13.1.3. Методы получения паяных соединений

Методом пайки соединяют металлы, находящиеся в твердом состоянии. Для этого в зазор между соединяемыми металлами вво­дят жидкий припой, взаимодействующий с металлами и образующий жидкую прослойку, кристаллизация которой при понижении температуры приводит к образованию паяного шва. Стадии процесса пайки следующие:

-удаление с поверхности металлов жировых загрязнений и оксидных пленок;

-растекание жидкого припоя и заполнение зазора между металлами;

-взаимодействие материалов на границе твердый металл —жидкий припой;

-кристаллизация припоя.

Флюсы и припои

Жировые загрязнения удаляются с поверхностей металлов промывкой их растворами с поверхностно-активными веществами или органическими растворителями. Оксидную пленку с поверхности металлов удаляют перед пайкой или на ее начальной стадии флюсом, имеющим температуру плавления на 30...50°С ниже температуры пайки. Флюс должен растворять оксидные пленки с паяемых поверхностей и поверхности жидкого припоя, легко удаляться после пайки и не вызывать коррозии паяного шва. При соединении ЭРК в качестве флюса используют канифоль, в состав которой входит слабая органическая кислота (абиетиновая), растворяющая оксиды меди и олова при температуре пайки.

Для повышения активности флюса в его состав вводят более сильные органические кислоты (салициловую, лимонную, щавелевую и др.) или добавляют органические соли соляной кислоты, например диэтиламин солянокислый (C₂H₅)2NH₄HC1. Однако активированные флюсы и их остатки после пайки могут вызвать коррозию проводников и паяных соединений, а также снижение сопротивления изоляции диэлектриков. Поэтому после пайки их удаляют очищающими жидкостями. Технологически удобны водоудаляемые флюсы.

В табл. 13.5 представлены характеристики некоторых флюсов, применяемых для пайки оловянно-свинцовыми припоями.

На второй стадии процесса пайки расплавленный припой рас­текается по чистой поверхности металлов под действием силы по­верхностного натяжения, а заполнение им зазора происходит под действием капиллярных сил. При правильном выборе зазора меж­ду выводом компонента и стенкой металлизированного отверстия ПП припой должен заполнять его по всей толщине ПП.

После растекания жидкого припоя по поверхности паяемого материала на границе припой—металл начинается процесс вза­имной диффузии этих материалов. Взаимная диффузия приводит к образованию диффузионной зоны, состоящей из интерметалли­ческих соединений (при пайке меди припоями на основе олова — это соединения типа Cu₃Sn и Cu₃Sn₅).

Все интерметаллические соединения — хрупкие вещества, по­этому с ростом толщины диффузионной зоны прочность паяного соединения падает, что приводит к необходимости ограничения времени пайки до 3...5 с.

Основу припоев составляют олово и свинец, к которым для придания специальных свойств добавляют висмут, сурьму, кад­мий и цинк. Висмут и кадмий снижают температуру плавления припоя, а сурьма повышает ее и увеличивает прочность соединения. При увеличении содержания олова растет механическая проч- ность припоя, но возрастает и его стоимость, так как олово существенно дороже свинца.

Таблица 13.5

Марка флюса	Назначение	ТО удаления остатков флюса
ФКСп	Лужение и пайка ЭРК	Промывка спиртобензиновой смесью
ФПС-6	Пайка узлов ПП при температуре до 300 °С	Можно не удалять
ФПС-8	Пайка узлов РЭС при тем­пературе 130...300°С	Промывка (10... 15 мин) горячей водой (50... 100°С)
ФПС-10	Предварительное лужение и восстановление паяемости ЭРК после длительного хранения	Тщательная промывка горячей водой или органическими растворителями (флюс очень активен)

Для пайки электромонтажных соединений РЭС используют различные марки припоев на основе олова (табл. 13.6). Наиболее распространенным является припой марки ПОС-61, представляющий собой эвтектический сплав олова и свинца. Этот припой имеет малый интервал температуры плавления и кристаллизации, хорошо смачивает многие металлы и легко затекает в зазоры

Таблица 13.6

Марка припоя	Состав, %	Тпл °С	Применение в ТО пайки
Сплав Розе	Sn25/Pb25/Bi50	90. ..94	Лужение ПП
ПОСВ-33	Sn33,4/Pb33,3/Bi33,3	120. ..130	Лужение ПП
ПОС-61	8п59...61/РЬ(осталь-ное)/8Ь(до 0,08)	182. ..185	Пайка проводов в ПХВ изоляции и катушек
ПОС-63	Sn63/Pb37	183. ..185	Пайка волной припоя
АВИА-1	Sn55/Cd20/Zn25	200	Пайка алюминия и его сплавов
ПС-78	Snl5/Pb78/Sb7	231	При необходимости использования припоя с повышенной прочностью на разрыв

Возникшие экологические проблемы вызвали введение в ряде стран законодательных мер по запрещению использования свинца во всех технологических процессах изготовления РЭС.

В табл. 13.7 приведены параметры бессвинцовых припоев.

По сравнению с припоем ПОС-61 бессвинцовый припой Sn/Bi гораздо дороже, а остальные припои имеют большую температуру плавления, что требует повышения температуры пайки на 10...30 ⁰С, а следовательно, приводит к снижению надежности ПП.

Припои для пайки выпускают в виде прутков, литой проволоки, трубки диаметром от 3 до 0,5 мм, заполненной флюсом, и фольги. Выпускают также прессованную проволоку, в которой каждое зерно припоя покрыто пленкой канифоли. Требуемый расход композитного самофлюсующего припоя марки ПОС-61 КП на 10...30 % ниже расхода других припоев.

.Таблица 13.7

Марка бессвинцовых припоев	Состав, %	Тпл °С
Sn/Bi	Sn42/Bi58	135 ...140 (эвтектика)
Sn/Zn	Sn91/Zn9	195. ..200
Sn/Bi/Zn	Sn89/Zn8/Bi3	189. ..199
Sn/Ag/Cu	Sn95,5/Ag3,8/CuO,7	2 1 7 (эвтектика)
Sn/Ag	Sn96,5/Ag3,5	221 (эвтектика)
Sn/Cu	Sn99,3/CuO,7	227 (эвтектика)

Для электрического монтажа компонентов на ПП часто используют припойные пасты (табл. 13.8) — механическую смесь мелкодисперсного порошка припоя (с диаметром зерен 10...150 мкм), флюса и связующего материала. Их клеящие свойства позволяют закреплять выводы компонентов поверхностного монтажа на кон­тактных площадках ПП

Таблица 13.8

Марка пасты	Назначение	Тпл °С	Способ удаления остатков	Марка припоя в пасте
Трасса-9401	Пайка узлов РЭС	235+10	Можно не удалять	ПОС-61
Трасса-9402	Пайка узлов РЭС и изделий микроэлектроники	235± 10	Горячей водой	ПОС-61
Трасса-9403		150 + 10		ПОСВ-45

На предприятиях России широко применяют припойные пасты производства Украины марок ПЛ-111, ПЛ-112, ПЛ-211, ПЛ-312. Основой этих паст являются порошки припоев ПОС-61, ПОСК 50-18, ПОССу 61-0,5 (с диаметром зерен от 5 до 100 мкм).

Российские производители выпускают юстированные припои.

В производстве нашли применение припои ряда зарубежных фирм.