Глава 11.2. Материалы для пайки / 11.2.1. Пайка металлов / 11.2.2. Припои
Общие сведения. Важнейшей характеристикой припоя является температура плавления tпл. По этому признаку припои разделяют на следующие виды:
Особолегкоплавкие и легкоплавкие припои. Восемь легкоплавких металлов: ртуть (tпл = 38,87 °С), галлий (tпл = 29,78 °С), индий (tпл = 156,4 °С), олово (tпл = 231,9 °С), висмут (tпл = 271,3 °С), свинец (tпл = 327 °С), кадмий (tпл = 321 °С), цинк (tпл = 419 °С) — дают возможность получать весьма большое количество припоев в интервалах температур 39...145°С и 145...450 °С.
Особолегкоплавкие припои с температурой ликвидус 39... 145 °С применяют в тех случаях, когда опасен перегрев паяемого металла или деталей, не подвергаемых пайке, но испытывающих нагрев.
Галлиевые припои. Низкая температура плавления и хорошая смачивающая способность галлия определила его использование в качестве основного компонента многих припоев. В качестве легирующих элементов галлиевых припоев используют магний, титан, никель, медь, а также благородные металлы: золото и серебро. Так, состав припоя Г7; 16,6% In, 7,2% Sn, 22% Сu, 4% Ag, ост. Ga; припоя Г17: 13,8% In, 6,0% Sn, 50% Ag, ост. Ga.
При нагреве на воздухе выше температуры 400 °С галлиевые припои интенсивно окисляются и превращаются в темную порошкообразную массу. Поэтому пайку при более высоких температурах необходимо проводить в вакууме.
Припои с висмутом. В качестве припоев используют не чистый висмут, а сплавы на его основе, в которые вводят легирующие элементы: свинец, олово, кадмий и др. (табл. 11,1). Типичным припоем с висмутом является широко известный сплав Вуда.
Для припоев, богатых висмутом, характерно увеличение объема при переходе из жидкого состояния в твердое, а также при охлаждении после затвердевания. Это обеспечивает отсутствие течей, поэтому их используют при изготовлении емкостей для жидкостей. Припои с висмутом плохо смачивают стали, их применяют для пайки меди.
Индиевые припои. Эти припои, помимо индия, могут содержать олово, свинец, а также серебро. Благодаря высокой смачивающей способности индия по отношению к металлам и неметаллическим материалам припои используют для пайки полупроводников, стекла, пластмассы.
Так в электронной промышленности применяют припой с 5 % серебра. Припой, содержащий 45 % Sn, 26 % Pb, ост. In, обладает низким электрическим сопротивлением, поэтому его используют при монтаже ЭВМ, пайке печатных плат.
Оловянные и оловянно-свинцовые припои. Температура ликвидус олова и сплавов на его основе находится в пределах 145... 250 °С. Это легкоплавкие припои. Свойства оловянных припоев определяются полиморфизмом олова. При температуре 13,2 °С происходит превращение белого олова плотностью 7,28 г/см3, имеющего тетрагональную кристаллическую решетку, в серое олово плотностью 5,82 г/см3 с кубической решеткой. Это превращение происходит с выделением теплоты, большим изменением объема, что вызывает разрушение и образование серого порошка (оловянная чума).
тетрагональную кристаллическую решетку, в серое олово плотностью 5,82 г/см3 с кубической решеткой. Это превращение происходит с выделением теплоты, большим изменением объема, что вызывает разрушение и образование серого порошка (оловянная чума).
В оловянно-свинцовых припоях оловянной чумы не наблюдалось. Температура рекристаллизации этих припоев близка 20 °С. Это означает, что припои не наклепываются, т. е. под нагрузкой возможно явление ползучести, поэтому их используют для соединений, не испытывающих механических нагрузок, например для пайки электронной техники. Свойства припоев приведены в табл. 11.2.
Свинцовые припои. Это легкоплавкие припои с температурой ликвидус 276...380 °С. Чистый свинец пригоден для пайки многих металлов: меди, железа, никеля, кобальта и сплавов на их основе. Однако свинец склонен к ползучести при комнатных температурах (Гр = -33 °С). Легирование свинцового припоя сурьмой, серебром, цинком, кадмием позволяет не только предотвратить ползучесть, но и повысить прочность припоя.
Легкоплавкие припои на основе свинца и кадмия обеспечивают повышенную коррозионную стойкость паяных соединений алюминиевых сплавов.
Для пайки стекла с металлом применяют свинцовый припой, легированный сурьмой и цинком (5 % Sb, 3 % Zn). Температурные коэффициенты линейного расширения припоя и стекла близки по значениям.
Кадмиевые припои. Кадмиевые припои относятся к легкоплавким (температура ликвидус 285...38СГС). Основными легирующими компонентами кадмиевых припоев являются серебро и цинк (табл. 11.3). Предел прочности этих припоев выше, чем у припоев на основе свинца и олова — σв> 110...200 МПа.
Припои К1, КЗ, ПСрЗКд обеспечивают теплостойкость медных паяных соединений до температуры 250 °С, припой ПСр8КЦН — до 300 °С. Припой Cd — 5 % Ag используют для пайки композитов с алюминиевой матрицей. Припой Cd — 25 % Sn, имеющий малое сопротивление, применяют при пайке печатных плат.
Цинковые припои. Температура плавления цинка (419 °С) выше, чем у других легкоплавких металлов. Цинк обладает невысокой пластичностью и прочностью, плохой способностью к растеканию и затеканию в зазор из-за высокой температуры плавления. Цинковые припои легируют алюминием, кадмием, медью, чтобы понизить температуру плавления и повысить прочность и пластичность. Максимальная прочность припоев Zn — Sn достигается при содержании 20...30% олова. Припой Zn — 7% Сu обладает весьма высокой пластичностью, он прокатывается в фольгу толщиной 100 мкм.
Цинковые припои применяют для пайки алюминиевых сплавов, обеспечивая коррозионную стойкость и достаточно высокую прочность паяных соединений. Цинковые припои с кадмием используют для пайки оцинкованного железа.
Среднеплавкие и высокоплавкие припои. Эти припои используют в тех случаях, когда изделие при эксплуатации может нагреваться до температур, превышающих температуры пайки легкоплавких припоев, кроме того, прочность этих припоев значительно выше, чем у легкоплавких.
Алюминиевые припои относятся к среднеплавким (температура плавления 440... 590 °С). Наиболее широкое применение получил силумин, сплав системы Аl — Si эвтектического состава, содержащий 11,7% кремния с температурой плавления 577 °С (см. подразд. 10.2) и сплавы на его основе. Эти припои обладают хорошей жидкотекучестью и коррозионной стойкостью. Алюминиевые припои могут быть легированы магнием, цинком, медью, марганцем и др.
Серебряные припои. В качестве припоев используют сплавы серебра с медью, оловом и другими легирующими элементами.
Сплавы системы серебро — медь с температурой плавления 780...950 °С (табл. 11.4) обладают высокой пластичностью, отличаются низким удельным электрическим сопротивлением, обеспечивают вакуумную плотность, поэтому их используют для пайки вакуумной аппаратуры. Припой, содержащий 72 % серебра, 28 % меди, обладает высокой теплопроводностью; его применяют для соединения разнородных металлов с различной теплопроводностью, а также при соединении деталей с большой разностенностью. Прочность припоев системы Ag—Сu, легированных цинком, достигает до 300 МПа.
