2.9 Припои

Кроме подвижных контактов в радиоэлектронной аппаратуре широко используются и неподвижные контакты, основными из ко­торых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного элект­рического контакта с малым переходным сопротивлением и хоро­шей механической прочностью, но и для получения вакуумплотных швов.

Пайкой называется процесс получения неразъемных соедине­ний с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых де­талей.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припо­ями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате при­пой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними. На границе соприкосновения расплав­ленного припоя и поверхностей соединяемых деталей происходят сложные физико-химические процессы. Припой диффундирует в основной металл, а поверхностный слой основного металла раство­ряется в припое, образуя промежуточную прослойку. После засты­вания образуется неразъемное соединение.

Наличие оксидных пленок, механических и органических загряз­нений на поверхностях соединяемых деталей затрудняет процесс пайки. Поэтому перед пайкой соединяемые поверхности тщатель­но очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомога­тельными составами, называемыми флюсами.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошая жидкотекучесть, т.е. способность легко растекаться в расплавлен­ном состоянии и заполнять узкие зазоры и щели; малый интервал температур кристаллизации; высокая механическая прочность; кор­розионная стойкость; высокая электропроводность.

Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Т_пл до 400°С и твердые с температурой плавления Т_пл выше 400°С.

Кроме температуры плавления припои существенно различа­ются по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении не выше 50...70 МПа, а твердые – до 500 МПа. Различие между пайкой мягкими и твердыми припоями состоит в том, что при пайке мягкими припоями преобладает адгезия (поверхностное сцепление), которая способствует смачиванию, а при пайке твердыми припоями наряду с адгезией - сплавление и диффузия. С повышением температуры скорость взаимной диффу­зии и смачиваемость возрастают.

Основные свойства и область применения мягких припоев при­ведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 – Состав, основные свойства и область

применения мягких припоев

Марка припоя	Химический состав, %	Температу-ра плавления Т, °C	Область применения
ПОС-30	Sn – 30; Pb – 68; Sb – 2	256	Пайка меди, латуней, оцинкованного железа
ПОС-61	Sn – 61; Pb – 38,l; Sb – 0,8; Bi – 0,l	183	Пайка гибридно-пленочных микросхем, полупроводниковых микросхем, печатных плат, радиодеталей
ПOC-61+3%Ag	Sn – 61; Pb – 35,9; Sb – 0,l; Ag – 3	190	То же
ПОС-90	Sn – 90; Pb – 9,7; Sb – 0,3	222	Пайка деталей с гальваническими покрытиями
ПОСК-47	Sn – 47; Pb – 36; Sb – 5,5; Cd – 11,5	142	Создание контактов с посеребренной и омедненной керамикой

Продолжение таблицы 2.10

ПОСИС-1	Sn – 30; Pb – 19; In – 50; Ag – l	130	Пайка проводов к тонким пленкам на подложках из стекла
Сплав Вуда	Sn – 12,5; Pb – 25; Bi – 50; Cd – 12,5	65	Заливка деталей и пайка контактов, требующих пониженных температур
АВИА-1	Sn – 55; Cd – 20; Zn – 25	200	Пайка алюминия и его сплавов
АВИА-2	Sn – 40; Cd – 20; Zn – 25; Al – 15	250	То же
ПСр-2,5	Pb – 92,7; Ag – 2,5	300	Пайка проводов радиодета­лей, работающих при повышенных температурах; пайка элементов микроэлектроники

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них в наибольшем количестве (олово – О, свинец – С, алюминий – А, серебро – Ср, сурьма – Су, медь – М, цинк – Ц, висмут – Ви, кадмий – К). Обозначение драгоценного или редкого металла, вхо­дящего в состав припоя, присутствует в названии марки даже при малых количествах этого металла в сплаве. Марка припоя выбирается в зависимости от рода соединяемых металлов и сплавов, тре­буемой механической прочности, коррозионной стойкости и удель­ной электрической проводимости припоя (при пайке токоведущих частей).

Мягкие припои. Мягкие припои имеют сравнительно невысокую температуру плавления и в ряде случаев не обеспечивают контакту необходимую механическую прочность. Мягкими в основном яв­ляются оловянно-свинцовые припои (ПОС) с содержанием олова от 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет 9...13% от удельной проводимости меди, а температурный коэффициент линейного расширения ТКl больше, чем у меди, на 60...70%. Они содержат эвтектику Sn–Pb с температурой плав­ления Т_пл= 183°С.

Введение сурьмы повышает прочность припоя марки ПОС и уменьшает его «ползучесть» под нагрузкой. По содержанию сурь­мы припои марки ПОС подразделяют на бессурьмянистые, мало-сурьмянистые (0,2...0,5% сурьмы, например ПОССу-30-0,5) и сурь­мянистые (1...5% сурьмы, например ПОССу-40-2).

Добавка кадмия повышает проводимость и механическую проч­ность контакта (например, припои марки ПОСК).

Мягкие припои подразделяют также на низкотемпературные с температурой плавления Т_пл до 400°С и легкоплавкие с температу­рой плавления Т_пл до 145°С. Механическая прочность этих припо­ев не значительна, но они находят применение при пайке деталей, чувствительных к нагреванию (полупроводниковые приборы, тон­копленочные выводы гибридно-пленочных и многокристальных больших интегральных микросхем). Для придания припоям таких свойств в их состав вводят индий, висмут, кадмий. Например, сплав Вуда (50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd) имеет температуру плав­ления всего 65°С.

Разработанные для пайки алюминия и его сплавов припои, со­держащие цинк, кадмий и алюминий, не нашли широкого примене­ния в микроэлектронике.

Мягкие припои используют для пайки внутренних выводов кор­пусов микросхем, проволочных выводов навесных компонентов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов корпусов микросхем, коммутационных слоев печатных плат, мест монтажа бескорпусных интегральных микросхем.

Твердые припои. Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500...900°С) и высокой механической проч­ностью, но технология пайки при этом значительно сложнее и процесс ведется в специальных электрических печах.

Твердые припои на основе серебра (ПСр) применяют при пайке особо ответственных изделий электронной техники. В электрова­куумной промышленности твердыми припоями паяют узлы электронных ламп, электровакуумных устройств, а также герметичных корпусов. Такие припои называются электровакуумными. Они дол­жны обладать следующими свойствами:

- обеспечивать высокую механическую прочность паяного соеди­нения в инертной среде или вакууме без применения флюса, посколь­ку остатки флюса и образующиеся оксиды могут загрязнять внут­реннюю поверхность электровакуумного устройства;

- не испаряться при нагревании и не загрязнять внутренние детали устройства;

- температура плавления припоя должна быть примерно на 100°С выше температуры нагревания прибора Т при вакуумной откачке;

- обладать достаточно большими значениями электро- и тепло­проводности.

Состав, основные свойства и область применения твердых при­поев приведены в таблице 2.11. Они представляют собой сплавы серебро-медь-олово, серебро-медь-индий, которые часто ис­пользуют в порошке, поскольку они отличаются хрупкостью.

Припои для приборов с Т_н = 700°С представляют собой сплавы на основе золота, меди, палладия и никеля.

Таблица 2.11 – Состав, основные свойства и область

применения твердых припоев

Марка припоя	Химический состав, %	Температура плавления Тпл, ˚С	Область применения
ПСр-25 ПСр-70 ПСр-36 ПМЦ-62	Ag – 25; Cu – 40; Zn – 35 Ag – 70; Cu – 20; Zn – 10 Сu – 36; Zn – 64 Сu – 62; Zn – 38	765 730 800 920	Пайка стальных и медных деталей Пайка серебра и платины Пайка латуней и бронз Пайка меди и сталей