерметаллические соединения будут собираться в верхней части ванны с расплавом, их можно удалить, осторожно сняв нескольких сантиметров верхнего слоя расплава. Также можно удалять медь из расплава SnPb фильтрацией через сетку из нержавеющей стали при температуре около +190 °C.
• Fe (железо). Растворимость железа при обычной температуре пайки настолько низкая, что нет никакого ощутимого влияния на свойства припоя.
• Ni (никель). Скорость растворения и растворимость никеля при обычной температуре пайки настолько низкая, что нет никакого ощутимого влияния на свойства припоя.
• P (фосфор). Фосфор используется в качестве антиоксиданта припоя. Критический уровень 0,14%, после чего будут значительно меняться смачивающие свойства припоя.
• Sb (сурьма). Критическое значение 0,5% Sb в припое. При более высоких значениях заметно снижается смачиваемость. Например, при уровне в 1% Sb наблюдается сокращение площади распространения на 25%.
• S (сера). Сера придает тусклый внешний вид паяным соединениям даже при очень низких уровнях. Критический уровень S 0,01%. Присутствует в виде SnS или PbS и трудно определяется обычными аналитическими методами.
• Zn (цинк). Zn будет окисляться в расплаве. Оксиды Zn очень трудно удалить, поэтому увеличивается образование шлака, что значительно снизит смачиваемость. Приемлемый уровень Zn очень низкий, <0,005%.

Содержание примесей в припое ПОС-61 (по ГОСТ 21930-76) допускается близким к приведенным выше критическим значениям, а по ряду элементов вообще не нормируется. В зависимости от производителя и марки сплава, в партиях припоя уровень загрязнений может быть как в десятки и сотни раз меньше требований стандартов, так и приближаться к ним вплотную. Поскольку существуют тенденции к росту загрязнений (например, медь с контактных площадок переходит в расплав), то чем чище исходный сплав, тем больше времени он будет набирать примеси при работе в установке до критических значений. К тому же со временем довольно часто снижается содержание Sn (олова). 

Исходя из этих соображений, предпочтительнее загружать в ванну с расплавом изначально более чистый сплав, причем именно эвтектический Sn63Pb37. Это позволит поддерживать состав расплава и уровень примесей в пределах, достаточных для приемлемого качества процесса.

Применение чистых сплавов от надежного производителя поможет уменьшить отходы на образование шлака и повысить качество паяных соединений. Также сократится время на проведение работ по очистке от шлака и коррекции состава припоя. Для своевременного выявления негативных тенденций изменения уровня примесей в расплаве припоя необходимо регулярно выполнять анализ состава, не дожидаясь появления массовых дефектов пайки.

Применение	Бессвинцовые припои					Свинцовые припои
Электроника высокой надежности	SN100C SN100CS (SnCu0,7NiGe)	SCA (SnCu0,7Ag0,3)	SCAN-Ge (SnCuAgNiGe)	Sn96C (SnAg3,8Cu0,7) промышленное использование	серия i-SAC (SnAgCuCoGe)	Batiloy SN63Pb37
Промышленная электроника	припой высокой надежности с низкой стоимостью и слабой тенденцией выщелачивания меди	пополнение ванн систем пайки волной припоя	промышленное использование	SN97C (SnAg3,8Cu0,7) промышленное использование	припой высокой надежности с низкой стоимостью и слабой тенденцией выщелачивания меди	стандартный свинцовый припой
Потребительская электроника

 

Применение	Марка сплава	Плюсы	Минусы
Пайка волной или селективная пайка	SN100C	Разумная цена.  Низкая тенденция формирования шлака.  Не содержит серебра.  Блестящие паяные соединения.  Высокая надежность.	Температура плавления +227 °С.
Пайка волной или селективная пайка	SCAN-Ge	Комбинация сплавов SN100C и SAC.  Различное содержание серебра.  Низкая тенденция формирования шлака.  Блестящие паяные соединения.  Высокая надежность.	Высокая цена.
Пайка волной или селективная пайка	SN-97C	Температура плавления +217…219 °С.  Очень известный припой.	Высокая цена.  Тусклые паяные соединения, тягучесть, полости при усадке.
Высокие температуры	i-SAC	Температура плавления +217…219 °С.  Блестящие паяные соединения.  Мелкозернистая структура.	Высокая цена.

 

Название припоя	Состав	Плотность	Температура плавления, °C	Стандартные температуры, °C
				Пайка волной	Селективная пайка	Погружение
Bi58Sn42	Bi58Sn42	8,7	+139
Sn63Pb37	Sn63Pb37	8,4	+183	+250	+250…280	> +280
SN96C	SnAg3,8Cu0,7	7,5	+217	+265	+290…320
SN100C, SN100CS	SnCu0,7NIGe	7,4	+227	+265	+290…320	> +300
SnCul	SnCu1	7,3	+227	+265	+290…320
SCAN-Ge053	SnCu0,5Ag3NiGe	7,4	+217…219	+265	+292…320
i-SAC	SnAg3Cu0,5CoGe	7,4	+217…219	+265	+294…320
SN97C	SnAg3Cu0,5	7,5	+217…219	+265	+290…320
i-SAC 105	SnAg1Cu0,5CoGe	7,4	+217…227	+265	+293…320
SCA	SnAg0,3Cu0,7	7,3	+217…227	+265	+291…320
SCAN-Ge 0703	SnCu0,7Ag0,3NiGe	7,4	+217…227	+265	+290…320	> +300
SCAN-Ge 071	SnCu0,7Ag1NiGe	7,4	+217…227	+265	+291…320

 

Упаковка
Слитки	1 кг	325×28×15 мм	325×28×15 мм	325×28×15 мм
	4 кг	300×50×40 мм	300×50×40 мм	300×50×40 мм
Слитки с отверстием	3,7 кг	540×50×20 мм	540×50×20 мм	540×50×20 мм
	6 кг	570×48×35 мм	570×48×35 мм	570×48×35 мм
Бруски	1 кг	300×30×15 мм	285×42×12 мм  300×30×15 мм	400×10×10 мм
Проволока		d = 1–3 мм

 

 

Определение припоя

Припоем называют материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов.

ЛУЖЕНИЕ

Под лужением понимают покрытие поверхности металла тонким слоем припоя. Например, лужение медных проводов свинцово — оловянистым припоем при нагреве паяльником с использованием канифоли в качестве флюса. При этом образуется один спай, а не два, как в случае пайки. Луженые провода легко паять.

ТРЕБОВАНИЯ К ПРИПОЮ. СВОЙСТВА

Припои должны отвечать следующим требованиям:

• обладать высокой растекаемостью и смачивающей способностью;

• интенсивно проникать в зазор между деталями;

• обеспечивать прочную связь металлов в зоне спая при статических и знакопеременных нагрузках;

• иметь высокую коррозионную стойкость.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Припои классифицируют по следующим признакам:

Также как и флюсы припои с температурой плавления менее 450°С называют низкотемпературными, а припои с температурой плавления более 450°С — высокотемпературными. Можно классифицировать и иначе (рис. 6).

КАК ВЫГЛЯДИТ ПРИПОЙ?

Припои изготавливают в виде прутков, полос, фольги, проволоки, порошков и паст. Для удобства использования свинцово-оловянистые припои изготавливают в виде трубок, заполненных флюсом.

А КАКАЯ У НИХ ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ?

Температура плавления припоев изменяется в очень широких пределах. Так температура полного расплавления припоя на основе галлия {61% Ga (галлия) — 25% In (индия) — 13% Sn (олова) — 1% Zn (цинка)} составляет 3°С. Есть галлиевые припои и с отрицательной температурой плавления — до минус 10°С. Температура полного расплавления припоя на основе ниобия {80% Nb ниобия — 20% Ti титана} составляет 2260°С.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ И ПАСТООБРАЗНЫЕ, В ВИДЕ ФОЛЬГИ И

ПОКРЫТИЙ

Композиционные припои состоят из смеси легкоплавкого и тугоплавкого порошков; легкоплавкого порошка и тугоплавких волокон или сетки (армированные припои). При пайке такими припоями расплавляется только легкоплавкий порошок. Тугоплавкие компоненты играют роль наполнителя.

Припои в виде пасты представляют собой тонкодисперсные смеси металлических компонентов в виде порошков с размером частиц 10…100 мкм и флюс-пасты. Такие припои наносят пневматическим дозирующим устройством с автоматическим управлением.

В случае широкого некапиллярного зазора припой закладывается в него в виде фольги. Детали могут быть также предварительно покрыты припоем лужением, напылением или в гальванической ванне.

Рис. 6. Температурные интервалы плавления припоев: I– особолегкоплавкие;II– легкоплавкие;III– среднеплавкие;IV– высокоплавкие;V– тугоплавкие

Много ли припоев?

В табл. 2 приведены припои для пайки сталей, меди и медных сплавов, а также алюминия и его сплавов. Для пайки разнообразных и многочисленных конструкционных материалов существует не менее 1000 припоев.

Таблица 2

Припои

		Содержание	Температура, °С
Классификация	Марка	элементов, % по массе		начала плавления	полного расплавления
Свинцово-оловянистые	ПОС61	61Sn, 39Pb	183		190
Свинцовые с серебром	ПСр3	97Pb, 3Ag	300		305
Цинковые с алюминием	Без марки	95Zn, 5Al	380		380
Алюминиевые	34А	66Al, 28Сu, 6Si	525		525
Серебряно-медные	ПСр50	50Ag, 50Cu	779		860
Медно-фосфорные	ПМФ7	93Cu, 7P	714		850
Медно-цинковые	Л68	68Cu, 32Zn	910		940

Для низкотемпературной пайки сталей, меди и медных сплавов применяют свинцово-оловянистые припои. Свинцовые припои с содержанием до 3% Ag применяют для пайки ответственных медных и латунных деталей, работающих при температуре до 150°С. Серебряные припои с медью предназначены для высокотемпературной пайки сталей, меди и ее сплавов. Медно-фосфорные припои применяют как заменители серебряных, так как они дешевле.

Кроме того для высокотемпературной пайки сталей и меди применяют медно-цинковые припои. Стали можно паять и чистой медью, а также припоями на основе никеля.

Как отличаются припои по температуре плавления

Преимущества и недостатки олова

Данный металл практически не используется в строительстве, поскольку не отличается высокой механической прочностью. В основном в настоящее время используют не чистый металл, а его сплавы.

Выделим основные преимущества данного металла. Особое значение имеет ковкость, ее используют в процессе изготовления предметов быта. Например, эстетично выглядят подставки, светильники, выполненные из данного металла.

Оловянное покрытие позволяет существенно снижать трение, благодаря чему изделие защищено от преждевременного износа.

Среди основных недостатков данного метала можно упомянуть его незначительную прочность. Олово непригодно для изготовления частей и деталей, предполагающих существенные нагрузки.

Паяльная паста

Пайку наиболее часто осуществляют с использованием припоя и флюса. В целях качественного выполнения работы необходимо выбирать правильную марку сплава для каждой конкретной задачи.

Паста отличается от обычного припоя тем, что в ней содержится сразу два компонента: припой и флюс, что значительно ускоряет процесс спаивания деталей, особенно когда речь идет о smd элементах.

Любая паста представляет собой густую плотную смесь различных веществ. Она получила широкое распространение в промышленности. Производители электроники активно используют ее на своем производстве.

В зависимости от состава пасты различают следующие виды:

• отмывочные;
• водорастворимые;
• галогеносодержащие;
• безотмывочные;
• без галогенов.

Ее свойства определяются типом флюса, который в нее добавляют. Если речь идет о первом типе, тогда там используется канифоль. Чтобы очистить изделие от такой пасты применяют растворитель.

Важно выбирать правильную пасту в зависимости от выполняемой работы. Например, если предстоит паять множество мелких деталей на плате, тогда лучше отдать предпочтение более густой пасте

Для качественной пайки необходимо произвести подготовительные работы. Плату следует очистить и обезжирить. Все контакты следует залудить, используя легкоплавкий припой.

При использовании платы большого размера целесообразно использовать нижний подогрев. Это лучше всего осуществить с помощью паяльной станции. Также в этих целях можно использовать термофен или другие средства, чтобы обеспечить нагрев до 150°С. Если об этом не позаботиться, тогда ее может «повести».

После окончания работы все излишки пасты удаляются, что можно легко осуществить с помощью паяльника с различными насадками.

Температура плавления олова делает этот материал отличным припоем для пайки. Особо широкое распространение получили припои марки ПОС. Они используются и в промышленности, и в частных мастерских, и радиолюбителями.

Множество марок данного припоя позволяет выбрать необходимый сплав, который идеально подойдет для решения практически любой задачи.

Оловянные кислоты

Гидраты двуокиси олова носят название оловянных кислот и известны в двух модификациях: в виде α-оловянной кислоты и в виде β-оловянной кислоты. α-Оловянная кислота H₂SnO₃может быть получена действием водного раствора аммиака на раствор хлорного олова SnCl₄.

Образование выпадающего белого осадка обычно выражают уравнением

SnCl₄+ 4NH₄OH = ↓ H₂SnO₃ + 4NH₄Cl + H₂O

При высушивании осадок постепенно теряет воду, пока не останется чистая двуокись олова. Таким образом, никакой кислоты определенного состава получить не удается. Поэтому приведенная выше формула α-оловянной кислоты является лишь простейшей из возможных. Правильнее было бы изобразить состав этой кислоты формулой mSno₂ • nН₂O.

α-Оловянная кислота легко растворяется в щелочах, образуя соли, содержащие комплексный анион [Sn(OH)₆]— и называемые станнатами:

H₂SnO₃ + 2NaOH + h3O = Na₂[Sn(OH)₆]

Станнат натрия выделяется из раствора в виде кристаллов, состав которых можно выразить также формулой Na₂SnO₃ • 3Н₂O. Эта соль применяется в качестве протравы в красильном деле и для утяжеления шелка. Шелковые ткани, обработанные перед крашением растворами соединений олова, иногда содержат олово в количестве до 50% от веса ткани.

Кислоты также растворяют α-оловянную кислоту с образованием солей четырехвалентного олова. Например:

 H₂SnO₃ + 4НСl ⇄ SnCl₄ + 3Н₂O 

При избытке соляной кислоты SnCl₄ присоединяет две молекулы НСl, образуя комплексную хлороловянную кислоту H₂[SnCl₆]. Аммониевая соль этой кислоты NH₄[SnCl₆] имеет то же применение, что и станнат натрия.

Разновидности припоев

Припой не всегда обязательно приобретать. Можно использовать старую радиодеталь и собрать его с дорожек платы при помощи жала паяльника. Такой вариант отлично подойдет тем, кто живет далеко от города, где нет возможности приобрести материал в магазине.

Стандартные свинцовые припои.

Однако они бывают разные и отличаются своими свойствами и характеристиками. В связи с этим каждый опытный мастер должен разбираться в данном вопросе. Для спаивания деталей необходимо использование специальных сплавов – припоев.

Последние обладают более низкой температурой плавления, чем отдельные части изделий.

Подобные сплавы делятся на две основные категории в зависимости от температуры плавления: мягкие и твердые. Первый тип широко используется в радиоэлектронике, как любителями, так и профессионалами.

К легкоплавким относят припои с температурой плавления менее 450°С. Их изготавливают из: галлия, индия, олова, висмута, свинца и кадмия. Высокотемпературные плавятся при нагреве, превышающем 450°С. В любом случае он представляет собой, как правило, сплав, состоящий из нескольких металлов и примесей.

Самым распространенным вариантом является оловянно-свинцовый сплав, который называется ПОС. Числа, стоящие после аббревиатуры, свидетельствуют о процентном содержании олова.

Отличить один сплав от другого можно и не зная марки. Например, при большем содержании олова появляется характерный металлический блеск, а при большей концентрации свинца цвет становится темно-серым.

Кроме того, температура плавления ПОСов не превышает 265°С. Еще одной отличительной особенностью сплавов с большей долей свинца является их пластичность и возможность легко согнуть руками.

Классификация сплавов осуществляется в соответствии с ГОСТами.

Физико-механические свойства припоев.

Наиболее распространенными являются:

• припой ПОС 90;
• ПОС 61;
• ПОС 40;
• ПОС 30.

На самом деле маркировок существенно больше. Их насчитывается несколько десятков. Каждая записывается таким образом, что уже из ее названия становится понятен состав сплава, все изготавливаются по ГОСТу 21930-76 припой оловянно-свинцовый.

Стоит отметить, что сплавы отличаются между собой не только химическим составом. В зависимости от формы выпуска они бывают в чушках, проволоке, трубке с канифолью или в прутке.

Например, припой ПОС 61 может продаваться в прутках или в форме проволоки различного диаметра. Необходимо понимать, что соотношение свинца и олова влияет на температуру плавления. Данный параметр в большей мере определяет выбор необходимого сплава.

Кроме того, сплав может выпускаться с флюсом, например, с ФРК525-2-Т1 – безгалоидным канифольным флюсом низкой активности.

В данном флюсе отсутствуют галогены. Благодаря этому факту он оказывает значительно меньше вреда на здоровье мастеров.

Использование сплавов различных марок определяется сферой их применения. ПОС тридцать и сорок относятся к мягким. Их температура плавления не превышает 300°С. Применяются в соединении оцинкованных изделий, лужения, ремонта электроприборов и т.д.

Плавка припоя

Если вы решили обойтись без старинных рецептов, запасайтесь вот какими материалами:

• емкость с водой;
• древесная смесь с углем;
• бура;
• тигель и железный крюк.

Состав припоя и его температура плавления.

Металлы плавим в тигле, который нужно поместить в горн или нагревать его паяльной лампой. Во время расплавки обязательно добавляем буру

Важно знать и выполнять четкую очередность процесса. Главное – плавить первым делом тугоплавкие металлы, и только потом – легкоплавкие

Жидкие металлы постоянно перемешиваются в тигле крюком или деревянной палкой. Процесс лучше разделить на два этапа. Тигель с расплавленными металлами вынимают из горна, а металл соединяют с водой. Образующиеся при этом мелкие капли металла высушивают и снова переплавляют, добавив буры.

После окончательного расплавления припой переливаем в форму. Когда он застынет, прокатываем его в полосы.

Важнейшая часть процесса пайки серебром в домашних условиях – переход сплава из жидкого состояние в твердое. Сначала смесь плавится, а затем отливается в ингус.

Подготовка ложки заключается в следующем: на ее дно кладется картон прямоугольной формы, поверх него – пластина, чтобы ее края обворачивали края ложки. Картонные листы тщательно обжимаются, образуя ложе вогнутой формы.

Лом с пробой 875 смешивается с остальными частями. В качестве флюса выступает бура.

Пропорция серебра пробы № 875 и меди составляет ровно 4:1 (три медных пятака и один полтинник), буру добавляют из расчета одна часть на десять частей шихты.

Ингус или другую форму смазывают воском и ставят рядом с горелкой. Дело в том, что расплав ни в коем случае не должен остывать. Поэтому его выливают в хорошо нагретый ингус. Затем форму отправляют под холодную воду для охлаждения. Остывший брусок вынимается.

Технические характеристики припоев ПОС и ПОССу

Чтобы не расписывать все технические характеристики припоев оловянно-свинцовой группы, просто приведу таблицу параметров. По ней можно определить температуру плавления, плотность, удельное электросопротивление, теплопроводность, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударную вязкость и твердость по Бринеллю припоев.

Анализ таблицы показывает, что самым легкоплавким среди списка является кадмиевый с характеристикой по температуре плавления 145 градусов Цельсия. Самым прочным является припой для пайки ПОССу 4-6 с временным сопротивлением разрыву 6,5 кгс/кв. мм.

Низкотемпературные припои

Среди припоев существуют и такие, которые предназначены специально для пайки компонентов очень чувствительных к перегреву. Самым «высокотемпературным» среди низкотемпературных является ПОСК-50-18. Он имеет температуру плавления 142–1450C. В своём составе ПОСК-50-% олова и 18% кадмия. Остальные 32% приходится на свинец. Наличие в сплаве кадмия усиливает устойчивость к коррозии, но и придаёт ему токсичность.

Далее по убыванию температуры плавления идёт сплав РОЗЕ (Sn 25%, Pb 25%, Bi 50%). Маркируется как ПОСВ-50. Температура его плавления ниже температуры кипения воды и составляет 90 – 940C. Он предназначен для пайки меди и латуни. В составе сплава РОЗЕ олово занимает 25%, свинец – 25%, висмут – 50%. Процентное соотношение металлов в сплаве может немного отличаться. Обычно указывается в графе «Состав» на упаковке.

Этот сплав очень популярен у радиомехаников и вообще у всех электронщиков. Применяют его для демонтажа/монтажа чувствительных к перегреву элементов. Кроме всего прочего, данный сплав идеально подходит для лужения медных дорожек только что изготовленной печатной платы.

Находит применение в плавких защитных предохранителях, которые можно обнаружить в любой радиоаппаратуре.

Ещё более низкотемпературным является сплав ВУДА (Sn 10%, Pb 40%, Bi 40%, Cd 10%). Его температура плавления 65 – 720C. Так как в сплаве ВУДА присутствует кадмий (10%), то он токсичен, в отличие от сплава РОЗЕ.

Стоит отметить, что сплавы РОЗЕ и ВУДА достаточно дороги.

Элементы: Кричащий металл – олово

Дата: 14.08.2019

Олово известно человеку с самых древних времён. О нём есть упоминание в Библии. Так как олово и медь были открыты много раньше железа, их сплав – бронза, возможно, самый первый «искусственный» материал, сделанный человеком. Относительно чистое олово было получено в 12 веке.

Олово (Sn) в Таблице Менделеева

До этого оно всегда содержало какое-то количество свинца. Слово олово – славянского происхождения. Международное название этого элемента – stannum – из латинского языка и обозначается символом Sn. В Таблице Менделеева олово стоит под номером 50, c атомной массой 118, 710 а. е. м. При нормальных условиях это пластичный и легкоплавкий металл серебристо-белого цвета.

При нормальных условиях олово — мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета.

Несмотря на то, что олово известно с незапамятных времён, его аллотропные разновидности были открыты относительно недавно. Аллотропией (от др.-греч. ἄλλος «другой» + τρόπος «свойство»)  в химии и геохимии называют способность одного химического элемента при определённых условиях являться в двух и более видоизменных формах, иногда настолько отличающихся друг от друга по свойствам, что их принимают за  разные вещества. Олово тому ярчайший пример, а незнание свойств его аллотропных разновидностей  приводило иногда к трагическим последствиям. В обычных условиях олово существует в виде т.н. β-модификации (белое олово или β-Sn), устойчивой выше +13,2 °C. Плотность β-Sn равна 7,2 г/см3. При сгибании прутков этой разновидности слышен характерный хруст, который называют «оловянный крик», издаваемый от взаимного трения кристаллов. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию (серое олово или α-Sn). Серое олово образует кристаллы со структурой похожей на алмаз.  Но, при этом,  переход β-Sn в α-Sn сопровождается увеличением удельного объёма на 25 %, и, как следствие, уменьшением плотности α-Sn до 5,7 г/см3, что приводит к рассыпанию олова в порошок. При температуре −33 °C скорость превращений максимальна. Более того, соприкосновение серого и белого олова приводит к «заражению» последнего и его рассыпанию. В 1911 году совокупность этих явлений немецкий химик и минералог Эрнст Коген назвал «оловянной чумой». В 1912 году из-за «оловянной чумы» погибла экспедиция Роберта Скотта к Южному полюсу, которая осталась без горючего из-за того, что швы топливных баков были запаяны белым оловом, но в условиях низких температур оно перешло в серую разновидность и рассыпалось.

Олово — редкий рассеянный элемент, по распространённости в земной коре  занимает 47-е место со средним содержанием 8 г/т.  Главный промышленный минерал олова — касситерит SnO₂.

Кристаллы касситерита SnO₂, разм. 5х4,5х4 см. Провинция Юньнань, Китай.

Второстепенное значение имеют: станнин Cu₂FeSnS₄,  тиллит PbSnS₂ и другие минералы. Основные мировые месторождения олова находятся в Китае, Индонезии, Бразилии, России, Боливии.   В России запасы оловянных руд расположены на Дальнем Востоке.

Главные промышленные применения олова — изготовления тары для пищевых продуктов, припои для электроники, подшипниковые сплавы.

Заключение

Увеличение внимания современного производства к вопросам, связанным с охраной окружающей среды, а также к проблемам, связанным с сохранением здоровья населения, повлиял на состав материалов, применяемых в изготовлении электроники. Например, возрос интерес к технологии бессвинцового процесса пайки. Свинец является материалом, приносящим существенный вред здоровью человека, поэтому его перестали применять в электротехнике. Ужесточились требования к пайке, вместо опасного свинца стали использовать сплавы олова.

Чистое олово практически не используется в промышленности, поскольку возникают проблемы с развитием «оловянной чумы». Среди основных сфер применения данного редкого рассеянного элемента выделим изготовление сверхпроводящих проводов.

Покрытие чистым оловом контактных поверхностей позволяет увеличивать процесс пайки, защищать металл от процесса коррозии.

В результате перехода на бессвинцовую технологию многих производителей стали ими начало использоваться натуральное олово для покрытия контактных поверхностей и выводов. Подобный вариант позволяет по приемлемой стоимости получать качественное защитное покрытие. Благодаря отсутствию примесей, новая технология не только считается экологически безопасной, но и дает возможность получать отличный результат по приемлемой стоимости. Именно олово производители считают перспективным и современным металлом в электротехнике, радиоэлектронике.

Оцените статью:

Легкоплавкие сплавы: сплав Розе, Вуда и другие

Смотрите также обзоры и статьи:

Всем привет! С вами магазин Electronoff.ua.

В одном из прошлых выпусков мы спросили, будет ли интересным видео о различных типах припоев, которые не так часто используются в электротехнике и других областях. Получив достаточное количество отзывов об этом (чему мы очень рады!), было принято решение снять об этом видео. 

Итак, это видео мы уделим низкотемпературным сплавам. Расскажем о них, их применении, а потом скажем об одном очень важном нюансе в работе с низкотемпературными сплавами, так что досмотрите до конца.

Самая удивительная вещь в этих сплавах — то, что сами по себе металлы в их составе имеют температуру плавления значительно выше, чем в итоговом сплаве. Но их соединение вместе образует новый материал, разительно отличающийся по свойствам от его составляющих. 

Сплав Розе

Наиболее распространенный сплав — это сплав Розе. Его температура плавления — 94 °C. а состоит он из привычного нам оловяно-свинцового припоя в немного других соотношениях, но с добавлением необычного металла — висмута. Самое популярное соотношение — это 25% олова, 25% свинца и 50% висмута. Добавление такого элемента позволило два раза уменьшить температуру плавления припоя в сравнении с обычным ПОС60. 

Кстати, интересно, что похожий по составу сплав Сплав Ньютона, собственно, сам Ньютон получил еще в 1701 году. У него сплав состоял на 50% из висмута (Bi), 31,2% из свинца (Pb) и 18,8% из олова (Sn). А температура плавления была 97 градусов. 

Сфера применения сплава Розе не ограничивается радиотехникой. Да, в основном его применяют для лужения дорожек на плате (поскольку при такой температуре отсутствует риск их перегреть, чтобы они не отвалились), а еще для безопасного выпаивания компонентов — поскольку даже при смешивании сплава Розе и обычного припоя прямо на плате температура плавления последнего существенно уменьшается. Также он широко используется в плавких электрических предохранителях. Но, кроме этого, многие используют сплав в литье различных статуэток, других предметов исскуства и даже технологических изделий. 

Сплавом Розе не рекомендуется паять платы по понятной причине — для большинства радиодеталей 95 градусов — высокая, но вполне допустимая рабочая температура. Расплавление припоя при такой температуре ни к чему особо хорошему не приведет. При нагреве наши детали будут, скажем так, самостоятельно вываливаться с платы для охлаждения.

Сплав Розе похож на сплав Вуда (о нем мы скажем далее), но отличается от него меньшей токсичностью, так как не содержит кадмий. 

Сплав Вуда

Сплав Вуда практически так же широко популярен, как и сплав Розе. Он имеет еще меньшую температуру плавления (около 68°С), так что мог бы быть еще более популярным, если бы не один важнейший недостаток — кадмий в его составе является канцерогеном, он очень вреден и опасен для здоровья, особенно пары его оксида, которые как раз и выделяются при пайке.

Тем не менее, в радиолюбительской практике он также используется для лужения плат (это можно делать даже просто в горячей воде с раствором лимонной кислоты, растирая шарики сплава по плате). А еще его используют в художественном литье — поскольку усадка материала хоть и косвенно, но зависит от температуры, до которой он был нагрет, то минимальный перепад этих температур позволяет не принимать во внимание эффект усадки, настолько он мал. С помощью сплава Вуда можно отлить очень точные копии деталей.  Широко используют его свойство, заключающееся в удалении сплава горячей водой. Например, таким способом изгибают трубы с тонкими стенками, которые при изгибе без спецсредств будут деформированы, т.е. изомнутся, по меньшей мере, в неравномерный гофр. Чтобы не допустить такую деформацию, трубы внутри заполняют сплавом, который сдерживает гофрообразование. Затем, после сгибания трубы, сплав легко удаляется, вытекая наружу при нагреве. По этой же причине сплав применяется и в гальванопластике, где он заполняет полости в металлических изделиях.

Детали из сплава Вуда можно найти и датчиках, реагирующих на температуру, как правило, это датчики противопожарной сигнализации.
Практически идентичным по составу, но обладающим еще меньшей температурой плавления есть сплав Липовица. Он плавится уже при 60°С.  В его составе 50% висмута, 26,7% свинца, 13,3% олова и 10% кадмия.

Сплав Филдса

Интересен еще сплав Филдса — он представляет собой легкоплавкий сплав, который становится жидким при температуре около 70 °C. Назван в честь его изобретателя Саймона Келлена Филдса. Это эвтектический сплав висмута, индия и олова со следующими процентами по массе: 58% висмута, 17% индия, 25% олова. Имея практически такую же температуру плавления, он значительно безопаснее — вместо кадмия в составе используется индий. Правда, стоит он значительно дороже. Дорого, зато безопасно. Но у нас приобрести достаточно проблематично как сам индий, так и сплав Филдса.

Кстати, индий применяется для приготовления легкоплавких сплавов, используемых в плавких предохранителях (термоограничителях), терморегуляторах, спринклерах и других системах пожарной сигнализации. Сплав Вуда с добавкой индия применяется для соединения стекла со стеклом и металла со стеклом. 

Оловянно-висмутовый сплав

Популярным в Японии есть специальный оловянно-висмутовый припой. В его составе нет свинца, а висмут намного менее опасный для окружающей среды и человека. При этом температура плавления такого припоя меньше, чем у ПОС, около 139°С — это значит, что и для пайки деталей он более безопасный. По сути, это бессвинцовый припой, только с ним обращаться не сложнее, как с привычным нам оловяным, а наоборот, легче. Почему такой припой не стал популярным везде? Висмут — достаточно редкий и дорогой материал, так что такой припой обходится значительно дороже обычного. Японцы — педантичный и перфекционистичный народ, они могут пожертвовать ценой ради качества, чего не скажешь об остальном мире. 

Почему не стоит паять легкоплавкими припоями 

А теперь тот самый важный нюанс, о котором мы хотели сказать. И оловянно-висмутовый припой, и все другие легкоплавкие сплавы не любят смешивания с обычным оловяно-свинцовым (и наоборот). И при пайке ими возникают весьма неприятные последствия для работоспособности платы и радиодеталей. Дело в том, что если, например, к контакту детали на плате при запайке или выпайке добавить даже небольшую часть низкотемпературного сплава, его температура плавления резко упадет практически до предела плавления сплава. Естественно, это спровоцирует потерю прочности и разжижение контакта при нагреве.

Особенно плохая ситуация получается при лужении плат легкоплавным сплавом, поскольку он ложится на дорожки тонким слоем, который потом не полностью перемешивается с обычным припоем на контактных площадках выводных и SMD-деталей. При нагреве этот тонкий слой плавится и деталь может попросту отвалится.

Очень подробно этот эффект и то, почему не рекомендуется паять сплавами Розе, Вуда и другими (или паять, но придерживаясь определенных правил), описан в статье на информационном ресурсе Хабр, которую мы прикладываем в описании. В ней доходчиво объясняются все нюансы, которые мы не сможем вместить в видео. 

На этом, в общем-то, все. Мы рассмотрели популярные сплавы с низкой температурой плавления и зачем они нужны. С вами был интернет-магазин Electronoff, до следующих видео! 

Поделиться в соцсетях

Определение характеристик плавления и затвердевания припоев с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии

1.

R.J. Кляйн Вассинк: Пайка в электронике , 2-е изд., Electrochemical Publications, British Isles, 1989.

Google Scholar

2.

R. Strauss: Surface Mount Technology , Butterworth-Heinemann, Oxford, United Kingdom, 1994.

Google Scholar

3.

H.D. Броуди и М. Флемингс: Пер. TMS-AIME , 1996, т. 236. С. 615–24.

Google Scholar

4.

R.J. Claxton: J. Met. , 1975, т. 27 (2), стр. 14–16.

CAS Google Scholar

5.

Г. Фортина и А. Ансельми: Aluminio , 1979, т. 48 (4), стр. 179–87.

CAS Google Scholar

6.

Л. Бакеруд, Э. Крол и Дж. Тамминен: Характеристики затвердевания алюминиевых сплавов, Vol. 1: Кованые сплавы , Skan Aluminium, Осло, Норвегия, 1986.

Google Scholar

7.

A. Roosz and H.E. Экснер: Acta Metall. Матер. , 1990, т. 38 (2), стр. 375–80.

Артикул CAS Google Scholar

8.

S.-W. Чен, Ю.-Й. Чуанг, Ю.А. Чанг, М.Г. Чу: Металл. Пер. А , 1991, т. 22А, стр. 2837–48.

CAS Google Scholar

9.

S.-W. Чен и Ч.-К. Хуан: Acta Mater. , 1996, т. 44 (5), стр. 1955–65.

Артикул CAS Google Scholar

10.

S.-W. Чен и С.-К. Дженг: Металл. Матер. Пер. А , 1996, т. 27A, стр. 2722–26.

CAS Google Scholar

11.

S.-W. Чен и С.-К. Дженг: Металл. Матер. Пер. А , 1997, т. 28А, стр. 503–04.

CAS Google Scholar

12.

Б. Кантор: J. Термический анализ , 1994, т. 42. С. 647–65.

Артикул CAS Google Scholar

13.

P.T. Вианко и Д. Frear: JOM , 1993, т. 45 (7), стр. 14–19.

CAS Google Scholar

14.

К. Мелтон: JOM , 1993, стр. 33–35.

15.

J. Glazer: Int. Матер. Ред. , 1995, т. 40 (2), стр. 65–93.

CAS Google Scholar

16.

D.R. Frear: JOM , 1996, т. 48 (5), стр. 49–53.

CAS Google Scholar

17.

M.T. Маккормак, Ю. Дегани, Х.С. Чен и В.Р.Гесик: JOM , 1996, стр.54–56.

18.

Х. Берг, Г. Ганесан и Г. Льюис: Adv. Упаковка , 1996 г., т. 5 (3), стр. 18–22.

Google Scholar

19.

A.P. Gray: in Analytical Calorimetry , R.S. Портер и Дж. Ф. Джонсон, редакторы, Plenum Press, New York, NY, 1968, стр. 209–18.

Google Scholar

20.

И. Каракая и В.Т. Томпсон: в Справочник ASM , т.3, Alloy Phase Digrams , H. Baker, ed., ASM INTERNATIONAL, Materials Park, OH, 1992, p. 2.335.

Google Scholar

21.

Х. Окамото: в ASM Handbook , vol. 3, Фазовые диаграммы сплавов , Х. Бейкер, изд., ASM INTERNATIONAL, Materials Park, OH, 1992, p. 2.106.

Google Scholar

22.

I. Karakaya и W.T. Thompson: в Справочник ASM , vol.3, Фазовые диаграммы сплавов , Х. Бейкер, изд., ASM INTERNATIONAL, Materials Park, OH, 1992, p. 2.37.

Google Scholar

23.

М.Р. Барен: в ASM Handbook , vol. 3, Фазовые диаграммы сплавов , Х. Бейкер, изд., ASM INTERNATIONAL, Materials Park, OH, 1992, p. 2.31.

Google Scholar

24.

Э. Янеке: З. Металл. 1937, т.29 (11), стр. 367–73.

CAS Google Scholar

25.

T.-H. Хо, В. Хофманн и Х. Ханнеманн: Z. Metall. 1953, т. 44. С. 127–29.

CAS Google Scholar

26.

Р.Б. Гершман: Ж. Физ. Х., Москва , 1958, т. 32 (1), стр. 12–18.

CAS Google Scholar

27.

Н.А.Гекчен: в ASM Handbook , vol. 3, Alloy Phase Digrams , H. Baker, ed., ASM INTERNATIONAL, Materials Park, OH, 1992, p. 2.103.

Google Scholar

28.

A. Bolcavage, S.-W. Чен, К.Р. Као, Ю.А. Чанг и А.Д.Ромиг мл.: J. Phase Equilibria , 1993, т. 14 (1), стр. 14–21.

CAS Google Scholar

29.

В.К. Маркотт: IBM East Fishkill, Нью-Йорк, частное сообщение, 1990.

30.

S.-W. Чен, Ю.А. Чанг: Металл. Пер. А , 1991, т. 22А, стр. 267–71.

CAS Google Scholar

Выбор правильной температуры пайки и паяльника

При пайке, уделив должное время подготовке, можно предотвратить ошибки, которые легко могут стать опасными для здоровья. Вот почему следует тщательно продумать выбор правильной температуры пайки и паяльника.

Температура плавления припоя в основном зависит от состава сплава. Свинцовые припои обычно плавятся при температуре от 180 до 190 249 0 90 250 C (см. Таблицу 1). Некоторые «эвтектические» сплавы даже имеют точную температуру плавления. Однако в коммерческом секторе использование свинцовых припоев широко запрещено с 2006 года, поскольку свинец токсичен, накапливается в организме в течение длительного периода времени и выводится из него очень медленно. В зависимости от количества свинца интоксикация может вызвать головные боли, усталость, исхудание и бесплодие, а также нарушения образования клеток крови, нервной и мышечной ткани.Таким образом, при пайке свинцовыми сплавами очень важно обеспечить хорошую вентиляцию и по возможности удалить паяльный дым.

Бессвинцовые сплавы имеют более высокую температуру плавления

Однако у большинства бессвинцовых припоев есть обратная сторона — плавление только от 217 ⁰ ° C и выше. Это означает, что паяльник должен иметь гораздо более высокую тепловую мощность. И чем горячее кончик утюга, тем выше риск обжечь пальцы, если не соблюдать осторожность.Кроме того, если вы слишком долго удерживаете наконечник утюга на одном месте, вы можете гораздо быстрее перегреть компоненты. Таким образом, использование бессвинцового припоя требует значительно большего опыта работы с паяльным оборудованием.

Строители дома должны учитывать использование свинца или бессвинцового припоя в зависимости от области применения. Для небольших работ или при эпизодической пайке компонентов свинцовый припой действительно может подойти.

Флюсы облегчают процесс пайки

Олово для припоя обычно также содержит следы флюса, что помогает припою легче смачивать детали.В зависимости от марки флюс изготавливается на основе канифоли или синтетических смол. Современные составы флюсов с использованием синтетической смолы (например, «Clear» от FELDER) производят лишь небольшое количество выделяемого газа, обеспечивают сверхбыстрое смачивание и не образуют брызг, которые могут легко прилипнуть к печатным платам и компонентам или обжечь руки пользователя. Кроме того, они оставляют только прозрачные остатки, что улучшает внешний вид печатной платы.

Какой паяльник подходит?

Ассортимент паяльников огромен, и один взгляд на нашу подборку паяльных станций, несомненно, подтвердит правоту.Но какой паяльник для чего лучше? Выбор зависит в первую очередь от размера деталей и соединений, поскольку они заранее определяют размер наконечника утюга и требуемую тепловую мощность. Например, производитель паяльного оборудования Weller предлагает пять категорий размеров для своего онлайн-инструментария:

— XS для очень мелких компонентов (0,2-1,25 мм)
— S для мелких компонентов (0,8-1,6 мм)
— M для компонентов среднего размера и универсальных шарниров (1-3 мм)
— L для крупных компонентов (большая масса пайка)
— и XL для очень больших компонентов (большая масса и пайка экранов)

С другой стороны, паяльники также можно классифицировать по мощности, а затем соответствующим образом подбирать для различных применений:

— Иглы для утюга мощностью 5-15 Вт (для SMD-компонентов и тонких проводов)
— Паяльники для тонких паяльников мощностью 15-30 Вт (для типичных электронных приложений)

— Универсальные паяльники на 30-60 Вт (эл.грамм. для кабелей)

— Утюги с регулируемой температурой мощностью 30-60 Вт
— Большие утюги мощностью более 60 Вт (для пайки и демонтажа экранов)
Подробнее здесь.

Защита от электростатического разряда — обязательное условие для чувствительных компонентов

Постоянная миниатюризация электроники приводит к появлению все большего количества компонентов, чувствительных к внешнему напряжению и току. Даже небольшой электрический разряд может повредить некоторые детали. Включение и выключение неонового освещения может вызвать скачки напряжения до 30 В на защитном заземлении электросети, чего достаточно, чтобы вызвать повреждение чувствительной к электростатическому разряду электроники.

Работа с такими чувствительными печатными платами и компонентами требует особой осторожности, чтобы не было разряда из-за разного электрического потенциала между соединением, паяльником и пользователем. Уравнивание потенциалов чрезвычайно полезно. Он начинается с оснащения вашей рабочей станции антистатическим ковриком (включая клемму заземления) и использования браслета (желательно со спиральным шнуром). Конечно, жало и адаптер питания паяльника также должны быть заземлены и иметь такой же потенциал, как и поверхность рабочей станции.Использование специальных антистатических паяльников — еще один хороший способ предотвратить повреждение от электростатического разряда.

599

https://www.reichelt.com/gb/en/Soldering-Irons-WELLER/SP-40N/3/index.html?ACTION=3;ARTICLE=60392;SEARCH=ESD%20SERVICEKIT

Активация / активация

Марка / модель	Технология	Хранение	Время работы	Control	Диапазон температур припоя	Мощность	Минимум	Наибольший	Доставка
					в градусах Цельсия	в ваттах	наконечник	наконечник
Ersa Independent 75	Припой газовый	Зажигалка газовая (баллон 10 мл)	k.A.	Ручной	Макс. 580	15-75	1,0 мм (плоский)	4,8 мм (плоский)	3 разных	пьезоэлектрический воспламенитель
Ersa Independent 130	Газовый припой	Газовая зажигалка (баллон 10 мл)	120 мин.	Ручной	Макс. 580	25-130	1,0 мм (плоский)	4,8 мм (плоский)	4 различных	пьезоэлектрический воспламенитель
Fixpoint 51095	Газовый припой	Газовая зажигалка (бак 6 мл)	20 мин.	Ручной	200-400	к.А.	1,6 мм (круглый)	3,0 мм (круглый)	1,6 мм	пьезоэлектрический воспламенитель
Fixpoint 51096	Газовый припой	Газовая зажигалка (бак 6 мл)	20 мин.	Ручной	200-400	к.А.	1,6 мм (круглый)	2,7 мм (плоский)	5 различных	пьезоэлектрический воспламенитель
Fixpoint 76780	Газовый припой	Газовая зажигалка (баллон 10 мл)	60 мин.	Ручной	250-550	к.а.	2,5 мм (круглый)	5,4 мм (плоский)	2,5 мм	пьезоэлектрический воспламенитель
Weller Pyropen Junior (PP JR)	Газовый припой	Бутан (баллон 6 мл)	60 мин.	Ручной	400-500	20-60	1,0 мм (круглый)	3,0 мм (плоский)	1,0 мм	Зажигалка
Weller Pyropen WP 60	Газовый припой	Бутан (баллон 6 мл)	60 мин.	Ручной	500-1300	к.А.	1,0 мм (круглый)	5,0 мм (плоский)	1,0 мм	Зажигалка
Weller Pyropen Piezo	Газовый припой	Бутан (бак 28 мл)	4 часа	Ручной	350-500 (-1300)		0,5 мм (круглый)	5,0 мм (плоский)		пьезоэлектрический воспламенитель
Weller WHS MC	Аккумуляторная паяльная станция	Аккумулятор LiFePo4	1 ч	цифровой, ЖК-дисплей	100.. 400	50	0,8 мм (плоский)	3,6 мм (плоский)	1,3 мм	Переключатель
Weller WSM 1C	Аккумуляторная паяльная станция	Аккумулятор 12 вольт на входе паяльной станции	к.а.	цифровой, ЖК-дисплей	100 … 400	50	0,2 мм (круглый)	2,2 мм (плоский или клиновидный)	1,3 мм	Переключатель

(PDF) Влияние меди на температуру плавления Sn

(а) (б) (в)

РИСУНОК 5.Оптические микрофотографии (а) сплава Sn-Bi 0,5 мас.% Cu, (б) Sn-Bi-1 мас.% Cu (в)

Sn –Bi-1,5 мас.% Cu.

Величина твердости по Бринелю (2HRB) для сплава Sn42,5-Bi 57-0,5 мас.% Cu составила

, полученная при комнатной температуре при 1,5 мас.% Cu. HRB увеличился до (8HRB),

, в то время как при 1,5 мас.% Cu, резкое увеличение значения твердости (15HRB), эти результаты

были улучшенными, которые мы получили в результате наблюдения микроструктуры. Микроструктура Harding

была вызвана растворением Bi в твердый раствор, богатый Sn (9)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Самая низкая температура плавления Sn41.5-Bi57 с припоем из сплава Cu 1,5 мас.% Составил

, оказалось 134,95 C0. Изменение микроструктуры эвтектического сплава Sn-Bi было

, наблюдаемое после полного плавления и гомогенизации с наилучшей твердостью при размягчении

в виде твердого раствора Bi в твердом растворе, богатом Sn.

БЛАГОДАРНОСТИ

Внешне благодарны всем людям, которые поддерживали, и предоставленным объектам

на протяжении всей этой работы, особенно отделу материального персонала в министерстве науки и технологий

.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Т. Ямамото и др .: «Технология сборки с использованием бессвинцового припоя», FUSITSU Sci.

Tech.S., 43,1, январь 2007 г.

2. IPC-SN-786A, «Процедуры определения характеристик и обращения с влагой, чувствительной к оплавлению», ICS

(Linecolnwood, IL, 1995).

3. MTMC Cormack et al: «Припой с более низкой точкой плавления для поверхностного монтажа, J. ​​Jom

485,1996, стр. 54-56.

4. Cs Ganeson and HMBery, Model and Analysis for Jolder Reflow Cracking Pheromenon in

SMTplastic packages », IEEE Trons, CHMT, G81993, PP.940-948.

5. Роберт Ф. Мель, «Серия металлургии и металлургического машиностроения», Нью-Йорк и Лондон, 1942 г.

6. Мнядзава, Ю. Ариге. Т «Бессвинцовый припой с микроструктурными изменениями и твердостью», ECO

Design apos; Фирс, Международный симпозиум по объемам, выпуск, 3–3 фоб, 1999, стр. 616–619.

7. Massalssci T.B. «Бинарные фазовые биграммы сплавов», Американское общество металлов, парк металлов, Огайо

, 1990, стр.3014-3017.

8. T.B.Массальский, Х. Окамото, П. Субраманион и Л. Кацпшак: «Фазовая диаграмма бинарных сплавов

», второе издание (ASM), международный, парк материалов, 1990, стр.94-97.

9. М. Китадзима и др. «Разработка бессвинцовых припоев на основе Sn-Zn-Al», FUSITSO Sci. Tech

.J., 41.2, PP.225-235,2005.

354

Эта статья защищена авторским правом, как указано в статье. Повторное использование содержимого AIP регулируется условиями по адресу: http://scitation.aip.org/termsconditions. Скачал на IP:

202.177.173.189 On: Wed, 11 Dec 2013 10:09:07

Свойства и микроструктура бессвинцовых припоев Sn-Bi-X

Бессвинцовые припои на основе Sn-Bi предлагаются как один из самых популярных сплавов. из-за низкой температуры плавления (точка эвтектики: 139 ° C) и невысокой стоимости. Однако они не получили широкого распространения из-за более низкой смачиваемости, сопротивления усталости и удлинения по сравнению с традиционными припоями Sn-Pb. Таким образом, легирование считается эффективным способом улучшения свойств припоев Sn-Bi за счет добавления элементов (Al, Cu, Zn, Ga, Ag, In, Sb и редкоземельные элементы) и наночастиц.В этой статье был рассмотрен вопрос о разработке бессвинцовых припоев Sn-Bi, содержащих элементы и наночастицы. Систематически анализировались изменения смачиваемости, характеристик плавления, электромиграции, механических свойств, микроструктуры, реакции интерметаллических соединений и поведения ползучести, что может служить ориентиром для исследования припоев на основе Sn-Bi.

1. Введение

Как известно, Sn-Pb припои, которые считаются традиционными припоями, широко применялись в области электронных корпусов на протяжении многих десятилетий.Что касается токсичности Pb для здоровья человека и окружающей среды [1–3], многие страны ограничили или запретили производство и применение припоев Sn-Pb во многих областях посредством законодательства. Например, WEEE и RoHS проводились в Европе [4, 5]. Таким образом, бессвинцовым припоям было привлечено значительное внимание как ученых, так и инженеров, желающих найти тип уникального припоя, который мог бы заменить припои Sn-Pb.

За последние двадцать лет бессвинцовые припои получили большое развитие, и несколько основных типов бессвинцовых припоев на основе Sn, таких как Sn-Ag [6, 7], Sn-Zn [8, 9], Sn-Bi. [10, 11], Sn-Cu [12, 13] и Sn-Ag-Cu [14, 15] интенсивно изучаются исследователями.Однако среди этих наиболее многообещающих бессвинцовых припоев припои Sn-Bi обладают лучшими свойствами, такими как более низкая температура плавления, хорошая прочность на разрыв, хорошая надежность и хорошее сопротивление ползучести [16–18]. Эвтектический припой Sn-58Bi имеет низкую температуру плавления 139 ° C [19, 20] и ниже 183 ° C эвтектического припоя Sn-Pb, который состоит из 63 мас.% Sn и 37 мас.% Pb [ 21, 22]. При этом стоимость припоя Sn-Bi ниже, чем у других [23]. Однако двумя основными проблемами, ограничивающими применение припоев на основе Sn-Bi в электронных корпусах, являются хрупкость и плохая пластичность [24].

В этой статье показано влияние добавления элементов сплава, включая Al, Cu, Zn, Ga, Ag, In, Ni, Sb, наночастицы и редкоземельные элементы, в припои Sn-Bi на свойства и микроструктуру припоев Sn-Bi. систематически обсуждались, и были выдвинуты некоторые предложения по решению этих проблем при улучшении свойств припоев Sn-Bi.

2. Смачиваемость

Смачиваемость — одна из чрезвычайно важных характеристик, играющих ключевую роль при оценке технологии пайки бессвинцовых припоев [25].Она определяется как способность, которая представляет собой растекающуюся способность расплавленного припоя, растекающегося по подложке во время процесса оплавления [26]. В то же время смачиваемость также рассматривается как способность расплавленного припоя реагировать с подложкой с образованием слоя IMC, который является связующим звеном между припоем и подложкой [27]. Смачиваемость припоя Sn-58Bi хуже, чем у припоя Sn-Pb, который включает элемент Pb [28], тогда как добавление элементов сплава к припоям Sn-Bi является эффективным средством улучшения смачиваемости.Как правило, есть два часто используемых метода, включая метод баланса смачивания и метод распределения, которые используются для оценки смачиваемости.

Ли и др. [29] провели исследования влияния небольшого количества добавленного алюминия на смачиваемость припоя Sn-58Bi. Из-за того, что Al был слишком активным или флюс не соответствовал этому припою, было обнаружено, что смачиваемость припоя Sn-58Bi ухудшилась после добавления 2 мас.% Al к эвтектическому припою Sn-58Bi. Miao et al. [30] указали, что добавление 1.0 мас.% Cu не оказал существенного влияния на смачиваемость припоя Sn-58Bi. По сравнению с припоем Sn-58Bi, угол смачивания припоя Sn-Bi-1Cu на различных металлических фольгах и металлизированных подложках изменился незначительно. Zang et al. [31] провели испытание на смачивание припоя Sn-30Bi-0.5Cu при различных температурах. При 220 ° C краевые углы, которые использовались для определения степени смачивания, существенно изменились от 150 ° до 30 °, но смачиваемость Sn-30Bi-0.5Cu незначительно изменилась при 275 ° C и 350 ° C, особенно при 350 ° C. ° C.При 275 ° C и 350 ° C углы смачивания сохранялись около 28 ° и 20 ° соответственно. Коэффициент растекания ( S _R ) рассчитывался следующим образом [32]: где — высота припоя после растекания, а — диаметр шариков припоя. Zhang et al. [32], используя флюс смолы и органический флюс в испытании на растекание, обнаружили, что при изменении содержания Sb коэффициент укрытия изменился по двум неправильным кривым при 190 ° C, и все они достигли вершины, когда содержание Sb было на уровне 2.0 мас.%. Самый высокий коэффициент растекания составил 78,2% и был выше, чем у припоя Sn-58Bi. Chen et al. [33] изучали смачиваемость Sn-Bi-3Zn () и Sn-38Bi-Zn () при 170 ° C и 190 ° C. При 170 ° C коэффициент растекания был увеличен с 68% до 72% с увеличением содержания элемента Bi; но коэффициент растекания был уменьшен с 75,8% до 66%, а затем увеличен до 72,7% с увеличением содержания Zn. При 190 ° C укрывистость сплавов Sn-Bi-3Zn была уменьшена с 73,2% до 72%, а затем увеличена до 73.3% и выше, чем при 170 ° C. Однако укрывистость сплавов Sn-38Bi-Zn немного изменилась, оставаясь 72% при 190 ° C. Смачиваемость Sn-58Bi, Sn-35Bi-0.5Ag и Sn-35Bi-1.0Ag исследовали Zhang et al. [34]. Вышеупомянутые три припоя с разными флюсами показали разную смачиваемость воздухом и атмосферой N ₂ . Припой Sn-35Bi-1.0Ag показал лучшую смачиваемость, поскольку его угол смачивания был наименьшим на воздухе и атмосфере N ₂ .

Добавив наноразмерный Y ₂ O ₃ к припою Sn-58Bi, можно было обнаружить, что площадь растекания композитного припоя увеличилась на 20% с 30 мм ² до 36 мм ² а затем уменьшился до 32 мм ² с добавлением наночастиц Y ₂ O ₃ , добавленных от 0 до 3.0 мас.% [35]. Смачиваемость припоя Sn-58Bi с 1,0 мас.% Наночастиц Y ₂ O ₃ была наилучшей. Лю и др. [36] сообщили, что смачиваемость композитного припоя Sn-58Bi с добавлением частиц Cu ₆ Sn ₅ (0,5 мас.% И 1 мас.%) Была хуже, чем у припоя Sn-58Bi. Лю также сделал вывод, что площадь растекания припоев Sn-58Bi с 1 мас.% Частиц Cu ₆ Sn ₅ уменьшилась на 10% по сравнению с таковой у припоев Sn-58Bi после оплавления в течение 30 мин.Точно так же, как видно из рисунка 1 [37], смачиваемость композитных припоев ухудшалась с увеличением количества наноразмерного графита. Коэффициент распространения снижен с 84% до 81%.

Dong et al. [25] предложили влияние добавления Ag и RE (в первую очередь Ce и La) на смачиваемость припоя Sn-58Bi. Можно видеть, что добавление 0,5 мас.% Ag или 0,1 мас.% RE улучшило смачиваемость припоя Sn-58Bi, но эффект добавления небольшого количества RE-элементов был лучше.Площадь растекания Sn-58Bi0.1RE была увеличена на 15% с 66 мм ² до 76 мм ² и была на 3 мм больше, чем площадь растекания Sn-58Bi0.5Ag. Когда Донг и др. добавили одновременно 0,5 мас.% Ag и 0,1 мас.% RE в припой Sn-58Bi, по сравнению с площадью растекания припоя Sn-58Bi-0,5Ag, площадь растекания композитного припоя Sn-58Bi0,5Ag0,1RE увеличилась примерно на 14% с 73 мм ² до 83 мм ² .

3. Характеристика плавления

В корпусе микроэлектроники паяное соединение является важной частью.Точно так же температура плавления является критической характеристикой для низкотемпературных припоев [24]. В последние годы сплавы с низкой температурой плавления, которые подходят для применения при пайке бессвинцовых материалов, привлекают все больший технологический интерес [38]. Использование припоя с низкой температурой плавления является важным подходом к повышению надежности паяных соединений [39], поскольку пайка с низкой температурой плавления потенциально может привести к термическому повреждению электрических устройств, подлежащих пайке [40].Например, гибкая плата, светодиоды, ЖК-экран и защитное устройство кондиционирования воздуха нуждаются в более низкой пайке, температура которой ниже 183 ° C от температуры эвтектики припоя Sn-Pb. Температура плавления эвтектического припоя Sn-58Bi составляет 139 ° C [41]. Для разработки базы данных по бессвинцовым припоям очень важны термодинамические данные [42].

По сравнению с заметным эндотермическим пиком для чистого припоя Sn-58Bi, заметным эндотермическим пиком для припоя Sn-58Bi с добавкой 3 мас.% Al повысили до 142 ° C [43]. Шен и др. [44] добавление 0,1 мас.% Cu и 2 мас.% Zn к припою Sn-Bi обнаружило, что температура плавления композитного припоя Sn-40Bi-0,1Cu составляла 132,2 ° C. Она была ниже, чем температура плавления припоя Sn-58Bi, но температура плавления припоя Sn-40Bi-2Zn-0.1Cu была немного увеличена до 136,3 ° C. Добавление Cu может снизить температуру плавления, но добавление Zn имеет противоположный эффект. Ма и Ву [45] также обнаружили, что температуры солидуса и ликвидуса припоя Sn-58Bi с добавкой 0.На 7 мас.% Элементов Zn было меньше по сравнению с припоем Sn-58Bi, а температура плавления припоя Sn-58Bi-0,7Zn составляла 136,3 ° C. В то же время Chen et al. [33] посчитали, что температура плавления сплавов Sn-Bi-2Zn (и 44) составляла 136,7 ° C, 136,5 ° C и 137,3 ° C, соответственно, и была ниже, чем у припоя Sn-58Bi. Когда содержание элемента Zn составляло 3 мас.%, Температура плавления сплавов Sn-Bi-3Zn (и 43) составляла 138,0 ° C, 137,0 ° C и 136,8 ° C соответственно. Также сообщалось, что добавление 3 мас.% Zn может снизить температуру плавления припоя Sn-Bi, поскольку температура плавления припоя Sn-32ат.% Bi-3ат.% Zn составляла 130,8 ° C [46]. Температура плавления припоя Sn-Bi с добавлением 0,04 мас.% Cu была немного изменена, поскольку температура плавления припоя Sn-58Bi-0,04Cu составляла 138,65 ° C. Lin et al. [47] предложили конкретный анализ влияния добавления элемента Ga (от 0,25 мас.% До 3,0 мас.%) В припой Sn-58Bi на точку плавления припоя Sn-58Bi. Результаты показали, что добавление элемента Ga немного изменило температуру жидкости, которая составляла около 150 ° C.Добавление 0,5 мас.% Ag и 0,1 мас.% RE также мало повлияло на температуру плавления припоя Sn-58Bi, как показано в Таблице 1 [25]. Видно, что температура солидуса и температура ликвидуса Sn-58Bi-0.5Ag были самыми низкими по сравнению с другими припоями. Таким образом, это означало, что добавление элемента Ag могло снизить температуру плавления припоя Sn-58Bi, но RE показал противоположное поведение.

4444 оказал критическое влияние на точку начала образования припоя Sn-58Bi, что означало, что добавление 2 мас.% In может снизить температуру начала припоя с 139,06 ° C до 129,68 ° C. Но точка начала действия припоя Sn-58Bi с добавлением 2 мас.% Элементов Ag не изменилась, оставаясь при 139,06 ° C. Таким образом, было сочтено, что добавление 2 мас.% Ag мало повлияло на точку начала образования припоя Sn-58Bi. В то же время добавление 2 мас.% In и 2 мас.% Ag к припою Sn-58Bi снизило температуру плавления композитного припоя с 143,75 ° C до 133,59 ° C. Zhang et al. [34] указали, что эффекты 0.Добавление 3 мас.% И 1,0 мас.% Ag к температуре линии твердой фазы припоя Sn35Bi было незначительным, поскольку температуры линии твердой фазы композитных припоев Sn35Bi, Sn35Bi0.3Ag и Sn35Bi1.0Ag составляли 138,5 ° C, 138,8 ° C. C и 138,9 ° C соответственно. Но температура ликвидуса вышеупомянутых припоев составляла 150,3 ° C, 183,6 ° C и 184 ° C; Можно было видеть, что влияние добавления 0,3 мас.% и 1,0 мас.% Ag на температуру ликвидуса было очевидным. Chen et al. [24] изучали влияние In addition на температуру плавления припоя Sn-Bi.На фиг. 2 показано, что добавление 1 мас.% In вызывает снижение начальной точки примерно на 5 ° C и уменьшение точки смещения на 1 ° C. Когда содержание In добавок составляло 5 мас.%, Температура начала снижалась примерно на 20 ° C. С увеличением содержания In пиковая температура композитного припоя снижалась на 10 ° C. Zhang et al. [32] добавили элемент Sb в припой Sn-48Bi и обнаружили, что все основные пики появляются около 147 ° C. Открытие также показало, что диапазон плавления и температура ликвидуса достигают максимума, когда добавка Sb составляет 1.8 мас.%, А затем начало падать с увеличением содержания Sb. Кроме того, когда добавление элемента Sb не изменилось, что составляет 1,8 мас.%, Интервал плавления и температура плавления увеличиваются с уменьшением содержания Bi. Хуанг и Чен [49] указали, что добавление 0,05 мас.% И 0,5 мас.% Элементов Co оказало небольшое влияние на точку начала и точку пика припоя Sn-57Bi, поскольку точки начала и точки пика из трех типов припоев 140,3 ° C, 140.3 ° C, 140,1 ° C и 143,5 ° C, 144,2 ° C и 142,5 ° C соответственно. Лю и др. [35] исследовали влияние различных добавок наночастиц Y 2 O 3 на температуру плавления припоя Sn-58Bi. Было обнаружено, что температура плавления чистого эвтектического припоя Sn-58Bi составляла 138,77 ° C, но она не сильно изменилась в диапазоне от 138,83 ° C до 139,2 ° C после добавления 0,5, 1,0 и 3,0 мас.% Y 2 O 3 к припою Sn-58Bi соответственно. Между тем, добавление наночастиц SiC размером 45–55 нм также не повлияло в значительной степени на температуру плавления припоя Sn-58Bi [50].Пенг и Дэн [51] также обнаружили, что температура плавления Sn-Bi с нанолистами восстановленного оксида графема (RGOS) составляет 139 ° C. Анализ DSC показал, что добавление 0,5 мас.% Элемента La может снизить температуру плавления припоя Sn-58Bi, поскольку припои Sn-58Bi и Sn-58Bi-0,5La имеют точки эвтектики 138,60 ° C. и 137,84 ° С соответственно [52]. Wu et al. [53] показали, что добавление РЗЭ (в основном Ce и La) в диапазоне от 0,25 мас.% До 1,0 мас.% В припой Sn-57Bi-1Ag не приводит к критическому изменению температур солидуса и ликвидуса, которые все еще составляют около 136 ° C и 139 ° C. C соответственно, но мягкая температурная зона была немного увеличена с 2.От 7 ° C до 3,9 ° C. 4. Электромиграция Электромиграция определяется как атомная диффузия, вызванная сильным электрическим током [54]. В электронной промышленности требовалась высокая плотность тока, которая могла вызвать некоторые отказы паяных соединений [55, 56]. Кроме того, электромиграция влияет на фазообразование на стыке стыка, укрупнение фазы и массовое накопление Bi в припое. Таким образом, электромиграция (ЭМ), которая широко рассматривалась как наиболее критическая проблема надежности, вызывающая образование бугорков, стала проблемой, которая активно обсуждалась в электронной упаковке [57].Он также обнаружил, что слои Bi были сформированы на границе раздела анода, что указывает на то, что Bi был основным диффузионным компонентом, мигрирующим от катода к аноду. Когда паяное соединение на основе Sn-Bi находится под воздействием тока, атомы Bi мигрируют в направлении потока электронов и накапливаются на анодной стороне [58]. Однако было обнаружено, что процессы диффузии атомов Bi можно изменить путем добавления легирующих элементов, которые могут вызвать меньшую сегрегацию Bi [59]. L.-T. Чен и Ч.-М.Чен [60] исследовал эволюцию микроструктуры и межфазную реакцию в эвтектическом паяном соединении SnBi на металлизации Ni / Au с и без напряжения тока 6,5 × 10 3 А / см 2 при 70 ° C в течение 5–15 дней. Без напряжения тока на стыке была обнаружена только тонкая фаза Ni 3 Sn 4 . Когда к паяльному соединению было добавлено текущее напряжение, через 10 дней образовалась толстая фаза Au-Ni-Bi-Sn. Однако новая фаза исчезла на стыке анодной стороны через 15 дней действующего напряжения.Чен и Хуанг [61] исследовали влияние добавления 0,5 мас.% Ag на электромиграцию припоя Sn-58Bi и обнаружили, что образование Ag 3 Sn может задерживать миграцию Bi со стороны катода в анодная сторона. Добавление реактивных наночастиц в простой припой Sn-58Bi — хороший выбор для улучшения механических характеристик шарика припоя Sn-58Bi [62]. Xu et al. также исследовали влияние добавления микрочастиц Ni на электромиграцию припоя Sn-58Bi.Было обнаружено, что частицы Ni функционируют как барьеры для остановки атомов Bi, которые рассматриваются как доминирующие диффузионные образования, приводящие к снижению средней скорости атомов Bi во время текущего напряжения. 5. Механические свойства Как мы все знаем, припои на основе Sn-Bi проявляют хрупкое поведение, которое может быть фатальным для электронных продуктов. Но прочность на растяжение и сдвиг припоев на основе Sn-Bi выше, чем у припоев на основе Sn-Pb, а паяные соединения на основе Sn-Bi демонстрируют лучшую надежность [63].По сравнению с механическими свойствами бессвинцовых паяных соединений, припои на основе Sn-Bi не самые лучшие. Теперь, чтобы улучшить механические свойства припоев на основе Sn-Bi, мы можем добавлять примесные элементы в припои путем улучшения микроструктуры припоев [64]. 5.1. Предел прочности при растяжении Shen et al. [44] сообщили, что средняя прочность на разрыв припоя Sn-58Bi составила 73,24 МПа. Но после добавления 0,1 мас.% Cu в припой Sn-40Bi средняя прочность на разрыв увеличилась на 12,6% до 82.45 МПа. Средняя прочность на разрыв припоя Sn-40Bi с 2 мас.% Zn и 0,1 мас.% Cu была увеличена на 21,9% до 89,31 МПа. В то же время, по сравнению с припоем Sn-58Bi, твердость по Виккерсу припоев Sn-40Bi-0,1Cu и Sn-40Bi-2Zn-0,1Cu увеличена на 15,0% и 19,9% соответственно, что позволяет говорить о том, что добавление элементов Cu и Zn повысило твердость припоя Sn-Bi по Виккерсу. Ма и Ву [45] добавили элемент Zn в припой Sn-58Bi. Предел прочности при растяжении припоя Sn-58Bi с добавлением элементов Zn составляет от 0 до 2.0 мас.% Увеличивалось с 59 МПа до 63 МПа, а затем уменьшалось до 52 МПа во время пайки оплавлением. Точно так же во время старения в жидком состоянии UTS припойных плит Sn-58Bi-Zn увеличивалось с 62,6 МПа до 66 МПа, а затем снижалось до 55,7 МПа. Было видно, что UTS был самым высоким, когда содержание Zn составляло 0,7 мас.% Во время пайки оплавлением и старения в жидком состоянии. Сакуяма и др. [65] изучали влияние добавления третьего элемента, включая Ag, Cu, Zn и Sb, на предел прочности на разрыв припоя Sn-Bi. При высокой скорости деформации (3 мм / мин) добавление 0.Добавление 5 мас.% Ag элемента к припою Sn-58Bi увеличивало предел прочности на разрыв на 13,2% до 86 МПа, а относительное удлинение улучшалось на 80%. Добавки 0,5 мас.% Элементов Cu и Sb немного изменили предел прочности. Однако влияние добавления Cu и Sb на удлинение было выраженным. Удлинение увеличилось на 140% и 320% соответственно. Добавление 0,5 мас.% Zn ослабило предел прочности припоя Sn-58Bi на разрыв, снизилось до 68 МПа и немного изменило относительное удлинение. Kubota et al.[66] также добавили 0,5 мас.% Элемента Sb в припой Sn-58Bi. Влияние добавления 0,5 мас.% Sb на предел прочности при растяжении припоя Sn-58Bi было различным при различных температурах. При 25 ° C прочность на разрыв припоя Sn-57.5Bi-0.5Sb была увеличена с 67 МПа до 90 МПа, а у припоя Sn-58Bi — с 72 МПа до 100 МПа с увеличением времени; При 80 ° C предел прочности на разрыв припоя Sn-57,5Bi-0,5Sb постоянно увеличивался до максимального значения 50 МПа, в то время как предел прочности на разрыв припоя Sn-58Bi был снижен до 38 МПа, а затем увеличен на 70 МПа выше. чем у Sn-57.5Bi-0.5Sb все время; При 120 ° C прочность на разрыв припоев Sn-58Bi и Sn-57,5Bi-0,5Sb была снижена по сравнению с таковой при 25 ° C и 80 ° C. Он показал, что влияние добавления 0,5Sb на предел прочности при растяжении припоя Sn-58Bi было больше при более высокой температуре, чем при более низкой температуре. Ма и Ву [67] добавили графемные нанолисты (GNS) к припою Sn58Bi0.7Zn и обнаружили, что UTS паяных соединений Sn58Bi0.7Zn-GNS (и 0,114 мас.%) Уменьшилось после старения при 150 ° C в течение различного времени ( 20, 40, 60, 80, 100 и 120 мин).Но было обнаружено, что UTS Sn58Bi0.7Zn с добавлением 0,076 мас.% GNS было почти самым высоким за то же время старения и снизилось с 62,7 МПа до 51,7 МПа. Однако UTS Sn-58Bi был самым низким за все время и снизился с 58,9 МПа до 50,6 МПа. Аналогичным образом, Chen et al. [24] исследовали влияние In addition на свойства растяжения припоев Sn-Bi-In. Результаты показали, что свойства при растяжении припоя Sn-Bi с добавлением элемента In были плохими, снижаясь с 71.От 8 МПа до 68,3 МПа при содержании добавки 3 мас.%. Затем предел прочности припоя Sn-Bi-3In был увеличен до 69,2 МПа. Однако, напротив, эффект «Дополнительно» на удлинение был в первую очередь положительным, чем хуже. Когда содержание In добавок составляло 2,5 мас.%, Наибольшее удлинение увеличивалось на 104,5%. Шалаби [48] не только добавил элемент In в припой Sn-58Bi, но также добавил элемент Ag в припой Sn-58Bi. По сравнению с припоем Sn-58Bi прочность на растяжение и сдвиг Sn-58Bi-2In, Sn-58Bi-2Ag и Sn-58Bi-2In-2Ag была увеличена на 6.5%, 8,0%, 12,1% и 6,7%, 8,1%, 12,9% соответственно. Когда в припой Sn-Bi был добавлен элемент Sb, прочность композитного припоя на сдвиг сначала уменьшалась, а затем увеличивалась с увеличением добавления Sb, как показано в Таблице 2 [32]. Было обнаружено, что сопротивление сдвигу у Sn-48Bi-1.4Sb было самым низким. Когда содержание добавленной сурьмы составляло 2,4 мас.%, Прочность на сдвиг увеличивалась на 20,2% по сравнению с припоем Sn-58Bi. Припой Sn-58Bi Sn-58Bi-0.5Ag Sn-58Bi-0.1Ag Sn-58Bi-0.5Ag-0.1RE Солидус 136,1 135,7 136,2 135,7 136,2 9034,136 136,3 138,2 139,7 139,1 Зона мягкая 3 2,5 3,5 2,5 9030 -342 Sn-48 Сплав Прочность на сдвиг / МПа Sn-58Bi 55.5 Sn-52Bi-1.8Sb 53.0 Sn-48Bi-1.4Sb 45.2 Sn-48Bi-1.8Sb 45.8 47,1 Sn-48Bi-2.4Sb 66,7 5.2. Свойство сдвига Dong et al. [25] исследовали не только влияние элемента Ag, но и влияние элемента RE (в первую очередь Ce и La) на сопротивление сдвигу припоя Sn-58Bi.Было очевидно, что добавление небольшого количества элементов Ag и RE может повысить прочность на сдвиг паяных соединений на основе Sn-58Bi в состоянии оплавления или после термического старения. Однако в состоянии после оплавления прочность на сдвиг немного изменилась. Прочность на сдвиг Sn-58Bi, Sn-58Bi-0,1RE, Sn-58Bi-0,5Ag и Sn-58Bi-0,5Ag-0,1RE практически не изменилась на уровне 81 МПа. Тем не менее, после старения в течение 168 ч при 80 ° C прочность на сдвиг всех паяных соединений составила 70 МПа, 80 МПа, 75 МПа и 80 МПа соответственно.Добавление следовых количеств RE элементов улучшило прочность на сдвиг базовых припоев Sn-58Bi и значительно снизило влияние высокотемпературного старения на сопротивление сдвигу. Фактически, добавление RE привело к увеличению доли сетчатой ​​эвтектики и уменьшению размера IMC. Мохтари и Нисикава [59] обнаружили, что добавление 0,5% или 1% элемента In может улучшить сопротивление сдвигу, но эффект добавок Ni был отрицательным. Было заметно, что прочность на сдвиг Sn-58Bi-1In и Sn-58Bi-0.5In был выше, а прочность на сдвиг двух припоев оставалась на уровне около 70 МПа после оплавления или 6 недель выдержки при 80 ° C. Но Sn-58Bi с добавками 0,5 и 1 мас.% Ni показал более низкую прочность на сдвиг после оплавления или 6 недель выдержки при 80 ° C из-за сегрегации Bi, приводящей к образованию больших фаз Bi. Низкая прочность на сдвиг припоев на основе Sn-Bi с добавлением Ni может быть объяснена сегрегацией Bi, которая привела к образованию больших фаз Bi. Shafiq et al. [43] обнаружили, что добавление наночастиц Al к припою Sn-58Bi приводит к тому, что прочность на сдвиг нового композитного припоя Sn-58Bi-3Al стабильно выше, чем у припоя Sn-58Bi.Когда в качестве подложки использовалась Cu, прочность на сдвиг припоя Sn-58Bi и Sn-58Bi с 3,0 мас.% Наночастиц Al снижалась с 31,5 МПа до 24,5 МПа и с 33 МПа до 27 МПа, соответственно, по мере увеличения времени старения при 75 °. C; Но когда подложка была из золота, прочность на сдвиг двух припоев снизилась с 30 МПа до 22,2 МПа и с 30,5 МПа до 26,5 МПа соответственно. Припой Sn-58Bi, легированный алюминием, имел более высокую прочность на сдвиг из-за дисперсии второй фазы, которая усиливала механизм и улучшала микроструктуру β -Sn.Кроме того, из-за присутствия Cu 6 Sn 5 IMC, прочность на сдвиг припоев с наночастицами алюминия в подушке из меди была выше, чем у подушки из золота. Лю и др. [36] провели испытания на сдвиг образцов Sn-58Bi / Cu, SB-0.5Cu 6 Sn 5 / Cu и SB-1Cu 6 Sn 5 / Cu и обнаружили, что эффект добавления Cu 6 Sn 5 частиц припоя Sn-58Bi на механические свойства имел решающее значение. И было ясно видно, что прочность композитных паяных соединений на сдвиг была выше, чем у Sn-58Bi / Cu.Прочность на сдвиг Sn-58Bi, SB-0.5Cu 6 Sn 5 и Sb-1Cu 6 Sn 5 составляла 44,7, 48 и 61,9 МПа, соответственно, при скорости сдвига. Он увеличился на 7,4% и 38,5% соответственно. При скорости сдвига прочность на сдвиг составляла 59,2, 64,7 и 66 МПа, увеличиваясь на 9,3% и 11,5% соответственно. Эффект упрочнения может быть обусловлен дисперсионным распределением мощностей Cu 6 Sn 5 . Hu et al. [62] обнаружили, что когда наночастицы Al 2 O 3 были добавлены к припою Sn-58Bi, прочность на сдвиг нового композитного припоя и простого припоя снизилась с 93.2 МПа и 91,8 МПа до 85,0 МПа и 83,0 МПа после выдержки в течение 288 часов при 85 ° C. Кроме того, прочность на сдвиг нового припоя была лучше, чем у простого припоя при том же времени старения. В то же время микротвердость также снизилась с 24,5 HV и 24,2 HV до 20,1 HV и 18,6 HV, соответственно, по мере увеличения времени старения. Более того, Ян и др. [37] пришли к выводу, что добавление наноразмерного графита снижает средний предел прочности при растяжении припоя Sn-58Bi. Средний предел прочности при растяжении припоя Sn-58Bi составил 57.75 МПа и выше, чем у припоя Sn-58Bi с наноразмерным графитом. При содержании графита 0,14 мас.% Средний предел прочности композитного припоя при растяжении был самым низким, а именно 52,5 МПа. Однако удлинение Sn-Bi с 0,07 мас.% Наноразмерного графита было самым высоким до 2,019 мкм мкм. He et al. [68] обнаружили, что UTS композитного припоя Sn-58Bi с 0,03%, 0,06% и 0,1% УНТ был выше, чем у припоя Sn-58Bi, но UTS уменьшился с добавлением УНТ.УПС Sn-58Bi-0,03CNT было самым высоким и достигло 94,24 МПа. Прочность на сдвиг припоя Sn-58Bi с добавкой Y 2 O 3 в диапазоне от 0,5 до 3,0 мас.% Была увеличена по сравнению с припоем Sn-58Bi. Припой 58Bi был около 28 МПа, но припой SB-0.5 Y 2 O 3 был увеличен до 31 МПа. Прочность на сдвиг припоя Sn-58Bi с добавкой 1,0 мас.% Y 2 O 3 была увеличена критически на 50% до 42 МПа, как и у SB-3.0 Y 2 O 3 [35]. Наночастицы SiC также были включены в припой Sn-58Bi [50]. Прочность на сдвиг припоя Sn-58Bi с добавками наночастиц SiC была увеличена до 95, 85 и 74 МПа в течение 0, 100 и 400 ч для старения соответственно. Темпы роста составили 9,2%, 7,5% и 12,1% соответственно. Считалось, что сопротивление сдвигу снижалось по мере увеличения времени старения. Пенг и Денг [69] предположили, что модуль сдвига композитного соединения Sn-Bi / графена на сдвиг внахлестку был увеличен с 12 ГПа до 23 ГПа с увеличением массовой доли графема с помощью моделирования методом конечных элементов.Пенг и Денг [51] указали, что включение RGOS сыграло положительную роль в повышении прочности на сдвиг, поскольку нанокомпозиты Sn-Bi / RGOS показали более высокую прочность на сдвиг, чем чистый припой Sn-Bi. Редкоземельные элементы считаются витаминами металлов [54], и добавление следовых количеств редкоземельных элементов (РЗЭ) для улучшения их свойств считается эффективным способом [70], поскольку редкоземельные элементы обладают высокой химической активностью и особыми свойствами. и химические свойства [71]. Но добавив 0.5 мас.% La к припою Sn-58Bi, прочность на сдвиг шарика припоя Sn-58Bi-0,5La была ниже, чем у припоя Sn-58Bi, а у первого припоя было меньше примерно на 2,4 Н, чем у второго [52]. Он также показывает, что прочность соединения паяных соединений Sn-58Bi и Sn-58Bi-0.5La очень стабильна во время старения при 75 или 100 ° C. 5.3. Свойство ползучести Исследователи оценили ползучесть сплава Sn-Bi с помощью различных методов, включая анализ на растяжение, сдвиг внахлест и вдавливание [72].Сопротивление ползучести припоя Sn-58Bi лучше, чем у эвтектического припоя Sn-Pb, в диапазоне температур от 20 до 70 [40]. Зависимость скорости установившейся ползучести может быть охарактеризована с помощью уравнения мощности Дорна в следующей форме: где — скорость ползучести; постоянная; модуль сдвига; — вектор Бюргерса; — размер зерна; приложенное напряжение; — показатель степени напряжения; и — постоянные энергии; — газовая постоянная; абсолютная температура. При нормальной эксплуатации припои часто подвергаются большим циклическим деформациям.Кроме того, термически активированная ползучесть является важной проблемой надежности из-за высокой гомологической температуры () припоев [54]. Для образцов Sn-58Bi обогащенная Bi фаза укрупнилась, образуя препятствие, и дислокации исчезли под действием напряжения, обходящего эти препятствия, оставляя дислокационную петлю, окружающую каждое зерно, что приводило к деформации ползучести, но добавление Zn могло подавить укрупнение Bi. -богатая фаза, приводящая к более высокому сопротивлению ползучести [45]. Композитный припой Sn-58Bi-2In-2Ag обладал более высоким сопротивлением ползучести, чем припой Sn-58Bi [48].Точно так же добавление 2,5% Fe к припою Sn-57Bi показывает, что его сопротивление ползучести выше, чем у припоев Sn-57Bi и Sn-Pb при 100 ° C и 1 тыс. Фунтов на квадратный дюйм, как показано на Рисунке 3 [73]. На рисунке 4, по сравнению со скоростью релаксации напряжения паяного соединения Sn-Bi + 0,07 мас.% Наноразмерного графита, было ясно видно, что скорость релаксации напряжения паяного соединения Sn-58Bi была больше [37]. Другими словами, скорость ползучести припоя Sn-Bi + 0,07 мас.% Наноразмерного графита была ниже, чем у припоя Sn-58Bi.На рисунке 5 [74] они выбрали 200 МПа и 100 МПа, чтобы представить области высокого и низкого напряжения. Первоначальный сплав SnBi показал самую высокую скорость деформации (самое низкое сопротивление ползучести) на обоих уровнях напряжения. Однако при добавлении нано-Cu и Ni скорость ползучести резко снизилась и было достигнуто наилучшее сопротивление ползучести, когда концентрация наполнителя достигла 3 мас.% Для Cu и 1 мас.% Для композиционного наполнителя из Ni. 6. Микроструктура основной части припоя Припой Sn-58Bi имеет очевидный недостаток, который заключается в укрупнении микроструктуры, которое может привести к плохим механическим свойствам во время термического старения [75], а добавление легирующих элементов может подавить сегрегацию Bi. [59].Термодинамическое моделирование системы Sn-Bi было впервые выполнено Отани, Исидой и Ниу и др. [76], а микроструктура припоя Sn-58Bi представляла собой типичную пластинчатую эвтектическую структуру, состоящую из чередующихся слоев белой фазы Bi и серой фазы Sn [24]. Miao и Duh [40] провели эксперименты по влиянию добавления 1 мас.% Cu на микроструктуру припоя Sn-58Bi. Средняя длина пересечения фаз, богатых Bi, была увеличена с 1,01 мкм м до 4,80 мкм м на 375 м.2% в разное время старения, которое было, и 36 дней. Однако это число было увеличено только до 1,09 мкм м после добавления 1 мас.% Cu элемента в припой Sn-58Bi. Это показало, что добавка Cu может улучшить микроструктуру припоя Sn-58Bi. Было проведено исследование влияния добавления 1,0 мас.% Cu на микроструктуру припоя Sn-58Bi [77]. Микроструктура припоя Sn-58Bi была улучшена путем добавления 1 мас.% Cu после 3 дней выдержки при 80 ° C. Поскольку добавление элемента Cu замедляло укрупнение микроструктуры припоя Sn-58Bi.Мохтари и Нисикава [59] обнаружили, что большая фаза Bi была обнаружена в припойном сплаве Sn-Bi-1Ni после оплавления, а укрупнение Bi явно произошло после 6 недель старения. Однако он не обнаружил явных признаков сегрегации Bi в эвтектических припоях Sn-Bi и Sn-Bi-1In. Кроме того, после 6 недель старения добавление 1 мас.% Элемента In в припой Sn-58Bi может улучшить микроструктуру припоя Sn-58Bi. На рисунке 6 [65] показано, что добавление только 0,5 мас.% Zn в припой Sn-Bi увеличивает средний размер зерен микроструктуры припоя Sn-58Bi примерно на 5.2%. Однако добавление других элементов сплава может улучшить микроструктуру. Средний размер зерна припоя Sn-58Bi уменьшился на 30,4% после добавления 0,5 мас.% Ag. Добавление 0,5 мас.% Элемента Cu уменьшило средний размер зерна на 26,1%. Добавление Sb критически повлияло на средний размер зерна, уменьшив средний размер зерна до 1,1 мкм мкм. Однако Zhu et al. [78] добавили только 3 мас.% Zn в припой Sn-58Bi и обнаружили, что это может улучшить структуру, поскольку средняя длина пересечения фазы, обогащенной Bi, была меньше, чем у припоя Sn-58Bi.Suganuma et al. [79] отметили, что добавление 0,5 мас.% И 1,0 мас.% Ag, соответственно, к припойному сплаву Sn-58Bi изменяет микроструктуру. Размер частиц в припое Sn-57Bi-0.5Ag был меньше 5 мкм мкм, но образовавшийся в припое Sn-57Bi-1.0Ag Ag 3 Sn оказался больше, размер которого был больше 10 μ м. Мохтари и Нишикава [64] сообщили об отдельном анализе микроструктуры припаянных сплавов, содержащих 0,5 мас.% In или Ni на Рисунке 7.По сравнению с припоем Sn-58Bi микроструктура припоя Sn-Bi-0,5In демонстрирует большую объемную долю первичных дендритов Sn, но добавление Ni к припою Sn-58Bi может улучшить микроструктуру. По сравнению с припоем Sn-57Bi, размер зерен микроструктуры припоя Sn-57Bi с добавкой 2,5% Fe (~ 2 мкм в среднем диаметре м) меньше [73]. Микроструктуры припоев Sn-58Bi за счет добавления 0,5 мас.% И 1 мас.% Cu 6 Sn 5 армирующих частиц, которые были хорошо диспергированы в матрице припоя, были измельчены, и размер зерна β — Восстанавливалась фаза, богатая Sn и Bi [36].Добавление подходящего наноразмерного графита может улучшить микроструктуру композитного припоя [37]. Результаты показали, что с самого начала микроструктура припоя с 0,07 мас.% Наноразмерного графита не претерпела значительных изменений по сравнению с микроструктурой матричного припоя Sn-Bi. Но постепенно он совершенствовался с увеличением наноразмерного графита. При содержании наноразмерного графита 0,6 мас.% Микроструктура композиционного припоя улучшилась. Как видно из таблицы 3 [67], добавление GNS сильно повлияло на межфазное расстояние между первичными фазами Sn-58Bi0.Припой 7Zn. Межфазное расстояние было уменьшено на 12,92%, 32,52% и 16,86%, соответственно, с различным добавлением GNS в диапазоне от 0,038 мас.% До 0,114 мас.%. Кроме того, было обнаружено, что действие 0,076 мас.% GNS было наиболее совершенным среди различных содержаний. и др. [35] предположили, что микроструктуры всех композитных припоев с пустыми или разными количествами Y 2 O 3 укрупнялись после 550 ч старения при 120 ° C, а для припоя Sn-58Bi — 3,0 мас. Y 2 O 3 было самым низким.Это указывало на то, что добавление Y 2 O 3 могло снизить скорость укрупнения во время старения. Были включены различные массовые процентные доли добавок нанонаполнителей Cu и Ni от 0 до 4,0 мас.% [74]. Без добавления нанонаполнителей среднее межфазное расстояние припоя Sn-58Bi составляло около 2,62 мкм м. Однако после добавления нанонаполнителей Cu и Ni размер уменьшился. Было замечено, что среднее межфазное расстояние припоя Sn-58Bi с добавкой Cu было уменьшено с 1.73 мкм м до 1,21 мкм м. Влияние добавления нанонаполнителей Ni на микроструктуру припоя Sn-58Bi было аналогично приведенным выше результатам. Shin et al. [50] добавляли наночастицы SiC (45–55 нм) в припой Sn-58Bi. Средний размер пластинчатых структур припоя Sn-58Bi уменьшился с 1,97 мкм мкм до 1,32 мкм мкм на 32,9%. При этом средний размер пластинчатых структур уменьшился на 34,6% после 100 ч старения. В то же время после 400 ч старения среднее зерно пластинчатых структур уменьшилось с 4.59 мкм м до 2,37 мкм м. Видно, что наночастицы SiC улучшают микроструктуру припоя Sn-58Bi. Dong et al. [25] исследовали, что добавление следовых количеств РЗЭ (в основном Ce и La) лучше влияет на улучшение микроструктуры припоя Sn-58Bi, чем припоя с добавлением 0,5 мас.% Ag. В то же время размеры фазы, богатой оловом, в условиях высокотемпературного старения были больше, чем у припоев в состоянии оплавления.Согласно результатам анализа EDS, было сделано предположение, что многие дендриты, богатые Bi, были распределены в припойном сплаве Sn-Bi-Ag вначале, а затем объемная доля дендритов, богатых Bi, уменьшилась после добавления незначительных RE в припой. В то же время их микроструктура была уточнена, в частности, в припоях SnBiAg-0.25RE и SnBiAg-0.5RE [53]. Shiue и Chuang [52] только добавили элемент La в припой Sn-58Bi, чтобы сформировать новый тип припоя, а именно Sn-58Bi-0.5La. Они обнаружили, что в Sn-58Bi-0 можно увидеть много интерметаллических соединений в форме тонких пластинок.5La. 7. Слой интерметаллических соединений Хорошее сцепление часто зависит от тонкого, непрерывного и однородного слоя IMC [80]. На границе раздела интерметаллические соединения (ИМС) образуются как продукты реакции между припоем и подложкой во время пайки, которые играют жизненно важную роль в определении долгосрочной надежности корпусов микроэлектроники [81, 82]. Зарождение IMC, рост и его тип определяют надежность припоя [83, 84]. Кроме того, образовавшаяся вначале IMC могла функционировать как жесткий диффузионный барьер, сдерживая дальнейший рост IMC [29].При этом часть атомов Bi растворяется в слое интерметаллического соединения Cu 6 Sn 5 , а затем сегрегирует на границе раздела Cu / Cu 3 Sn. Это приводит к ослаблению границы раздела медь / интерметаллид и становится предпочтительным путем разрушения после того, как произойдут вышеупомянутые обстоятельства [85, 86]. Суганума [87] также предположил, что Cu 6 Sn 5 и Cu 3 Sn формировались на границе раздела между бессвинцовым припоем и медной подложкой.Кроме того, Shang et al. [88] наблюдали межфазные пустоты вблизи частиц Bi. Юн и др. [89] также обнаружили, что толщина интерметаллических соединений увеличивалась с увеличением времени старения с 70 до 120 ° C. Теперь, как нам известно, добавление очень следовых количеств нескольких легирующих элементов к припоям Sn-Bi может сформировать барьерный слой, который сдерживает образование межфазных ИМС в условиях высокой температуры [90]. Было обнаружено, что добавление 0,1 мас.% Cu заметно улучшило качество обогащенной Bi фазы, поскольку Cu реагировала с Sn с образованием Cu 6 Sn 5 частиц IMC [44] и атомов Bi, растворенных в Cu 6 Sn 5 фаза в процессе оплавления [91].В отличие от припоя Sn-40Bi-0.1Cu, частицы Cu 6 Sn 5 не появлялись в припое Sn-40Bi-2Zn-0.1Cu, что означало, что все содержание Cu реагировало с Zn с образованием Cu-Zn IMC, поскольку Cu имеет более высокое сродство к реакции с Zn, чем доза Sn. Когда в припой Sn-58Bi было добавлено 1,0 мас.% Cu, толщина IMC для соединения Sn-58Bi-1Cu / PtAg / Al 2 O 3 была увеличена с 2,4 мкм до 11 мкм. мкм за время выдержки на 120 ° C ниже, чем у Sn-58Bi / PtAg / Al 2 O 3 [40].Ли и др. [23] обнаружил только Ni 3 Sn 4 в системах Sn-Bi / Ni и Sn-Bi / Ni-P, но (Cu, Ni) 6 Sn 5 заменил Ni 3 Sn 4 после добавления 1,0 мас.% Cu в припой Sn-Bi из-за предела меньшей растворимости Ni в Cu 6 Sn 5 при увеличении времени реакции. Zang et al. [31] раскрыли состав ИМС между припоем Sn-30Bi-0.5Cu и медной подложкой. Двухслойные ИМС, состоящие из Cu 6 Sn 5 , прилегающего к припою, и Cu 3 Sn, прилегающего к медной подложке.Zhu et al. [78] исследовали, что добавление 3,0 мас.% Zn к припою Sn-Bi может увеличить среднюю толщину композитного припоя 41Sn-56Bi-3Zn до 10 мкм м, и этот IMC был дополнительно определен как Cu 5 Sn . 8 , что означало отсутствие элемента Sn, и не было обнаружено, что сегрегация Bi во время старения при 120 ° C в течение 7 дней. Ма и Ву [45] также добавили элементы Zn в припой Sn-58Bi и слой CuZn и Cu 6 (Sn, Zn) 5 , сформированный на границе раздела Cu / Sn-58Bi-0.7Zn во время пайки и весь процесс старения.Толщина слоев IMC между припоем Sn-58Bi-0.7Zn и медной подложкой изменялась по параболическому закону с увеличением времени старения с 1,8 мкм до 5 мкм мкм. В то же время Chen et al. [33] также исследовали влияние добавления Zn в диапазоне от 2,0 до 4,0 мас.% На толщину реакционных слоев сплава Sn-42Bi. Толщина реакционных слоев была увеличена с 1,17 мкм м до 1,76 мкм м, но все ниже, чем у сплава Sn-42Bi при 170 ° C.Аналогичным образом, при 190 ° C толщина реакционных слоев увеличивалась с 1,34 мкм м до 1,81 мкм м ниже, чем 2,02 мкм мкм сплава Sn-42Bi. Таким образом, добавка Zn уменьшала толщину реакционных слоев сплава Sn-42Bi. Kotadia et al. [90] обнаружили, что добавление 1 вес.% Ag в припой Sn-Bi может снизить скорость расхода Cu-подложки, поскольку Ag 3 Sn образовался и захватился на поверхности Cu 6 Sn 5 зерен. уменьшение межфазной энергии, что привело к замедлению роста ИМС.Мохтари и Нишикава [59] сообщили, что добавление элементов In или Ni в припой Sn-58Bi не влияет на толщину IMC на границе раздела между припоем и подложкой перед старением. Но он показал отличия от припоя Sn-58Bi после 6 недель старения, и было ясно обнаружено, что толщина IMC Sn-Bi-1Ni меньше, чем у других. Когда они, с добавлением 0,5 мас.% In и Ni, паяются, соответственно, их толщина IMC была одинаковой после 6 недель старения, а толщина IMC припоя Sn-58Bi увеличивалась с увеличением времени старения.Как видно из таблицы 4, толщина слоя IMC постепенно увеличивалась с увеличением содержания Sb [32]. Оно было увеличено на 21,8% до 2,85 мкм м при содержании сурьмы 2,4 мас.%. Толщина слоя ИМС Sn-52Bi-1.8Sb / Cu и Sn-48Bi-1.4Sb / Cu была одинаковой 2,43 мкм м. Припой Межфазное расстояние ( µ м) Sn-58Bi4 9034- Sn-9034i0.7Zn7Zn0.038GNS Sn-52Bi-0.7Zn0.076GNS Sn-52Bi-0.7Zn0.114GNS 9030 -342 Сплав Толщина слоя / µ м Sn-58Bi 2.34 Sn-52Bi-1.8Sb 2.43 Sn-48Bi-1.4Sb 2.43 Sn-48Bi-1.8Sb 2.5 Sn1 2,76 Sn-48Bi-2,4Sb 2,85 Li et al. [92] обнаружили, что добавление 1-2 мас.% Al, Cr, Si, Nb, Pt и Cu не оказывало очевидного влияния на рост IMC Sn-58Bi / Cu, не замедляя рост IMC как при 200, так и при 200 ° C. 240 ° С.Но можно было наблюдать, что Al накапливается и окисляется на поверхности припоя Sn-56.8Bi-2Al во время высокотемпературного хранения. Было показано, что Cr, Si и Nb не обнаруживаются практически из-за низкой растворимости в припое Sn-58Bi. Добавление 1 мас.% Cu также не влияло на рост ИМС. Ли и др. [29] добавили 1,0 мас.% Au и Zn в припой Sn-58Bi и обнаружили, что скорость роста IMC композитных припоев была увеличена. Напротив, добавление 2 мас.% Cr, 2 мас.% Si и 1 мас.% Элементов Ag снижали скорость роста и не оказывали критического воздействия на межфазные микроструктуры при 200 ° C и 240 ° C в течение 120 часов. Хуанг и Чен [49] изучали добавление элемента Co в припой Sn-57Bi. Результаты представлены на фиг. 8. Был обнаружен только один продукт — Cu 6 Sn 5 . После реакции в течение 10 мин было видно, что толщина Sn-57Bi увеличивалась после добавления элемента Co, а толщина IMC Sn-57Bi-0,5Co была максимальной. Точно так же после реакции в течение 4 часов толщина IMC трех припоев / Cu была увеличена. На рисунке 9 показана взаимосвязь между толщиной слоя IMC пар Sn-Bi / Cu, Sn-Bi-0,05Co и Sn-57Bi- (Co) / Cu, состаренных при 100 ° C. Это можно назвать кинетикой контроля диффузии. Скорость роста всех припоев была похожа на параболическую кривую. Как видно из рисунка, реакционный слой был толще при большем добавлении Со. Hu et al. [62] при добавлении 0,5 мас.% Наночастиц Al 2 O 3 к припою Sn-58Bi обнаружили, что средняя толщина IMC-слоя композитного припоя уменьшилась с 2.5 мкм от мкм до 1,27 мкм мкм по сравнению с Sn-58Bi, выдерживающим 288 часов при 85 ° C. Cu 6 Sn 5 наблюдалось для образования IMC с помощью XRD, и предполагалось, что размер зерен Cu 6 Sn 5 уменьшился с добавлением Y 2 O 3 увеличился [35 ]. Y 2 O 3 в диапазоне от 0,5 мас.% До 3,0 мас.% Может ограничивать разделение зерен между частицами IMC, уменьшая поверхностную энергию соединений и ограничивая рост IMC.Таким образом, толщина IMC-слоя припоя Sn-58Bi с добавкой Y 2 O 3 была меньше, чем у припоя Sn-58Bi. Shin et al. [50] обнаружили, что толщина интерметаллических соединений припоя Sn-58Bi несколько изменилась после добавления наночастиц SiC к припою Sn-58Bi в течение разного времени старения при 100 ° C. Толщина IMC-слоя Sn-Bi / Cu и Sn-Bi-SiC / Cu была увеличена с 0,75 мкм до 2,3 мкм мкм с увеличением времени старения.После старения в течение 100 ч толщина IMC-слоев припоя Sn-58Bi и Sn-58Bi-SiC была практически одинаковой. После 400 часов выдержки толщина IMC-слоя припоя Sn-58Bi была больше. Лю и др. [36] добавили частицы Cu 6 Sn 5 в припой Sn-58Bi. Вначале были обнаружены крупные частицы Cu 6 Sn 5 на вершине IMC зерна SB-1 Cu 6 Sn 5 / Cu из-за силы тяжести. Но по мере того, как время пайки увеличивалось, более крупный Cu 6 Sn 5 был включен в более мелкие, чтобы сформировать зубчатые соединения Cu 6 Sn 5 в зрелом процессе.Наконец, размер зерен IMC увеличился из-за уменьшения скорости растворения IMC по сравнению с Sn-58Bi / Cu. Ма и Ву [67] исследовали влияние добавления GNS на IMC-слои Sn-58Bi0.7Zn, которые реагировали с Cu-подложкой во время старения в жидком состоянии при 150 ° C в течение разного времени (20, 40, 60, 80, 100 и 120 мин). Толщина припоев четырех типов составила 1,56, 1,32, 1,05 и 0,87 мкм м, соответственно, после 20-минутного старения. Видно, что с увеличением добавления ЗНС толщина уменьшалась.Однако толщина четырех типов припоев была увеличена, поскольку время старения в жидком состоянии составило 6,50, 4,77, 3,63 и 2,75 мкм мкм. Shiue и Chuang [52] продемонстрировали, что толщина припоев Sn-58Bi с 0,5 мас.% La элемента была меньше, чем у припоев Sn-58Bi после старения при 75 и 100 ° C в течение различного времени старения. При 75 ° C толщина IMC-слоя двух припоев Sn-58Bi и Sn-58Bi-La была увеличена с 1,4 мкм и 0,8 мкм до 2,25 мкм мкм и 1 мкм.25 мкм м по мере увеличения времени выдержки. Однако было ясно видно, что толщина IMC-слоя припоя Sn-58Bi была больше, чем у более позднего. В то же время толщина IMC-слоя припоя Sn-58Bi была увеличена критически на 124,8% с 1,49 мкм м до 3,35 мкм м и была выше, чем у Sn-58Bi-0,5La при 100 °. C для разного времени выдержки. Как видно из рисунка 10, Dong et al. [25] исследовали эффекты добавления 0,1 мас.% РЗЭ (в первую очередь Ce и La) и 0.5 мас.% Ag на среднюю толщину ИМС Sn-58Bi / Cu. Сначала все припои были оплавлены. Оказалось, что только толщина ИМС Sn-58Bi-o.5Ag увеличилась на 31,4% с 1,75 мкм м до 2,3 мкм м. После старения в течение 168 часов при 80 ° C изменения были значительными. Было заметно, что толщина IMC была значительно увеличена в дополнение к припою Sn-58Bi-0.1RE после высокотемпературного старения. Поскольку элементы RE могут улучшить химические реакции на границе раздела и обеспечить очень прочное соединение во время пайки, увеличение толщины IMC Sn-58Bi-0.Припой 5Ag-0.1RE после старения был меньше, чем припой Sn-58Bi-0.5Ag. Причиной этого может быть тот факт, что РЗЭ элементы имеют более сильное сродство к кислороду, чем большинство металлов, и имеют тенденцию восстанавливать оксиды металлов. Таким образом, можно обнаружить, что добавка 0,5 мас.% Ag значительно увеличила толщину IMC на 121% с 2,3 мкм м до 5,1 мкм мкм. Wu et al. [53] обнаружили, что есть богатые Bi дендриты, Ag 3 Sn и RE (Bi, Sn) 3 , близкие к слою Cu 6 Sn 5 IMC, наблюдая SEM-изображения межфазных микроструктур. паяных соединений Sn-Bi-Ag / Cu и Sn-Bi-Ag-RE / Cu после оплавления.По мере увеличения добавления RE Cu 6 Sn 5 на границе паяных соединений Sn-Bi-Ag-RE / Cu уменьшалась, и толщина слоя IMC была меньше, чем у других, когда содержание добавляемого RE составляло 0,25. %. 8. Надежность В электронных корпусах основной причиной отказа электронных устройств является тепловая усталость, составляющая 55%, когда полупроводниковые корпуса подвергаются воздействию различных сред, таких как температура, влажность, пыль, удары и вибрация [54].Во время термоциклирования паяные соединения подвержены отказам, хотя они обеспечивают надежное соединение между корпусом и платой в электрических устройствах [93]. В то же время Лю и Шан [94] обнаружили, что старение способствует сегрегации Bi на границе раздела Cu-интерметаллид, что приводит к резкому снижению сопротивления усталости и разрушению границы раздела. Усталостная долговечность Sn-58Bi, Sn-35Bi-0.3Ag и Sn-35Bi-1.0Ag была исследована Zhang et al. [34]. Результаты показали, что усталостная долговечность припоя Sn-35Bi с 0.Содержание Ag на 5 и 1,0 мас.% Увеличилось на 13,75% и 20%, соответственно, по сравнению с припоем Sn-58Bi. В то же время некоторые исследователи также исследовали влияние добавления Ag на термическую усталостную долговечность припоя Sn-58Bi. Все паяные соединения, включая паяные соединения Sn-58Bi, Sn-37Pb и Sn-58Bi-2Ag, испытали температурный профиль, который составлял -20 ° C ↔ 100 ° C с часом на цикл и временем выдержки 10 минут на низкие и высокие температуры. Sn-37Pb прослужил дольше, чем Sn-58Bi.Усталостная долговечность припоя Sn-58Bi с добавкой 2 мас.% Ag была значительно увеличена, и вначале она превышала усталостную долговечность припоев Sn-58Bi и Sn-37Pb [95]. Однако с увеличением циклической деформации усталостная долговечность этих паяных соединений снизилась. 9. Выводы Как видно из вышеизложенного, свойства припоев Sn-Bi, такие как смачиваемость, поведение при плавлении и механические свойства, а также паяные соединения были значительно улучшены за счет добавления легирующих элементов.Например, средняя прочность на разрыв увеличилась на 12,6% после добавления 0,1 мас.% Cu к припою Sn-40Bi. Влияние добавления РЗЭ на микроструктуру припоев Sn-Bi было очевидным из-за его более высокой активности. Наночастицы часто добавлялись для усиления свойств паяных соединений. Однако свойства были также уменьшены для избыточных элементов. Например, UTS Sn-58Bi-Zn сначала увеличивалось, а затем уменьшалось с увеличением добавления элемента Zn [45]. Поэтому очень важно выбрать соответствующее количество этих добавок.Добавление наночастиц и РЗЭ не привело к значительному изменению температуры плавления припоев Sn-Bi. В то же время обнаружено, что влияние добавок наночастиц на микроструктуру припоев Sn-Bi очевидно, а добавление незначительных элементов сплава может снизить толщину интерметаллида. Конкурирующие интересы Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Выражение признательности Это исследование финансировалось Исследовательским инновационным проектом для выпускников колледжей провинции Цзянсу (KYZZ16_0469), Китайским фондом естественных наук (51475220), Государственным фондом лаборатории передовых паяльных присадочных металлов и технологий (Исследовательский институт Чжэнчжоу) машиностроения) (SKLABFMT-2015-03), проект «Шесть видов квалифицированного персонала» провинции Цзянсу (XCL-022), проект Цин Лань и план развития талантов Педагогического университета Цзянсу (YQ2015002).Лян Чжан и Фань Ян получили исследовательские гранты Педагогического университета Цзянсу. Припои — NEY Metals & Alloys 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N32 Стержни 3/32 «x 18» Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. не требует флюса. Связь металл-металл. 100% металлический сплав. Сильнее основного металла — до 45 900 фунтов на квадратный дюйм. Низкая температура. Между 717 F и 737 F градусов рабочая температура.Более чем на 500 градусов ниже точки плавления алюминия. Используйте любой источник тепла, например пропан, бутан, мапп или кислородно-ацетиленовую горелку. Хранит безопасно и бессрочно. Простой — универсальный — портативный. Паяет все алюминиевые сплавы, включая цинк, магний, металлический корпус и литье. 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N32MM200 Стержни диаметром 3/32 дюйма x 200 мм Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N380 1/8 дюйма X 18 дюймов Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N380CM45 Диаметр 1/8 дюйма x длина 45 см Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N380MM250 Диаметр 1/8 дюйма x длина 250 мм Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. 380 Алюминиевый припой без флюса 8934N380MM400 Диаметр 1/8 дюйма x длина 400 мм Наш припой Ney 380 — это запатентованная формула. 60/40 ОЛОВИННЫЙ СВИНЦОВЫЙ СПЛАВ 760NCAP Закрывающие стержни площадью 1/4 « Олово 58-60%, свинец 40-42% Самый популярный из имеющихся припоев на основе олова / свинца.Имеет низкий диапазон плавления. 60/40 ОЛОВИННЫЙ СВИНЦОВЫЙ СПЛАВ 760NREG Обычный бар Олово 58-60%, Свинец 40-42% Припой со сплошной проволокой 60/40 оловянно-свинцовый 760NS062 , ТОЛЩИНА X 0,062 дюйма (минимум 100 фунтов) Олово 58-60%, Свинец 40-42% Припой со сплошной проволокой 60/40 оловянно-свинцовый 760NS095 .Трос диаметром 095 дюймов — катушки 5 фунтов (минимум 100 фунтов) Олово 58-60%, Свинец 40-42% Припой со сплошной проволокой 60/40 оловянно-свинцовый 760N125 Трос диаметром 1,25 дюйма — катушки 5 фунтов (минимум 100 фунтов) Олово 58-60%, Свинец 40-42% 50/50 оловянно-свинцовый припой 75012CN Форма провода Олово: 49-50%, свинец 49-50% Дешевле, чем припой 60/40.Подходит для пайки сплавов на основе меди без цинка 50/50 оловянно-свинцовый припой 750NB 1 # Пустая полоса Олово: 49-50%, Свинец 49-50% 50/50 оловянный свинцовый припой 750NCAP Закрывающие стержни площадью 1/4 « Олово: 49-50%, Свинец 49-50% ПРИПЕЙКА ДЛЯ ОЛОВЯНЫХ ТВЕРДЫХ ПРОВОЛОК СОРТА A 100 SN -.032 7000NS32N Проволока диаметром 1/32 дюйма Олово: 99,85 Бессвинцовый припой для ювелирных изделий и пищевых продуктов. 70/30 оловянно-цинковый припой 7702BN Олово 70%, цинк 30% Предназначен для низкотемпературной пайки цинка и алюминиевых сплавов, чтобы предотвратить плавление основного металла. Легкоплавкий сплав 136 градусов F 2491DS1CN Форма провода Висмут: 49%, индий: 21%, свинец: 18%, олово: 12% Низкоплавкая проволока с температурой плавления 136 ° F Легкоплавкий сплав 158-165 градусов F 2502DS1CN Проволока диаметром 1/8 дюйма Висмут: 50%, Свинец: 25%, Олово: 12.5%, кадмий: 12,5% Низкоплавкая проволока с температурой плавления 158 ° F Свинцово-серебряный припой 5951DS1CN .063 Диаметр проволоки на катушках 5 фунтов Руководство по выбору припоя | Инженерное дело360 Припой — это металлический сплав, используемый для соединения металлов. Термин «припой» обозначает группу присадочных металлов, используемых в качестве расходных материалов при соединении двух металлических частей вместе — процесс, известный как «пайка».«Пайка была очень распространенным методом металлообработки на протяжении всей истории человечества и остается постоянным процессом в таких разнообразных областях, как изготовление ювелирных изделий, сантехника и производство электроники. Этот процесс включает плавление присадочного металла (припоя) и его заливку в металлическое соединение. Ибо По этой причине важно, чтобы присадочный металл имел более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.Пайка создает «достаточно прочное» уплотнение, что означает, что соединение должно удерживаться, если уплотнение не будет намеренно отменено путем распайки. На изображении ниже показана пайка зачищенного провода вручную. Утюг (справа) нагревает припой (вверху), чтобы соединить провод с поверхностью или другим проводом; в этом случае зачищенный провод лужится. Дым, видимый на изображении, является типичным побочным продуктом большинства процессов пайки. По сути, пайка состоит из припоя и источника тепла, обычно паяльника или паяльного пистолета, которые расплавляют и расплавляют припой на место. Паяльные машины — это более совершенное оборудование, которое обеспечивает дополнительные функции, помимо ручной пайки. Припой обычно изготавливается из сплавов с температурой плавления от 180 ° до 190 ° C. Важно отметить, что, хотя припой используется для создания прочного металлического соединения, на самом деле он не сплавляется с твердыми металлами, которые необходимо соединить. Поскольку припойные сплавы должны смачивать поверхность металлических деталей перед их соединением, детали должны быть нагреты до температуры выше точки плавления припоя. В состав припоя может входить флюс , добавка для улучшения текучести. Поскольку нагрев металла вызывает быстрое окисление, флюс также используется для очистки оксидного слоя с поверхности металла, чтобы обеспечить чистую поверхность для пайки; этот процесс показан на изображении ниже.Обычные флюсы включают хлорид аммония, хлорид цинка, канифоль и соляную кислоту. Сплав припоя Температура плавления, токсичность и применение припоя почти полностью определяются металлами, из которых он изготовлен. Раньше все припои содержали свинец, но недавние опасения по поводу токсичности и отравления свинцом стимулировали более широкое использование бессвинцовых припоев. Сплавы указаны как своего рода химическая «формула», с процентным содержанием каждого элемента, представленным в виде нижнего индекса.Например, припой олово / свинец, содержащий 63% олова и 37% свинца, обозначается как Sn 63 Pb 37 . Свинцовые припои Сплавы олово / свинец (или Sn / Pb) — очень распространенные универсальные припои с широким спектром применения. Как и большинство припоев, Sn / Pb производится с различными концентрациями элементов в зависимости от предполагаемого применения. Некоторые распространенные концентрации, точки плавления и применения перечислены в таблице ниже. Концентрация (% Sn / Pb) Температура плавления ( ° C / ° F) Заявка 63/37 183/361.4 Электрические / электронные компоненты 60/40 188/370 Электрические компоненты 50/50 212 / 413,6 Трубы / сантехника Из-за возрастающих ограничений на продукты, содержащие свинец, использование припоев на основе олова / свинца и свинцовых припоев в целом неуклонно сокращается.Припои Sn / Pb в основном исчезли из водопроводных систем в пользу сплавов серебра, но по-прежнему используются в производстве электротехники и электроники, в газопроводах и пайке латуни. Припои свинец / цинк (Pb / Zn) дешевле традиционных припоев Sn / Pb из-за относительно более высокой стоимости олова. Некоторые свинцово-цинковые сплавы, такие как Sn 30 Pb 50 Zn 20 , широко используются для экономичного соединения металлов, включая алюминий и чугун.Этот состав также использовался для ремонта оцинкованных поверхностей. Обычно цинк добавляют в припои для снижения температуры плавления и снижения затрат. Припои бессвинцовые Бессвинцовые припои стали гораздо более распространенными благодаря новому законодательству и налоговым льготам в отношении бессвинцовых продуктов. Директивы об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) и об ограничении использования опасных веществ (RoHS), принятые Европейским союзом (ЕС) в 2006 году, фактически запретили намеренное использование свинцовых припоев в бытовой электронике европейского производства.В бессвинцовых припоях обычно используется некоторая комбинация индия (In), олова (Sn) или алюминия (Al). Интересно, что кадмиево-цинковый (Cd-Zn) припой, хотя и считается бессвинцовым сплавом, не соответствует требованиям RoHS из-за запрета директивы на кадмий, а также свинец. За исключением Cd-Zn, большинство бессвинцовых припоев не считаются токсичными. На приведенном ниже графике показано полезное визуальное сравнение температур плавления различных бессвинцовых припоев на основе олова, многие из которых подробно обсуждаются ниже. Припой из чистого индия обычно используется в производстве электроники.Сплавы индия очень полезны для пайки компонентов поверхностного монтажа (SMT) и деталей с материалами на основе золота, керамики, кварца или стекла. Он имеет низкую температуру плавления около 157 ° C (314,6 ° F). Индиевые припои наиболее подходят для низкотемпературных применений и могут поддерживать герметичность в криогенных средах. Олово / сурьма (Sn / Sb) — высокопрочный сплав, широко используемый в сантехнической промышленности. Он также используется в электронике для пайки контактов и крепления кристаллов.Припои на основе олова и сурьмы создают прочную связь с хорошей термостойкостью даже в условиях высоких температур. Сплавы Sn / Sb плавятся при температуре около 235 ° C (455 ° F) и также используются в системах кондиционирования воздуха, холодоснабжения, витражах и радиаторах. Олово / серебро (Sn / Ag) припои представляют собой обычную группу сплавов, часто используемых для пайки волной и пайки оплавлением. Вообще говоря, серебро добавляется в сплавы для улучшения механической прочности, хотя обычно его содержание ограничивается менее 3% от общего состава сплава, чтобы снизить риск плохой пластичности и растрескивания.Обычные составы включают Sn 95,8 Ag 3,5 Cu 0,7 и Sn 96,5 Ag 3,5 , которые имеют относительно высокие температуры плавления 217 ° C и 221 ° C, соответственно. Цинк / алюминий (Zn / Al) припой имеет очень высокую температуру плавления 382 ° C (719,6 ° F) и особенно полезен для пайки алюминия. Цинк / алюминий имеет состав, благоприятный для хорошего смачивания. Кадмий / цинк Сплавы (Cd / Zn) — это среднетемпературные припои, используемые для соединения большинства металлов, особенно алюминия и меди.Припои кадмий / цинк образуют прочные, устойчивые к коррозии соединения и подходят для применения в условиях высоких вибраций и напряжений. Хотя сплавы Cd / Zn доступны в нескольких различных составах, большинство из них имеют температуру плавления около 265 ° C (509 ° F). Форм-фактор Припой доступен в различных форм-факторах, включая пасту, порошок, проволоку и предварительно отформованный. Выбор между этими типами припоя требует анализа области применения и общих потребностей. Припой для преформ является наиболее специфическим (и ограничивающим) типом припоя, который представляет собой заранее изготовленную форму, предназначенную для специального применения.Припои преформ часто штампуются и могут включать цельный флюс. Паяльная паста состоит из порошкового припоя, смешанного с толстым флюсом, и наносится на печатную плату с помощью трафарета. Флюс служит временным клеем для удержания компонентов на плате до тех пор, пока паста не нагреется; после нагрева образуется более прочная физическая связь. Пасты обычно изготавливаются из сплавов олова и свинца. Проволока для припоя доступна в различных вариантах толщины и конфигурации.Проволока может содержать или не содержать флюс. Стандарты Припойные сплавы и их использование регулируются широким спектром стандартов. Указанные ниже органы по стандартизации связаны со своими соответствующими стандартами. Стандарты для аэрокосмических материалов (AMS) опубликованы SAE International, ранее известной как Общество автомобильных инженеров. Этот набор из более чем 6 400 технических документов включает технические рекомендации, касающиеся ракет, планеров, наземного оборудования управления, воздушных винтов и силовых установок. ASTM International — ранее известное как Американское общество испытаний и материалов — является одной из старейших постоянно действующих международных организаций по стандартизации. ASTM поддерживает более 12000 стандартов, в том числе широкий спектр стандартов, относящихся к припоям, в том числе: ASTM B579 — Электроосажденные покрытия из оловянно-свинцовых сплавов ASTM B907 — Сплавы на основе цинка, олова и кадмия, используемые в качестве припоев ASTM B828 — Изготовление капиллярных соединений путем пайки трубок и фитингов из меди и медных сплавов. Международная организация по стандартизации , или ISO , является хорошо известным международным органом по стандартизации.Его стандарт ISO 9453 является основным стандартом, охватывающим широкий спектр составов мягких припоев. Стандарты MIL-SPEC — это оборонные стандарты США, обеспечивающие функциональную совместимость, качество, универсальность и общую совместимость военной продукции. MIL-S-12204 — это хорошо известный стандарт для припоев на основе олова и свинца. Другие стандарты, относящиеся к припоям, можно найти здесь. Список литературы EPE Magazine — Основное руководство по пайке Total Materia — припои Изображение кредита: Кестер | Университет Пердью | Комплексное издательское дело | Общество минералов, металлов и материалов | MBO Классификация по температуре плавления (пайка и пайка) | Пайка / пайка | Основы автоматизированной сварки В этом разделе объясняется разница между пайкой с припоем и припоем.Как поясняется ниже, каждый из этих методов по-разному влияет на сварочные процессы автоматизации производства. Обязательно к прочтению всем, кто занимается сваркой! Это руководство включает в себя базовые знания о сварке, такие как типы и механизмы сварки, а также подробные знания, касающиеся автоматизации сварки и устранения неисправностей. Скачать Пайка и пайка классифицируются по температуре плавления присадочного материала. При пайке используются присадочные материалы с температурой плавления 450 ° C или выше; в пайке используются припои (мягкие присадочные материалы) с температурой плавления ниже 450 ° C. Классификация по температуре плавления Метод пайки / пайки Пайка (точка плавления: 450 ° C или выше) Метод сварки, при котором используются присадочные материалы с минимальным расплавлением основного материала. Пайка на открытом воздухе (факельная пайка, пайка индукционным нагревом и т. Д.) Пайка в контролируемой атмосфере (пайка в печи, пайка в неокислительной атмосфере и т. Д.) Пайка с использованием световой энергии (лазерная пайка) Пайка (точка плавления: ниже 450 ° C) Метод сварки, в котором используются припои (мягкие присадочные материалы) с низкими температурами плавления при минимально возможном плавлении основного материала. No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт