Температура плавления припоя

Что это такое, и почему это так важно?

Цель пайки по умолчанию, независимо от того, какой метод монтажа и какие именно компоненты используются – обеспечить качественное соединение. За ловом «качество» скрывается целый список дополнительных характеристик, например:

• высокая механическая прочность,
• хорошее сцепление с контактной площадкой на плате и выводом компонента,
• высокая электрическая проводимость,
• отсутствие пустот внутри шарика припоя
• и прочих условий, которые в промышленности проверяют на отдельном этапе производства, называемом «контролем качества пайки».

И самое важное: это самое качество обеспечивается, в том числе, правильным подбором температуры плавления, то есть, момента, когда твердый сплав превращается в жидкость. Так недостаточный нагрев может привести к появлению непропаев, плохому растеканию расплава и низкой механической прочности соединения, а перегрев – к повреждению чувствительных компонентов или платы.

Роль припоев после их расплавления заключается в соединении двух или более электрических компонентов вместе. Припои представлены десятками составов сплавов с температурой плавления от 90° до 400°C. Выбор припоя для конкретного применения основан, в том числе, на температуре плавления этого припоя. Например, если применение таково, что устройство будет работать в условиях высокой температуры, выбранный припой должен иметь температуру плавления выше рабочей температуры.

В коммерческом применении припои можно разделить на две категории:

1. эвтектика,
2. неэвтектический.

Слово «эвтектика» происходит от греческого «eútēktos», что означает легкоплавкий. На практике эвтектикой называют сплав, который плавится при одной температуре и при охлаждении затвердевает при одной заданной температуре. Эта способность важна в определенных производственных процессах.

Неэвтектический сплав – это сплав, который не плавится при одной температуре. Эти сплавы имеют так называемый интервал плавления. Сплав начинает плавиться при определенной температуре, затем продолжает плавиться по мере повышения температуры, пока не будет достигнута конечная температура, и сплав не станет полностью жидким. Разница между температурами начала и конца плавления называется интервалом плавления. Некоторые сплавы имеют интервал плавления всего 3°C, в то время как другие – до 75°C. 

Соответственно, во втором случае температура плавления припоя в градусах редко указывается одним конкретным числом, вместо этого выделяют две точки – солидуса и ликвидуса:

• Солидус – температура, при которой начинает плавиться самый легкоплавкий компонент смеси. То есть температура, ниже которой материал остается полностью твердым.
• Ликвидус – температура, при которой заканчивает плавиться последний тугоплавкий компонент. То есть, температура, выше которой материал становится полностью жидким.

Для примера солидус и ликвидус, пожалуй, одного из самых популярных и доступных припоев ПОС 60 составляют 183° и 190°С соответственно.

Какая температура плавления у припоя?

Поскольку припой – это сплав из двух или более металлов с добавлением дополнительных компонентов, его разновидностей существует очень большое количество. Но в контексте этого материала нас гораздо больше интересует другое: от видов основных компонентов и их количественного соотношения напрямую зависит температура плавления. И этот момент даже послужил основой для полноценной классификации на две группы:

• Мягкие – плавятся до 300°С.
• Твердые – выше 300°С.

Причем различаются они не только температурой, но и пределом прочности при растяжении. У первых он составляет около 16-100 МПа, у вторых – 100-500 МПа. Соответственно, мягкие обычно используют для монтажа токоведущих частей, которые не являются несущими и не предусматривают нагрева во время эксплуатации. Твердые – для монтажа нагревающихся деталей или частей, которые будут испытывать механические нагрузки.

К слову, благодаря прогрессу, от этой классификации иногда отходят, поскольку появляются составы, которые плавятся при относительно невысоких температурах, но обладает высокой прочностью соединения. По этой причине общую массу иногда делят на:

• Легкоплавкие – до 450°С.
• Тугоплавкие – выше 450°С.

Что влияет на температуру?

На самом деле, параметров достаточно много:

• Химический состав – основной фактор. Примеры мы привели выше.
• Содержание и процентная доля свинца – температура плавления свинцового припоя обычно лежит в диапазоне мягких видов, а более современного бессвинцового – твердых. Но есть и исключения. Например, бессвинцовый сплав олова и висмута плавится при еще меньшем нагреве, чем привычная оловянно-свинцовая смесь.
• Процентная доля олова – он является основой составов без свинца, и чем его больше, тем выше температура плавления бессвинцового припоя.
• Содержание других металлов, например, серебра, меди, индия, германия, никеля и прочих. Часть добавок повышают температуру плавления всего сплава, часть – понижает.
• Количество и тип флюса – актуально для паяльных паст и трубчатых припоев.
• Чистота контактных площадок и выводов – чем они чище, тем эффективнее плавление.
• Скорость нагрева – медленный нагрев дает дополнительный контроль над пайкой.
• Условия окружающей среды – при более высокой температуре окружающего воздуха при монтаже и эксплуатации устройств обычно используют тугоплавкие составы.

Примеры

Ввиду многообразия составов мы не можем перечислить их все в одном материале. Да и, в целом, в этом нет особого смысла. Поэтому вместо этого составим таблицу температур плавления припоя некоторых популярных видов.

Как контролировать температуру

В домашней пайке этим вопросом задаются мало – начинающие, в лучшем случае, ориентируются на мощность паяльника, более опытные мастера используют паяльники с регулировкой нагрева или паяльные станции. Однако в промышленном производстве электроники этот параметр крайне важен, что мы уже неоднократно подчеркивали выше. И для контроля можно использовать различные приборы и оборудование:

• Термопары – получают значения контактным методом.
• ИК-термометры – отображают нагрев бесконтактным способом.
• Термодатчики – сконструированы непосредственно для контроля нагрева припоев.
• Аппаратура анализа паяльной пасты – контролирует процессы оплавления и качество соединения паяльной пастой.
• Тестеры паяемости – оборудование, которое позволяет оценить различные параметры паяльных паст, а также имитировать реальные условия эксплуатации для фиксации температурных диапазонов.
• Дифференциальная сканирующая калориметрия – отдельный метод, позволяющий подробно изучать процессы оплавления.

Подведем итог

Температура плавления припоя – один из важнейших параметров, влияющих на качество паяного соединения. Особенно важен он в промышленном, массовом производстве электроники, где качество монтажа компонентов на печатной плате влияет не только на надежность производимой продукции, но и на репутацию компании. Соответственно, важно подобрать не только качественный, но и подходящий по характеристикам припой.