Припої (матеріали для паяння)

Паяння – спосіб з’єднання металевих або металізованих деталей з допомогою чистих металів або спеціальних сплавів, що називаються припоями. Мета паяння – створення механічно міцного і герметичного шва або електричного контакту з малим перехідним опором (рис.11). При паянні крім припоїв застосовують допоміжні речовини – флюси.

Припій – матеріал, яким у розплавленому стані заповнюють проміжок між з’єднуваними частинами виробу або створюють електричний контакт між ними. При паянні місця з’єднання і припій нагрівають. Оскільки у припою температура плавлення значно нижча, він плавиться, змочує з’єднувані метали, розтікається ними і заповнює проміжок між ними.

В результаті утворюється прошарок, котрий після твердіння з’єднує деталі в одне ціле.

Припої поділяють на дві групи - м’які і тверді. До м’яких належать припої з температурою плавлення нижче 300⁰С і границею міцності на розтяг 16-100 МПа. Тверді припої мають температуру плавлення вище 300⁰С і міцність на розтяг 100-500 МПа.

Припої вибирають з врахуванням роду з’єднуваних металів або сплавів, потрібної механічної міцності, корозійної стійкості, вартості і (при паянні струмопровідних деталей) питомого електричного опору припою. Назва припою, як правило, визначається металами, які входять до його складу в найбільшій кількості. Якщо ж припій містить дорогоцінні метали навіть в невеликій кількості, це враховується у назві.

Найбільш поширеними є м’які припої - олов’яносвинцеві з вмістом олова від 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Їх питома провідність складає близько 10 % від питомої провідності міді, а температура плавлення від 240 до 185⁰С. Якщо необхідна нижча температура паяння, застосовують легкоплавкі припої, що містять вісмут та кадмій. Номенклатура легкоплавких припоїв, які застосовують в радіоелектронній промисловості досить широка.

Останнім часом провідні фірми радіоелектронної промисловості докладають значних зусиль для розробки припоїв, які не містять свинцю.

В провадження нової безсвинцевої технології викликано необхідністю виробництва електронних компонентів, що не містять свинцю як одного з небезпечних токсичних речовин, що накопичуються в організмі людини.

У Європі вже набула чинності заборона на використання свинцю у виробах електронної промисловості, свинець вилучений із припою, доріжок друкованих плат і покриття контактів компонентів. Сьогодні для виробництва припою використовується новий сплав олова, срібла й міді SnAgCu: 95-96% олова, 3-4% срібла й 0,5-1% міді. Залежно від способу установки електронних компонентів на друковану плату використаються різні види припоїв: у вигляді пасти, дроту або трубки.

Як відомо, свинець використовується в традиційному припої для зниження температури плавлення олова. Тому бессвинцовая технологія пайки розрахована на більше високі температури (210-240^оС). Відзначимо, що при цьому збільшується кількість необхідного флюсу, що також повинен зберігати свої робочі властивості при температурі до 260^оС. Певні проблеми можуть виникнути при високотемпературній пайці, коли найближчі компоненти, виконані із пластмаси, можуть піддатися термічному удару.

Для рішення подібних завдань був розроблений низькотемпературний безсвинцевий припій зі змістом індію. При його використанні потрібно спеціальний низькотемпературний флюс.

Відзначимо, що гостру актуальність здобуває проблема очищення повітря. Це пов'язане з тим, що використовується більша кількість флюсу й у паяльному димі утвориться більша кількість часток і газу. При незначному підвищенні температури пайки на кілька десятків градусів кількість шкідливих речовин, що утворяться в результаті пайки, збільшується вдвічі.

Основними причинами переходу до нового типу припоїв (крім екологічної безпеки) є більше високі експлуатаційні характеристики таких припоїв. Однак існує ряд причин, по яких промислове використання такого типу припоїв обмежено. Справа в тому, що безсвинцевий тип припоїв має більше високу температуру пайки, що позначається на складності паяльного встаткування: доводиться витримувати більше вузьку границю термопрофілю (рис. 12).

У статкування повинне мати термодатчики розташовані по всій площі нагрівання друкованої плати й контролювати термопрофиль у режимі реального часу.

Природно, що переустаткування складального цеху для використання бессвинцового типу припоїв економічно невигідно для виробників, однак, на думку фахівців, боротьба за чистоту навколишнього середовища й вимоги до підвищення якості пайки при постійній тенденції зменшення розмірів пристроїв, приведуть до повного переходу електронної промисловості на безсвинцеві припої.

Флюси - допоміжні матеріали, які використовуються при паянні для очищення поверхні металів, для захисту зони з’єднання від шкідливого впливу повітря і забезпечення якісного і надійного з’єднання. Для досягнення цієї мети флюси повинні відповідати таким вимогам:

- вони повинні добре змочувати поверхні металів і поліпшувати розтікання припою;

- розчиняти і видаляти оксиди і забруднення з поверхні з’єднуваних деталей;

-захищати в процесі паяння поверхню металу та розплавлений припій від окислення;

- знижувати поверхневий натяг розплавленого припою для поліпшення змочування ним основного металу;

- мати температуру плавлення на 50-100^оС нижчу температури плавлення припою;

- не змінювати свого складу при температурі паяння;

- не викликати корозії;

- легко видалятися з поверхні після паяння.

Флюси поділяють на активні, безкислотні, активовані та антикорозійні. Активні (кислотні) флюси інтенсивно розчиняють оксидні плівки на поверхні металу, забезпечуючи хорошу адгезію і механічну міцність з’єднання. Оскільки основу цих флюсів складають активні речовини ( соляна кислота, хлористі та фтористі сполуки металів), залишки флюсу після паяння викликають інтенсивну корозію з’єднання і основного металу. Тому активні флюси застосовують лише тоді, коли можливі ретельне промивання і повне видалення залишків флюсу. При монтажному паянні радіоелектронної апаратури застосування активних флюсів виключається.

Безкислотні флюси – каніфоль і флюси на її основі з додаванням неактивних речовин (спирту, гліцерину). Залишки безкислотних флюсів не викликають корозію з’єднання. Безкислотні флюси застосовуються для паяння та лудіння міді, латуні, нікелю та металів, покритих оловом, сріблом та іншими металами та сплавами.

Активовані флюси готують на основі каніфолі з додаванням активаторів – невеликої кількості саліцилової кислоти, солянокислого діетиламіну та ін. Висока активність деяких активованих флюсів дозволяє паяння без попереднього видалення оксидів після знежирювання. Застосовуються для паяння та лудіння вуглецевої сталі, міді та її сплавів, нікелю і його сплавів та інших металів.

Антикорозійні – флюси на основі фосфорної кислоти з додаванням органічних кислот. Залишки цих флюсів не викликають корозії.

Благородні метали

До благородних металів відносять вісім елементів Періодичної системи: рутеній (Ru), родій (Rh), паладій (Pd), осмій (Os), іридій (Іr), платина (Pt) (платинова група), а також золото (Au) і срібло (Ag).

Невеликий зміст у земній корі (10^-5-10^-8 %), порівняно малі річні обсяги світового виробництва (від десятків і сотень кілограм по осмію й рутенію до десятків тонн по платині й до сотень тисяч тонн по золоту й сріблу) і унікальні фізико-хімічні властивості благородних металів ставлять їх в окремий ряд і визначають можливість використання в конструкціях у тих випадках, коли умови експлуатації або технологічних вимог не дозволяють застосовувати інші конструкційні матеріали.

До особливостей застосування благородних металів у різних конструкціях варто віднести: відносну інертність при впливі різних газових і рідких хімічних середовищ, у тому числі біологічних; здатність зберігати геометричні розміри й властивості поверхні (при нагріванні, у ряді випадків аж до плавлення); високий опір деформації й руйнуванню при температурах до 0,9 Т_пл; широкі технологічні можливості до формозміни при виготовленні конструкцій шляхом пластичної деформації (платина, палладій, золото, срібло й сплави на їхній основі) або лиття (золото, срібло і їхні сплави).

Тому, благородні метали незамінні в хімічному виробництві, в електротехніці й електроніці.

Таблиця 2. Фізичні характеристики благородних металів

Властивість Ag Au Ru Os Rh Іr Pd Pt

Температура плавлення Тпл, 0С 1233 1336 2523 3300 2233 2716 1825 2042

Температура кипіння Ткіп, 0С 2400 3150 4350 5300 3900 4850 3150 4100

Рутеній - хімічний елемент VIII групи періодичної системи Менделєєва, один з платинових металів. Він входить до складу деяких сплавів, що володіють високою твердістю і стійкістю проти|супроти| стирання і окислення|окислений|. Без резистивних паст на основі оксидів рутенію, які знайшли застосування|вживання| в тонко-| і товстоплівкових гібридних інтегральних схемах, прогрес електронної техніки був би просто немислимий.

Рис.13. Структура споживання рутенію.

Родій - |завдяки своїй здатності|здібності| відбивати|відбивати| 80% променів видимої частини|частки| спектру, а також високій стійкості проти|супроти| окислення|окислений| є|з'являється| хорошим|добрим| матеріалом для покриття рефлекторів прожекторів і дзеркал точних приладів. Головна сфера його застосування - сплави з|із| платиною|, з|із| яких виготовляють лабораторну і заводську апаратуру, дроти для термопар| і ін. Для вимірювання|виміру| температур до 1600°С| служать термопари з|із| тонких дротів з|із| платини і із|із| сплаву 90% Pt+10%| Rh|. Вищі температури (до 2000°С|) можна вимірювати|виміряти| термопарою з|із| іридію і сплаву 60% Rh| + 40% Ir|.

Рис.14. Структура споживання родію

Паладій -хімічний елемент VIII групи періодичної системи Менделєєва. Важкий,|тяжкий| тугоплавкий, в’язкий і пластичний метал легко витягується в тонкий дріт. Значною сферою застосування паладію є електронна й електротехнічна промисловість (близько 35% загального обсягу споживання), де він знайшов широке застосування при виробництві мобільних телефонів, комп’ютерів, широкоекранних телевізорів, багатошарових керамічних конденсаторів для різноманітних електронних приладів, провідні пасти на основі паладієвих і палладій-срібних| порошків, утворюють струмопровідні доріжки електронних схем і внутрішні електродні шари, а також виводи|висновки| конденсаторів. Паладій і платина є основними в паливних елементах, що генерують електроенергію без забруднення довкілля (рис.15).

Паладій по ряду властивостей близький до платини і часто служить її замінником, оскільки дешевше за неї в 4—5 разів. Використання паладію в електровакуумній техніці обумовлене його здатністю інтенсивно поглинати водень. Останній на відміну від інших газів дифундує в паладій при порівняно низьких температурах (150—300°С) і надмірному тиску 0,015—0,1 Мпа, а потім знов виділяється в чистому вигляді при нагріванні паладію у вакуумі до температур 350— 500°С. Твердий паладій поглинає більш ніж 850-кратний об'єм водню по відношенню до власного об'єму. Виділеним з паладію чистим воднем наповнюють деякі типи газорозрядних приладів. Паладій і його сплави з сріблом і міддю застосовують як контактні матеріали. Паладій володіє вельми хорошими механічними властивостями: межа міцності при розтягуванні — близько 200 МПа, відносне подовження при розриві — до 40%.

Рис.15. Структура споживання палладію.

Осмій - хімічний елемент VIII групи періодичної системи Менделєєва. Він видобувається |виробляє| щорічно|щорік| в украй|надто| малих (кілограмових) кількостях і витрачається переважно на випуск надтвердих спеціальних сплавів, що відрізняються підвищеною стійкістю до стирання.|часток| У частинах|частках| приладів, де потрібна велика твердість і стійкість проти|супроти| зносу, використовують природний осмістий іридій.

Іридій - метал сріблясто-білого|сріблисто-білого| кольору|цвіту|, дуже твердий і тугоплавкий, володіє великою хімічною стійкістю. Завдяки цим цінним|коштовним| якостям іридій разом з інших платиновими металами, а також золотом і сріблом відносять до благородних металів. Ііридій. |застосовують головним чином у вигляді сплаву Pt| + 10% Ir|. З|із| такого сплаву зроблені международні|. еталони метра і кілограма. З|із| нього виготовляють тиглі, в яких вирощують кристали для лазерів, контакти для особливо відповідальних вузлів в техніці слабких|слабих| струмів|токів|. Із|із| сплаву Ir| з|із| Os| роблять|чинять| опори для стрілок компасів і інших приладів (рис.16).

Рис.16. Структура споживання іридію

П латина характеризується м'якістю і пластичністю, добре піддається механічній обробці, але|та| має дуже високу температуру плавлення (1769°C|). Остання обставина довго була великою перешкодою на шляху|колії| переробки платини у вироби. Платину застосовують для виготовлення термопар, розрахованих на робочі температури до 1600°С| (у парі із|із| сплавом платинородій)|. Давачів температури високої лінійності для роботи при високих температурах (рис.17).

Рис.17. Порівняння характеристик платинових, мідних і терморезисторних давачів.

Особливо тонкі нитки з|із| платини діаметром близько 0,001 мм для підвісок рухомих|жвавих| систем в чутливих| приладах отримують|одержують| багатократним|багаторазовим| волочінням біметалічного| дроту платина — срібло з|із| подальшим|наступним| розчиненням зовнішнього| шару срібла в азотній кислоті (на платину азотна кислота не діє).

У наслідок|внаслідок| малої твердості платина рідко використовується для кон­тактів| в чистому вигляді|виді|, але|та| служить основою для деяких контактних сплавів. Найбільш поширеними є|з'являються| сплави платини з|із| іридієм; вони не окислюються|окисляються|, мають високу твердість, допускають велику частоту включень|приєднань|, і застосовуються в тих випадках, коли необхідно забезпечити високу надійність контактів. Структура споживання платини наведена на діаграмі (рис.18).

Рис.18. Структура споживання платини

Золото - метал жовтого кольору (рис.19), стійкий до дії хімічних реагентів навідь при підвищених температурах, високо пластичний, технологічний, добре паяється, вариться будь якими засобами.Основну кількість золота споживає ювелірна промисловість (рис.20)

У мікроелектроніці широко застосовують пасти на основі золота з|із| різним опором. Широке використання золота і його сплавів для контактів слабкострумової|слаботочної| апаратури обумовлене його високими електричними і корозійними властивостями. Срібло, платина і їх сплави при використанні як контакти, що комутують мікроструми при мікронапругах, дають набагато гірші результати. Срібло швидко блякне|тьмяніє| в атмосфері, забрудненій сірководнем, а платина полімеризує органічні сполуки. Золото вільне від цих недоліків|нестач|, і контакти з|із| його сплавів забезпечують високу надійність і тривалий термін служби. Золоті припої з|із| низьким тиском|тисненням| пари використовують для паяння вакуумнощільних швів деталей електронних ламп, а також для пяаяння вузлів у аерокосмічній промисловості.

Рис.19. Золото Рис.20. Структура споживання золота

До недоліків варто віднести низьку абразивостійкість, схильність до взаємодіфузії з іншими матеріалами навіть при низьких температурах. Відзначені недоліки частково усуваються введенням у золото модифікуючи домішок, таких як Co, Ni, Ag і т.д. Використовується для гальванічного покриття відповідальних контактів елементів радіотехнічних приладів рис.12 та у виробництві мікросхем. У вимірювальній техніці для контролю температури і особливо для вимірювання|вимірів| низьких температур використовують сплави золота з|із| кобальтом або хромом.

Рис.21. Позолочений штекер

Контрольні питання

1. За яких умов в ланцюзі, що складається з двох різних металевих провідників, виникає термоЕРС?

2. В яких випадках необхідно отримати якомога меншу, а в яких випадках - якомога більшу термоЕРС? Наведіть приклади.

3. Які матеріали використовуються для виготовлення термопар? Приведіть їх класифікацію залежно від діапазону температур, що вимірюються.

4. У чому полягає сутність явища тензоефекта?

5. З яких матеріалів виготовляють чутливу частину тензорезистора.

5. Які матеріали використовуються при паянні?

6. Які метали отримали назву «благородні метали»?

Лекція 6

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ДІЕЛЕКТРИКАХ