Температура плавления без свинцовых припоев
Состав, свойства и особенности припоев без свинца
Ликвидируем безграмотность в таком вопросе, как бессвинцовые припои.
Припои, в составе которых присутствует свинец, называют свинцовыми или свинцовосодержащими.
Стоит отметить тот факт, что соединения свинца вредны для здоровья. В том числе и по этому, в последнее время всё активнее применяются не содержащие свинец припои.
В Европе и США с недавних времён, а точнее с июля 2006 года директивой RoHS принят запрет на использование свинец-содержащих припоев в производстве электроники. Под раздачу также попали такие химические элементы, как кадмий, ртуть, шестивалентный хром и некоторые другие. Их содержание в электронных компонентах строго нормировано.
Наверняка Вы уже наблюдали вот такой логотип на корпусе своего ноутбука или другого электронного устройства (см. фото). Он обозначает, что устройство собрано с применением бессвинцовой технологии.
Эмблема RoHS на корпусе нетбука
Не считайте, что применение бессвинцовых технологий чем-то улучшает потребительские качества электроники. Возможно это и так. Японцы, например, давно занимаются разработкой и внедрением бессвинцовых технологий в производство и, естественно, добились в этом успехов.
Но для тех производителей, которые впервые столкнулись с ограничениями на применение свинца, возникает вопрос переоснащения производства и, как следствие, это удорожает электронную продукцию.
Стоит отметить тот факт, что бессвинцовая технология пайки требует применения соответствующих радиоэлектронных компонентов, адаптированных для пайки припоями без свинца. По сравнению с обычными свинцовыми припоями, они имеют пониженные характеристики по смачиваемости и текучести, требуют соблюдения дополнительных технологических мер при пайке, так как возникает необходимость в выдержке узкой границы термопрофиля.
Известно, что оптимальной температурой при пайке свинец-содержащими припоями считается температура 180 – 2300C. Температура плавления большинства бессвинцовых припоев лежит в интервале 200 – 2500C. Есть и такие, температура плавления которых ниже 1800С.
Припои, не содержащие свинца, дороже обычного свинцово-оловянного. Также вызывает много споров качество пайки бессвинцовыми припоями.
Итак, перейдём ближе к теории.
Для замены свинца в припое применяются такие металлы, как медь (Cu), серебро (Ag), висмут (Bi), индий (In), цинк (Zn) и даже золото (Au).
В изготовлении электроники хорошо зарекомендовал себя трёхкомпонентный сплав олова, серебра и меди (SnAgCu). Процентное соотношение металлов в сплаве может быть разным – до сих пор нет строгого мнения по этому вопросу. Несмотря на это, большую часть в сплаве занимает олово (95-97%). Температура расплавления данного сплава составляет 217-2210C. Чтобы он был пригоден для пайки волной, в него вводят небольшой процент сурьмы (0,5%).
Сплав SnAgCu с добавлением сурьмы (Sb) применяется в изготовлении особо ответственных узлов в оборонной технике и автономных устройствах.
| Сплав | Температура плавления, 0C |
| Sn96,5/Ag3/Cu0,5 | 221 |
| Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 | 217 |
| Sn96,7/Ag2/Cu0,8/Sb0,5 | 216 – 222 |
Хорошими качествами обладают припои, в которых роль свинца выполняет серебро (SnAg).
| Сплав | Температура плавления, 0C |
| Sn96,5/Ag3,5 | 221 |
| Sn98/Ag2 | 221 – 226 |
Наличие в сплаве серебра улучшает механические свойства пайки. Тестами доказано, что припои, содержащие серебро, делают пайку более прочной, чем аналогичные свинцовосодержащие. Кроме того, серебро обладает хорошей проводимостью. Нередко такие сплавы применяются в профессиональной промышленной электронике и системах связи, где механическая надёжность и качество соединения очень важно.
В сплаве Sn42Bi58 вместо свинца используется висмут (его содержание – 58%). За счёт висмута улучшается легкоплавкость (температура плавления 133-1400C), но ухудшается смачиваемость.
Используется в плавких предохранителях, а также при ступенчатой пайке и монтаже деталей и компонентов, чувствительных к высокой температуре.
Припои с содержанием висмута (Bi), индия (In), цинка (Zn) и серебра (Ag).
| Сплав | Температура плавления, 0C |
| Sn93,5/Ag3,5/Bi3 | 206 – 213 |
| Sn90,5/Ag2/Bi7,5 | 207 – 212 |
| Sn89/Bi3/Zn8 | 189 – 199 |
| Sn70/Bi20/In10 | 143 – 193 |
| Bi67/In33 | 107 – 112 |
Припои с содержанием висмута и индия обладают высокой стоимостью. На поставки этих металлов есть ограничения. Также их не рекомендуют применять в приборах с высокой температурой эксплуатации.
Высокотемпературные припои на основе сурьмы (Sb) и золота (Au).
| Сплав | Температура плавления, 0C |
| Sn95/Sb5 | 232 – 240 |
| Sn20/Au80 (Золотой припой) | 280 |
Припой Sn91Zn9 считается высокотемпературным (91% олова и всего лишь 9% цинка). Температура его плавления составляет 195-2000C. Высокую температуру плавления данному сплаву придаёт практически 100% содержание олова, которое также способствует увеличению прочности.
Припои с содержанием цинка заслужили нелучшую славу. Причина в том, что цинк придаёт сплаву повышенную химическую активность и низкую коррозийную стойкость. В связи с этим, припои на основе цинка требуют использования активных флюсов, а это требует обязательной отмывки после пайки. Припойные пасты с содержанием цинка нельзя долго хранить. А пайку ими рекомендуется вести в среде защитного газа.
Наиболее удачным для замены оловянно-свинцового припоя Sn63Pb37 является близкий по свойствам сплав Sn95,5Ag3,8Cu0,7. Он применяется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже элементов.
Двухкомпонентный припой Sn99,3Cu0,7 имеет низкую прочность пайки и довольно высокую температуру расплавления в 2270C. По сравнению с оловянно-медными припоями лучшими качествами, как по смачиваемости, так и по прочности, обладают серебросодержащие. Так припой Sn96,5Ag3,5 успешно применяется при сборке специальной аппаратуры. Тесты показали, что он имеет более высокие показатели надёжности по сравнению с аналогичными свинцовыми припоями.
Как видим, есть припои, в которых свинец отсутствует вовсе, и его нет даже в небольшом процентном отношении. Но так ли плох свинец на самом деле?
Свинец, как в виде сплава, так и в чистом виде известен человечеству давно. Использовался для изготовления даже водопровода в Древнем Риме! Да, именно так, хотя его химические соединения опасны для здоровья, он имеет свойство накапливаться в организме.
Свинец довольно дёшев и обладает свойствами, которые придают припою необходимые характеристики. В связи с этим, с помощью свинца и заменяют олово в припое. Свинец устойчив к действию серной кислоты, применяется для опрессовки кабеля. Без свинца не могло бы быть такого важного направления как ядерная энергетика.
Чистым оловом также можно производить пайку, но оно довольно дорого, обладает высокой температурой плавления (231,90C) и таким нежелательным, но удивительным свойством, как “оловянная чума”.
Самое забавное, что принимаются попытки замены свинца на другие компоненты в таких сферах как производство оружия. Ни для кого не секрет, что пули изготавливают, в том числе, и из свинца.
Так что, возможно, в скором времени можно будет сказать, что для уничтожения себе подобных используются боеприпасы безопасные для экологии и здоровья .
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Какой монтажный инструмент необходим начинающему радиолюбителю?
SMD монтаж. Технология поверхностного монтажа.
“Мультирозетка”. Собираем многофункциональную розетку.
Источник
Бессвинцовый припой — безопасная для экологии альтернатива материалам и сплавам, содержащим тяжелые металлы. Их введение обусловлено необходимостью снизить использование таких веществ в промышленности и бытовом потреблении, а также тем, что многие высокоточные электронные компоненты нельзя подвергать интенсивному нагреву. О том, какой может быть температура плавления припоя без свинца, о его марках, особенностях выбора и использования стоит поговорить более подробно.
Общая информация
Бессвинцовый припой — разновидность составов для пайки – считается наиболее экологичным вариантом при соединении металлов. В его составе отсутствуют опасные соединения и тяжелые металлы. С 2006 года припои без свинца являются обязательным требованием к производству электроники в странах ЕС и США. Бессвинцовыми не считаются составы с содержанием кадмия, ртути, 6-валентного хрома.
Температура плавления — одно из основных отличий таких составов. В случае со свинецсодержащими припоями температурный диапазон, оптимальный для их нагрева, составляет от +180 до +230 градусов по Цельсию. Это позволяет использовать паяльники без строгого контроля за термическими характеристиками прибора. Составы бессвинцовой группы не столь однородны. Некоторые припои имеют температуру плавления ниже +180 градусов, но основная масса требует нагрева до +200… 250 градусов Цельсия.
В качестве веществ, замещающих свинец, используют редкоземельные и благородные металлы. В ход идет золото, серебро, медь, реже висмут и индий. Бессвинцовыми являются и медно-цинковые составы, но они имеют более высокую температуру плавления — свыше +300 градусов, в бытовом применении неактуальны.
Из-за более слабой смачиваемости не содержащие свинец припои требуют более тщательного нанесения и подбора флюса. Созданный с их помощью шов также выдерживает меньшие механические нагрузки, чем при пайке оловянно-свинцовыми составами.
Обзор видов
Базовыми считаются всего 4 группы бессвинцовых припоев.
- Оловянные (обозначаются Sn). Они имеют светлый цвет, хорошую электропроводность. Температура плавления составляет +232 градуса по Цельсию.
- Оловянно-медные. Они на 99% состоят из олова, примесь меди не превышает 0,7%. Этот припой применяется для пайки волной в случае сквозного крепления компонентов на печатных платах. В России этой маркировке соответствует ПОМ-07 от «Завода припоев», за рубежом продукт производит японская Asahi, американская компания Tamington. Состав с 3% содержанием меди используется при пайке труб, в том числе в системах питьевого водоснабжения.
- Оловянно-серебряные. Эта группа бессвинцовых припоев обладает повышенными адгезионными свойствами, лучшей текучестью, имеет температуру плавления +221 градус. Процентное соотношение материалов варьируется от 97/3 до 95/5%. Прочность оловянно-серебряных припоев выше, чем у свинцовой группы.
- Мультикомпонентные. Припои, в составе которых присутствует более 2-х металлов, относятся к этой категории. Чаще всего это сплав из олова, серебра и меди с температурой плавления +217 градусов. Оптимальной считается пропорция составляющих 95,5/3,8/0,7%. Такие припои классифицируются как электротехнические, наиболее широко они представлены в радиоэлектронной отрасли. Иногда в состав добавляется сурьма для повышения надежности соединения.
В микроэлектронике также могут применяться сплавы из 52% олова и 48% индия, оловянно-цинковые с пропорцией 91/9%.
Встречаются припои с добавлением серебра и висмута. Они имеют низкую температуру плавления, что несколько ограничивает сферу применения такой продукции. При этом по показателям спаиваемости данный сплав один из лучших.
Популярные марки
Сегодня на рынке представлены десятки марок припоев, не имеющих в своем составе свинца или компонентов на его основе. Среди лидеров индустрии можно выделить нескольких производителей.
- ELSOLD. Европейская компания, успешно работающая более 50 лет. Продукция поставляется потребителям с сопроводительным химическим анализом партии, ориентирована на производство электроники и другой высокоточной техники. Бессвинцовые припои марки сертифицированы для РФ и стран ЕС, используются в космической отрасли, имеют специальную маркировку.
- Asahi. Японский бренд, один из крупнейших на рынке. Предлагает довольно ограниченный выбор продукции. Доверием покупателей пользуется состав SCS7, а также Sn-Cu0.7, легированный медью. Именно продукция Asahi считается эталонной, высоко ценится профессионалами и любителями.
- Alpha Metals. Фирма выпускает популярный бессвинцовый припой Alloy H с температурой плавления +212 градусов. В его составе олово, висмут, медь и серебро. Не подходит припой для пайки сплавов с индием и свинцом. При соблюдении определенных условий может применяться для нанесения методом волны.
- AT&T. Производитель, выпускающий припой Tin-Zinc Indium с 81% олова и 19% цинка в составе. Его отличает низкая температура плавления — всего +178 градусов. Не подходит для спаивания проводов и других компонентов со свинцом в составе.
- ЗАО «Завод припоев». Новосибирское предприятие располагает собственной научно-исследовательской базой, уделяет большое внимание совершенствованию производственных процессов. Среди продукции компании можно выделить припои ПОВи 0,5, ПОМ 0,7, ПОСу 95-5, ПСрО 3-97. Все представленные составы соответствуют актуальным требованиям ГОСТ.
Это основные марки, завоевавшие популярность. Большую часть составов в бюджетных ценовых категориях представляют оловянно-медные сплавы — недорогие и вполне эффективные при правильном применении.
Правила выбора
Подобрать подходящий бессвинцовый припой можно, если учитывать свойства, тип и назначение соединяемых материалов. Некоторые из составов категорически исключают любой контакт со свинцом. Другие допускают соединение с ним. Для нанесения методом наплыва чаще других применяются оловянно-медные составы. Они довольно текучие, имеют подходящую температуру плавления.
Важно понимать, что замена свинцово-оловянного припоя не всегда целесообразна. К примеру, если речь идет об электронных компонентах, имеющих определенные ограничения по термическому воздействию, придется подбирать припой, который будет это учитывать. При этом большинство припоев на основе серебра требует значительного нагрева свыше +220 градусов по Цельсию.
Особенности использования
Процесс пайки с применением бессвинцовых припоев не слишком отличается от работы с составами, в которых этот тяжелый металл присутствует. Сначала поверхность соединяемых деталей освобождается от окислов и загрязнений. Подготовленные таким образом провода или другие объекты пайки покрываются расплавленным припоем, соединяются до полного остывания. Температура плавления большинства бессвинцовых составов ниже, чем у оловянно-свинцовых — при работе важное значение имеет контроль за этими показателями.
Именно поэтому рекомендуется использовать паяльники и станции с терморегуляторами.
А также при выборе жала лучше отдать предпочтение не медному, а никелевому или нихромовому варианту. Выбор флюса тоже имеет значение. Чаще всего в этом качестве выступают жидкие химикаты, а также гели и пасты, не требующие удаления с поверхности детали.
Фактически чем меньше окислов будет скапливаться на жале, тем легче будет идти работа. Соответственно, при использовании бессвинцовых припоев нужно регулярно очищать наконечник инструмента от нагара, следить, чтобы он всегда был покрыт слоем полуды, не подвергался окислению. Нелишним будет приобрести специальные расходные материалы. Обычные жала не рассчитаны на постоянное высокотемпературное воздействие. Специальные – легко переносят его без сокращения сроков службы.
Более детальную информацию о бессвинцовых припоях смотрите в следующем видео.
Источник
Во многих государствах все большее внимание уделяется вопросам экологической безопасности материалов. Накопилась научно подтвержденная информация о вреде свинца и его соединений.
В связи с этим популярность набирает бессвинцовый припой, имеющий хорошие эксплуатационные свойства. Он менее вреден для организма человека.
Общие требования
Количество композиций металлов, не включающих свинец, постоянно увеличивается. Благодаря многолетнему применению на практике, известность получили несколько основных составов. Для многих из них характерно явление эвтектики.
Оно заключается в том, что температура плавления сплава с тщательно подобранным соотношением металлических компонентов ниже, чем у любой другой смеси выбранных металлов. Эвтектические качества бессвинцового припоя позволяют снижать температуру нагрева рабочей зоны, экономить количество потребляемой электроэнергии.
Существуют общее требования к припоям без свинца – отсутствие лишних примесей. Посторонние металлы негативно влияют на качества шва:
- если в сплавах в небольших количествах находится никель, то шов может иметь полости;
- примеси алюминия приведут к получению тусклого и зернистого соединения;
- железо значительно увеличивает вероятность образования окалины;
- медь в избыточном количестве склонна увеличивать смачиваемость;
- сурьма может вызвать образование шва, хрупкого при невысоких показателях температуры.
Важно применять припои, сделанные авторитетными производителями. На предприятиях, профессионально занимающихся получением бессвинцовых припойных сплавов, много внимания уделяется контролю чистоты всех компонентов. Качеству такой продукции можно доверять.
Олово, серебро, медь
Припои из олова и меди применяют давно. Смесь относится к эвтектическим, при этом имеет температуру плавления большую, чем другие припои, не содержащие свинца.
Припойная композиция из олова и серебра имеет отличные эксплуатационные качества. Пайка с ней проводится легко, шов получается прочным и долговечным.
Температура плавления эвтектического композита с серебром равна строго 221 °С. Узкий температурный диапазон плавления – характерная особенность всех бессвинцовых эвтектических смесей.
Припой их трех компонентов: олова, серебра и меди стал применяться гораздо раньше, чем олово-серебряный материал. Он имеет меньший показатель температуры плавления, равный 217 °С.
Некоторые зарубежные производственные компании выпускают бессвинцовый трехкомпонентный композит с соотношением металлов, несколько отличающимся от привычного.
Вследствие этого, температура плавления таких эвтектических смесей может быть иной. Подробная информация о составе обязательно указывается производителем в сопроводительных документах.
Сплавы с висмутом
Лучшей спаиваемостью обладает припой из олова, серебра и небольших количеств висмута. Иногда вместо висмута добавляют германий. Бессвинцовый сплав имеет низкую температуру плавления, которая укладывается в интервал от 200 до 210 ℃.
Значение может изменяться в зависимости от соотношения металлов. Добавки улучшают смачивание деталей расплавом, способствуют образованию качественных швов.
Очень близка температура плавления смеси олова, цинка и висмута к аналогичному показателю свинцовых припоев. Достоинством бессвинцового сплава является отсутствие токсичного компонента.
Однако цинк, как активный металл провоцирует появление многих проблем. Припойная паста подлежит быстрому использованию, при хранении она изменяется.
Паять таким бессвинцовым средством нужно с применением флюсов, в атмосфере инертных газов. Иначе велика вероятность окисления, излишнего зашлаковывания шва.
Какие применять флюсы
В качестве флюсов при проведении бессвинцовой пайки преимущественно применяют композиции в водном растворе, не содержащие летучих органических веществ (VOC).
Они не склонны к воспламенению, обладают активностью в большом диапазоне температур. Составы и пасты на их основе можно хранить в замороженном состоянии сколь угодно долго.
Флюс для бессвинцовой пайки долго не теряет необходимых свойств, обладает хорошим поверхностным натяжением, улучшает текучесть расплавленной массы.
Направления использования
Возможности пайки бессвинцовыми припоями велики. Они включают проведение спаивания волной или в специальных печах.
Можно использовать обычный паяльник. Выбор технологии определяется объектом, условиями эксплуатации спаянного изделия, спецификой производства.
При работе на предприятиях оборонного назначения рекомендуются высококачественные смеси из олова, серебра, меди, к которым при необходимости добавляют сурьму.
Присутствие сурьмы ухудшает экологическую безопасность сплава. Это очень токсичный элемент, смеси с которым применяются только в случае острой необходимости.
Для работы с профессиональной техникой в промышленности, системах связи также пригодны припои из олова, серебра, меди или только оловянно-серебряные составы эвтектического характера.
Для офисного оборудования, аудио- и видеотехники рекомендованы также составы на основе олова, серебра с добавками меди или сурьмы или без таковых. Припои, содержащие висмут, из соображений экономии денежных средств применяются значительно реже.
Влияние на здоровье
Ограниченные возможности применения бессвинцовых припоев в радиоэлектронике, их не очень хорошая смачиваемость и необычная температура плавления вызывают недовольство у многих паяльщиков.
Безопасность оловянных сплавов они ставят под сомнение. Мнение некоторых практиков сводится к тому, что неудобств много, а вред для человека все равно имеет место быть.
Олово, входящее в бессвинцовые припои, обладает токсичностью в случае, если частички попадают в легкие. Олово кипит при температуре 2600°. Это очень высокий показатель, который в процессе пайки, конечно, не достигается. Следовательно, выделение паров олова при спаивании деталей не происходит.
Свинец и все его соединения проявляют сильно выраженное токсическое действие на организм, накапливается в тканях, повреждает почки, кровеносную систему. Особенно он опасен для детей, нарушая развитие нервной системы.
Сам по себе металл не представляет опасности. Олово разрешено к применению в пищевой промышленности. Следовательно, мнение о токсичности бессвинцовых припоев не оправдано.
Пайка с бессвинцовым припоем обычно проводится по известной схеме. Поверхность деталей следует хорошо почистить, расплавить выбранный припой, распределить его на спаиваемой зоне.
Особое внимание нужно обратить на температуру нагрева. Припои без свинца плавятся при меньшей температуре. После охлаждения нужно проверить качество полученного соединения.
Источник