Припои: особенности и разновидности

Что такое припой и для чего он нужен?

Припой является важным компонентом пайки. Это расходный материал, который соединяет между собой ножки радиодеталей и контакты дорожек на плате, скрепляет две металлические детали либо же заполняет прорехи в металле при реставрации эмалированной посуды. Соединение происходит благодаря затвердеванию припоя, который наносится между соединяемыми поверхностями в расплавленном виде — поэтому температура его плавления должна быть меньшей, чем температура плавления скрепляемых деталей.

В качестве припоя используются металлы или сплавы металлов, к которым могут добавляться примеси других металлов с целью изменения свойств. Например, температуры плавления, прочности, смачиваемости. Разумеется, процентное соотношение металлов также варьируется. Поэтому ассортимент припоя огромен.

Универсальных припоев не существует, ведь он должен иметь характеристики, соответствующие соединяемым деталям, а также отвечать требованиям эксплуатации.

Основными свойствами припоя считаются смачиваемость и температура плавления. От первого параметра зависит то, насколько хорошо жидкий припой будет растекаться по поверхности и заполнять все полости. Второй параметр влияет на температуру нагрева жала или потока горячего воздуха, а также на соединяемые элементы. Из-за этого припой должен иметь меньшую температуру плавления, чем спаиваемые детали, иначе они оплавятся и контакт ухудшится.

Температуру плавления припоя разделяют на два порога: нижний и верхний. Нижний порог температуры обозначает начало плавления легкоплавких компонентов припоя. Верхний порог указывает температуру, при которой весь припой переходит в жидкое состояние. Интервал между этими состояниями называют интервалом кристаллизации припоя. При нанесении припоя с температурой кристаллизации место пайки будет хрупким, а соединение может быстро разрушиться. Также следует знать, что до окончательного затвердевания припоя паянное соединение нельзя подвергать нагрузкам.

К другим физико-механическим свойствам припоев относят удельное электрическое сопротивление, сопротивление разрыву, плотность, теплопроводность, твёрдость.

Разновидности припоев

Существует большое разнообразие припоев. Оно определяется температурой плавления, наличием свинца, количеством компонентов, а также формой выпуска. Кроме того, припои отличаются составом.

Температура полного расплавления у каждого припоя своя, однако по данному параметру припои классифицируются на два типа: мягкие и твёрдые. К мягким (или легкоплавким) относят припои, температура плавления которых составляет не более 300°С. К твёрдым (или тугоплавким) — припои с температурой плавления от 300°-450°С. При этом эти две группы припоев отличаются свойствами. Так, предел прочности мягких припоев находится в пределах 16-100 МПа, тогда как у твёрдых он составляет 100-500 МПа.

В зависимости от наличия свинца припои делятся на свинцовые и бессвинцовые. Это вызвано тем, что свинец является токсическим веществом. Поэтому в последнее время они стали замещаться бессвинцовыми сплавами, которые менее опасны для человека.

Такой параметр, как количество компонентов редко встречается в классификации, поскольку большинство современных припоев состоят из двух или трёх металлов, но в качестве припоя может использоваться и одно олово. Хотя, из-за его дороговизны, одно олово, как правило, не применяется в роли припоя.

Форма выпуска припоев тоже может быть разной. Она отличается в зависимости от типа припоя. Так, мягкие или легкоплавкие изготавливают в виде проволоки разного диаметра (от 0,25 мм до 3 мм), намотанной на катушку или упакованной спиралью в колбе. Изредка могут поставляться в виде прутков. Существуют мягкие припои в виде шариков для поверхностного монтажа BGA компонентов с помощью бесконтактной пайки. Твёрдые или тугоплавкие припои также делают в виде катушек с намотанной проволокой. Некоторые разновидности твёрдых припоев производят в виде зёрен, полос или прутков.

Ещё одним параметром можно считать состав. Причём это касается не только основных компонентов, ведь в состав припоя в небольших количествах (десятые, сотые или даже тысячные части процентов — 0,002% или 0,1%) входят примеси. Например, в оловянно-свинцовых припоях могут присутствовать сурьма, висмут, мышьяк, железо, никель, цинк и другие химические вещества. Кроме этого, в состав припоя может входить флюс или канифоль (используется для очистки поверхностей от окислов и улучшения растекаемости припоя). Припои с флюсом в своём названии могут иметь приставку "flux" или букву "Ф" (если марка припоя указывается по советскому стандарту).

Легкоплавкие (мягкие) припои

Наиболее распространёнными припоями являются легкоплавкие, или мягкие. Как понятно из названия, они плавятся при относительно небольших температурах. К ним относят припои, верхний порог плавления которых составляет 300°С или 400°С (хотя некоторые виды легкоплавких припоев могут плавиться при температурах 180°-280°С, при этом бывают и низкотемпературные составы, которые расплавляются при температурах 60°-95°С). Такие припои удобны в работе, поскольку с ними можно работать паяльником. При этом, у мягких припоев есть недостаток — меньшая прочность (в сравнении с твёрдыми припоями). Из-за этих особенностей данный вид припоя применяется промышленностью для пайки изделий, деталей и устройств, которые в процессе эксплуатации не будут подвергаться воздействию высоких температур и большим механическим нагрузкам. Кроме того, такие припои распространены среди радиолюбителей — как при ремонте радиоэлектроники, так и при создании новых приборов.

Чаще всего такие припои являются сплавами олова и свинца в разных пропорциях (олово 40%, свинец 60%; олово 50%, свинец 50%; олово 60%, свинец 40%; олово 61%, свинец 39%; олово 63%, свинец 37%). Обозначаются маркой "ПОС" (припой оловянно-свинцовый).

Также существуют трёхкомпонентные оловянно-свинцовые припои. В их состав добавляют висмут или сурьму (олово 25%, свинец 25%, висмут 50% (сплав Розе); олово 33.4%, свинец 33.3%, висмут 33.3%; олово 40%, свинец 58%, сурьма 2%). Легкоплавкие припои с добавлением висмута обозначаются аббревиатурой "ПОСВ". Припои с добавлением сурьмы маркируются "ПОССу".

Впрочем, из-за токсичности свинца, начали выпускать бессвинцовые припои. И даже больше — в Европе и США в 2006 году была принята директива RoHS, запрещающая использование припоев с содержанием свинца при производстве электроники. Однако в сравнении с обычными, оловянно-свинцовыми припоями, бессвинцовые составы требуют соблюдения особенных технологических мер. Зато такие припои можно использовать для пайки медных труб в системах питьевого водоснабжения.

Основным компонентом таких припоев является олово (до 96-98% содержания), к которому добавляют медь, серебро, висмут, индий, цинк. Бессвинцовые припои бывают двух-, трёх- и даже четырёхкомпонентными. Наиболее распространёнными являются припои с следующим составом: олово 97%, медь 3%; олово 96,5%, серебро 3%, медь 0,5%; олово 95,5%, серебро 3,8%, медь 0,7%; олово 96,5%, серебро 3,5%; олово 98%, серебро 2%. По сравнению с оловянно-медными припоями лучшими качествами, как по смачиваемости, так и по прочности, обладают серебросодержащие.

Тугоплавкие (твёрдые) припои

Тугоплавкие, или твёрдые, припои являются паяльными расходными материалами, которые характеризуются высокой температурой плавления — от 450°С. Помимо высокотемпературной пайки, а соответственно, и необходимости использования особенного паяльного оборудования, такие припои отличаются от мягких повышенной прочностью. Пайка твёрдыми припоями применяется для соединения стальных и медных труб, радиаторов и кузовов в автомобилях (как альтернатива сварке), для пайки самоваров, ювелирных изделий.

Для пайки тугоплавкими припоями не подойдут паяльники для контактной пайки, ведь температура плавления таких припоев может достигать 1000°С, поэтому для такой пайки используют газовые горелки, индукторы и печи.

В качестве твёрдого припоя может использоваться технически чистая медь. Однако чаще встречаются припои из сплава меди с другими металлами — оловом, цинком, серебром. При этом большинство дополнительных компонентов снижают температуру плавления.

К высокотемпературным припоям относят медно-цинковые (ПМЦ), медно-фосфорные (ПМФ), медно-серебряные и серебряные (ПСР): медь 40-45%, цинк 53-58%, примеси до 2%; медь 45-49%, цинк 49-53%, примеси до 2%; серебро 10%, медь 52-54%, цинк 38%; серебро 45%, медь 20-30%, цинк 25-35%; серебро 25%, медь 39-41%, цинк 34-36%; серебро 70%, медь 25-26%, цинк 4-5%.

Из разнообразия твёрдоплавких припоев можно выделить серебрянные. Они способны спаять разные маталлы — медь, серебро, сталь.

Какой припой выбрать?

При выборе припоя следует руководствоваться такими критериями, как способ пайки, прочность, температурная стойкость спаиваемых деталей и температура плавления припоя. Так, для пайки тонких обмоточных проводов (диаметром 0,05-0,08 мм) или спиральных пружин в контрольно-измерительных приборах можно воспользоваться припоем ПОС-61 (Sn61Pb39). Такой состав обладает отличной электропроводностью и повышенной механической прочностью. Для пайки плавких предохранителей подойдёт припой ПОСВ-33. При пониженных требованиях к прочности шва и в случае повышенного нагрева можно паять припоями ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40.