На чем основано действие жидкого припоя применяемого при пайке металлов


Пайка металлов. Способы, материалы, припои, флюсы для пайки металлов

Использование пайки известно с древнейших времен. В гробнице вавилонской царицы (III тыс . лет до н. э.), в засыпанной пеплом Везувия Помпее (79 г. до н.э.), во время других раскопок в Египте, Риме и Греции — всюду археологи находили паяные металлические изделия. Припои древних римлян церарий и аргентарий по своему химическому составу близки к существующим в настоящее время ПОС-30 и ПОС-50.

В истории использования пайки можно выделить три периода, которые связаны с развитием источников нагрева и особенностями применяемой техники. Первый период начался в бронзовом веке, когда человечество начало изготавливать изделия из бронзы и источником нагрева служило твердое топливо. Второй период (конец XIX ст.) характеризуется началом применения для нагрева электрической энергии. Третий период начался в 1930–1940-х годах и связан с созданием техники из новых металлов и их сплавов — циркония, вольфрама, алюминиевых, титановых, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов. Это привело во второй половине ХХ ст. к разработке принципиально новых способов пайки. В настоящее время технические возможности пайки значительно расширились. Во многих случаях пайка является единственно возможной технологией неразъемного соединения новых материалов.

Пайка — процесс получения неразъемного соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, расплавленным припоем. Припоем является материал с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. При пайке (в отличие от сварки) плавится только присадочный сплав — припой, а между паяемым материалом и припоем протекает процесс взаимного растворения компонентов.

Требования, предъявляемые к паяному соединению и характеризующие условия его эксплуатации, определяются служебными свойствами изделия в целом: механическими свойствами, герметичностью, вакуум-плотностью, электросопротивлением, коррозионной стойкостью, стойкостью против термоударов, перегрузок и др.

В процессе пайки расплавленный припой вводится в зазор между нагретыми соединяемыми деталями. Припой смачивает поверхности деталей, растекается и заполняет зазор между ними. Взаимодействие припоя с материалом сопровождается растворением основного металла в жидком припое с образованием эвтектик и твердых растворов, взаимной диффузией компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя с последующей кристаллизацией жидкой прослойки.

Формирование прочного и надежного соединения зависит от химического состава взаимодействующих металлов, температуры и продолжительности пайки, определяющих физико-химические и диффузионные процессы, протекающие между припоем и основным металлом. Чем выше температура процесса и его длительность, тем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и основным металлом и тем выше механическая прочность соединяемых деталей. Кроме того, прочность пайки зависит от величины зазора между паяемыми деталями. Так, при малых зазорах улучшается затекание припоя под действием капиллярных сил, вследствие чего значение временного сопротивления паяного соединения больше значения временного сопротивления самого припоя.

Припой прочно соединяется с поверхностью изделия только тогда, когда хорошо смачивает ее. Для этого поверхность должна быть тщательно очищена от загрязнений. Кроме этого, для удаления пленок оксидов с поверхностей паяемого материала и припоя и для предотвращения их образования при пайке используют паяльные флюсы. Флюсы, кроме того, способствуют лучшему затеканию припоя в зазор между соединяемыми деталями и растеканию по их поверхности. Некоторые припои, содержащие эффективные раскислители (бор, кремний, барий, щелочные металлы

иудтр.) мог ные пленки.

сами выполнять роль флюсов, переводя в шлак оксидКачество паяных соединений зависит от правильного выбора способа пайки, используемых основных и вспомогательных материалов, технологического процесса пайки.

Способы пайки. Современные способы пайки принято классифицировать по следующим признакам: механизмам удаления оксидной пленки с поверхности паяемого материала, видам процессов образования припоя в зазоре, условиям заполнения зазора припоем, температурным и временным режимами кристаллизации паяного шва, температуре пайки и используемым источникам нагрева, наличию или отсутствию давления на паяемые деталив, роедмнеонности и очередности выполнения паяных соединений (рис. 3.76).

По механизмам удаления оксидной пленки способы пайки делятся на флюсовые и бесфлюсовые.

Флюсовая пайка — пайка с применением флюса. При этом флюс может также участвовать в образовании самого припоя путем выделения компонентов, плавящихся при пайке.

Бесфлюсовая пайка — пайка без применения флюса, когда удаление оксидных пленок осуществляется в восстановительной или инертной газовой среде, вакууме, а также за счет применения ультразвука.

В первом случае удаление оксидов происходит при высоких температурах за счет их восстановления или самопроизвольного распада (диссоциации), а при ультразвуковой пайке их разрушение осуществляется за счет ультразвуковых колебаний, создаваемых в расплавленном припое, наносимом на соединяемый металл специальным паяльником.

По видам процессов образования припоя в зазоре способы пайки подразделяются на пайку готовым припоем, контактно-реактивную и реактивно-флюсовую.

Рис. 3.76. Классификация способов пайки

Пайка готовым припоем — способ пайки, при котором используется заранее приготовленный припой. В качестве припоя может использоваться металлический (полностью расплавляемый) или композиционный припой. В композиционном припое помимо металлической основы содержится тугоплавкий наполнитель (порошки, волокна, сетки), который сам не плавится, а при плавлении металла припоя образует разветвленную сеть капилляров, удерживающих под действием капиллярных сил его жидкую часть в зазоре между соединяемыми деталями.

Контактно-реактивная пайка — способ пайки, при котором жидкий припой образуется в результате межфазного взаимодействия и последующего контактного плавления соединяемых материалов или соединяемых материалов и прослойки промежуточного металла. К этому способу пайки относится сваркопайка. Сваркопайка — пайка разнородных материалов, при которой более легкоплавкий материал локально нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления, и выполняет роль припоя.

Реактивно-флюсовая пайка — способ пайки, при котором припой образуется в результате химических реакций между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с использованием флюса ZnCl3 в результате химической реакции восстановления

3ZnCl3 + 2Al ↔2AlCl3 + 3Zn

образуется цинк, который служит припоем.

По условиям заполнения зазора припоем пайку можно разделить на капиллярную (ширина зазора

При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Соединение образуется в результате растворения металла основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Некапиллярная пайка — способ пайки, при котором припой заполняет зазор под действием силы тяжести или прилагаемых извне сил (магнитных, электромагнитных и др.). К этому способу пайки относится пайкосварка. При пайкосварке форма кромок соединяемых заготовок подобна форме кромок при сварке плавлением. Соединение деталей осуществляется приемами, характерными для сварки, а в качестве присадочного металла используется припой,

который под действием силы тяжести заполняет зазор.

Способы пайки по температурным и временным режимам кристаллизации паяного шва подразделяются на пайку с кристаллизацией при охлаждении и кристаллизацией при выдержке (диффузионная).

Температурный режим пайки с кристаллизацией при охлаждении состоит из нагрева припоя до температуры на 50...100 °С выше

температуры его плавления и последующего охлаждения соединения. Этот способ из-за относительно быстрого охлаждения характеризуется отсутствием диффузии в объеме взаимодействующих металлов.

Пайка с кристаллизацией при выдержке (диффузионная пайка) — способ пайки с изотермической выдержкой, при которой образование соединения сопровождается взаимной диффузией припоя и паяемого материала. Для диффузионной пайки характерна продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва, а после завершения процесса — при температуре ниже солидуса припоя. В результате диффузии в шве образуются твердые растворы, что обеспечивает более однородный состав паяного шва и позволяет повысить его прочность и пластичность.

В зависимости от температуры пайки различают низкои высокотемпературную пайку. При низкотемпературной пайке температура плавления припоя tплtпл ≥ 450 ° С. Целесообразность такого деления обусловлена тем, что используемые основные и вспомогательные материалы существенно отличаются по своим свойствам в зависимости от температуры процесса.

Способы пайки в зависимости от используемых источников нагрева разделяют на пайку в печах, индукционную, погружением, газопламенную, плазменную и паяльниками.

При пайке в печах соединяемые заготовки нагревают в специальных печах: электросопротивления, с индукционным нагревом, газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного узла, на место пайки наносят флюс и затем изделие помещают в печь, где его нагревают до температуры пайки. Этот способ обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной их деформации.

При индукционной пайке паяемый участок нагревают в индукторе токами высокой частоты. Для предохранения от окисления изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов.

Пайку погружением выполняют в ваннах с расплавленными солями или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55 % K Сl и 45 % НС1. Температура ванны — 700...800 °С. При пайке погружением в ванну с расплавленным припоем покрытые флюсом детали предварительно нагревают до температуры 550 ° С. Пайку погружением в расплавленный припой используют для соединения деталей из стальных, медных и алюминиевых сплавов.

При газопламенной пайке заготовки нагревают и припой расплавляют горелками для газовой сварки. В качестве горючих газов используют ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и т. п.

При плазменной пайке плазмотроном, обеспечивающим более высокую температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы — вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т. п.

При пайке паяльниками основной металл нагревают, а припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим и непрерывным нагревом и ультразвуковые. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы периодически подогревают посторонним источником теплоты. Для непрерывного нагрева используют электропаяльники. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов легкоплавкими припоями с температурой плавления ниже 300...350 °С. Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой пайки на воздухе и пайки алюминия. В этом случае оксидные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты.

По наличию или отсутствию давления на паяемые детали способы пайки подразделяются на пайку без давления и пайку под давлением (прессовая пайка). Прессовая пайка используется в тех случаях, когда необходимо обеспечить четкую фиксацию взаимного положения деталей и требуемую величину зазора. Для сжатия деталей с требуемым усилием применяют специальные приспособления — механические зажимы. При высоких температурах этот способ нередко является единственно возможным.

По одновременности выполнения паяных соединений способы пайки делятся на одновременную пайку и ступенчатую. При одновременной пайке за один цикл нагрева в одном изделии (узле) выполняют несколько паяных соединений, а при ступенчатой — каждое последующее соединение выполняют после предыдущего.

Материалы, применяемые при пайке. Материалы, применяемые при пайке, делятся на основные и вспомогательные. К основным материалам относятся припои, а к вспомогательным — паяльные флюсы, восстановительные, инертные газовые среды и вакуум.

Классификация припоев осуществляется по многим признакам, основными из которых являются химический состав и температура плавления. Классификация по химическому составу осуществляется по основным химическим элементам, входящим в их состав (оловянно-свинцовые, оловянные, свинцовые, медно-цинковые, серебряные, медные, палладиевые и др.).

По температуре плавления все припои подразделяют на припои для низкотемпературной пайки (tплtпл ≤ 145 °С) и легкоплавкие (145 ° С tплtпл ≥ 450 °С): среднеплавкие (450 °С ≤ tпл ≤ 1 100 °С), высокоплавкие (1 100 °С tпл ≤ 1 850 °С) и тугоплавкие (tпл ≥ 1 850 °С). Припои для низкотемпературной пайки используют в промышленности и в быту для пайки изделий, которые не подвергаются воздействию высоких температур и значительных механических нагрузок. Припои для высокотемпературной пайки применяют тогда, когда требуется высокая прочность и (или) работоспособность при больших температурах.

Припои для низкотемпературной пайки. К особо легкоплавким припоям с температурой плавления 45...145 °С относятся сплавы эвтектического состава, содержащие висмут, свинец, олово, кадмий. К таким сплавам относятся, например, сплавы Гутри (tпл = 45 °С), Вуда (tпл = 60,5 °С), Липовица (tпл = 70 °С), Д'Арсенваля (tпл = 79 °С), Розе (tпл = 93,7 °С), Ньютона (tпл = 96 °С), ПОСВ 33 ( tпл = 130 °С), ПОСК 50-18 (tпл = 145 °С).

Особолегкоплавкие припои находят применение, когда опасен перегрев не только паяемого материала, но и материала деталей изделия, не подвергаемых пайке. Такие припои широко применяются в электронике, электротехнике, в частности, при изготовлении приборов противопожарного назначения. Припой ПОСВ 33 применяется для пайки плавких сигнальных предохранителей, а ПОСК 50-18 — для деталей из меди и ее сплавов, не допускающих местного перегрева, в частности, полупроводниковых приборов.

Наиболее распространенными легкоплавкими припоями являются оловянно-свинцовые.

Маркировка оловянно-свинцовых припоев состоит из букв, обозначающих: П — припой, ОС — оловянно-свинцовый, Су — легированный сурьмой, и цифр, следующих после букв через дефис и обозначающих соответственно содержание олова и сурьмы. Буква М в марке припоя ПОС 61М обозначает легирующий элемент Cu

(1,2...2 %). Содержание свинца в марке не указывается и определяется по разности. Например, ПОССу 10-2: П — припой, ОС — оловянно-свинцовый, 10 % Sn, 2 % Sb, остальное — Pb.

Оловянно-свинцовые припои (ПОС 90, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 18, ПОС 10 и др.) обладают высокими технологическими свойствами и весьма пластичны. Пайку этими припоями проводят обычно при нагреве паяльником. Минимальную температуру плавления (tпл = 190 °C) и лучшие технологические свойства имеет припой ПОС 61. Его состав близок к эвтектическому в системе «олово – свинец». Наиболее тугоплавким является припой ПОС 10 (tпл = 299 °C). Такие оловянно-свинцовые припои применяются для пайки электрои радиоаппаратуры (контактные поверхности электрических аппаратов, приборов, реле), точных приборов с высокогерметичными швами, где недопустим перегрев.

Для повышения прочности в оловянно-свинцовые припои вводят сурьму (ПОССу 61-0,5, ПОССу 25-0,5, ПОССу 9-2, ПОССу 10-2,

ПОССу 4-4, ПОССу 4-6 и др.). Малосурьмянистые припои, содержащие 0,2...0,5 % Sb и обладающие повышенной пластичностью, обеспечивают получение герметичных швов и применяются для пайки оцинкованных и цинковых деталей. Такие припои применяются для пайки электроаппаратуры, обмоток электрических машин, оцинкованных радиодеталей при жестких требованиях к температуре, свинцовых кабельных оболочек электротехнических изделий неответственного назначения, радиаторов, теплообменников и др. Сурьмянистые припои, содержащие 2...6 % Sb, широко используются в различных отраслях техники, требующих повышенной прочности паяных соединений. Такие припои применяются для пайки холодильных устройств, деталей автомобилестроения, деталей с клепаными швами из латуни и меди и др.

Для уменьшения склонности меди к химической эрозии при пайке используют оловянно-свинцовый припой ПОС 61М, легированный медью в количестве (1,2...2 %), близком к его предельной растворимости при температуре пайки, но не ухудшающим технологических и специальных свойств припоя и паяных соединений. Припой ПОС 61М применяется для пайки тонких (толщиной менее 0,2 мм) медных проволок, фольги, проводников в кабельной, электрои радиоэлектронной промышленности.

К легкоплавким припоям также относятся серебряные припои

(ПСрО 10-90, ПСрОСу 8, ПСрМО 5, ПСрОС 3,5-95, ПСр 3,

ПСр 3Кд, ПСр 2 и др.), содержащие серебро в незначительных количествах (1…10 %), а также олово, свинец или кадмий. В качестве легирующих элементов легкоплавких серебряных припоев выступают сурьма, медь или цинк. Максимальная температура плавления этих припоев составляет от 183 до 342 °С.

Легкоплавкие серебряные припои применяются для пайки меди, никеля и медных и медно-никелевых сплавов с посеребренной керамикой, проводов, работающих во всех климатических условиях без защиты соединений лакокрасочными покрытиями, стальных и серебряных изделий.

Припои для высокотемпературной пайки. Припои для высокотемпературной пайки обеспечивают более прочные соединения, чем припои для низкотемпературной, т. к. вследствие высокой температуры нагрева более интенсивно происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя. Однако переходное электросопротивление таких припоев ниже, чем низкотемпературных.

К среднеплавким припоям с температурой до 1 100 °С относятся серебряные и меднок-цоивные припои.

К среднеплавким серебряным припоям относятся припои, в состав которых помимо серебра (10…70 %) в значительных количествах входят медь (ПСр 72, ПСр 50 и др.) или медь и цинк (ПСр 70, ПСр 45 и др.). Широкое применение находит припой ПСр 72, имеющий эвтектический состав с очень хорошими технологическими свойствами. Припои ПСр 45, ПСр 50, ПСр 70, ПСр 72 отличаются высокой пластичностью и технологичны. Такие припои применяются для пайки меди, медных и медно-никелевых сплавов, никеля, ковара, нейзильбера, латуней и бронз, а также железоникелевых сплавов с посеребренными деталями из стали, титана и титановых сплавов с нержавеющей сталью и т. п.

Некоторые припои, помимо этих элементов, содержатикйадм (ПСрКдМ 50-34-16 и др.), олово (ПСр 62 и др.), марганец (ПСр 37,5), фосфор (ПСр 25Ф) и др. Припои с кадмием применяются для пайки цветных металлов и стали, с марганцем — меди и медных сплавов с жаропрочными сплавами и нержавеющими сталями, с фосфором (самофлюсующиеся припои) — меди с бронзой,

меди с медью, бонрозонйзы с бр

и т. п.

Медно-цинковые припои (ПМЦ 36, ПМЦ 48, ПМЦ 54) используются для пайки меди, медных сплавов и сталей. Маркировка медно-цинковых припоев состоит из букв: П — припой, МЦ — медно-цинковый, и цифр, показывающих процентное содержание меди, остальное — цинк.

К высокоплавким припоям с температурой плавления более

1 100 °С относятся припои на основе меди и палладия.

Чистая раскисленная медь М0, M1 весьма широко применяется для пайки углеродистых и легированных сталей, никеля и его сплавов. Она хорошо смачивает сталь и растекается по ней, имеет более высокую прочность, чем среднеплавкие припои, высокую пластичность и менее дефицитна, чем серебро. Температура пайки медью находится в интервале 1 100...1 200 °С.

Особенности взаимодействия меди с другими элементами позволяют создавать припои на ее основе с широким диапазоном температур пайки (700...1 200 ° С). Например, легирование меди палладием и никелем вызывает непрерывное повышение температуры плавления медного припоя.

Для пайки деталей, работающих при высоких температурах, особенно подвергающихся трению (вентили и т. п.), используют медные припои, содержащие 2,5…10 % Fe, с температурой ликвидуса 1 180...1 230 °С или содержащие 20…30 % Fe, с температурой ликвидуса 1 200…1 230 ° С. Припой, содержащий 75 % Сu и 25 % Ni (tпл = 1 205 °С), используется для пайки вольфрама и молибдена. Припои с палладием, несмотря на их дороговизну и дефицитность, в последнее время находят широкое применение. Палладий, во-первых, менее дефицитен, чем другие металлы платиновой группы, во-вторых, образует непрерывный ряд твердых растворов

со многими металлами (Ag, Cu, Au, Fe, Co, Ni и др.).

Использование палладия в качестве основы или в качестве легирующего элемента позволяет получать припои с температурой ликвидуса от 810 °С до температуры плавления палладия (1 552 °С).

Припои на основе палладия и никеля, легированные хромом, имеют высокую жаростойкость. Наименьшая температура ликвидуса таких сплавов 1 250 ° С. Припой состава: 24 % Pd, 33 % Сr, 39 % Ni и 4 % Si используется для пайки жаропрочных сплавов.

Палладиевые припои применяют также для пайки керамики и графита со сталью и тугоплавкими металлами. Припой состава:

60 % Pd, 40 % Ni, легированный литием и бором, применяют для пайки графита с графитом или с тугоплавкими металлами — Mo, W или их сплавами. Паяные соединения, полученные с помощью таких припоев, работают в условиях нейтронного облучения в ядерных реакторах.

Припои на основе палладия и титана имеют температуру солидуса 1 440 °С, а соединения, паянные такими припоями, могут работать при температуре до 1 640 °С.

К тугоплавким припоям с температурой плавления более 1 850 °С относятся припои на основе тугоплавких металлов. Так, для диффузионной пайки сплава тантала с содержанием 1 % W в качестве припоя применяют чистый титан. Припой в виде фольги укладывается в места соединений, а пайку производят в вакуумной печи при температуре 1 900 ºС и выдержкой 10 мин. Для капиллярной пайки применяют припой на основе Та с 40 % Hf. Пайку выполняют при температуре 2 205 º С с выдержкой 1 мин . Также для пайки тантала применяется припой, содержащий 20 % Та, 5 % Nb, 3 % W, остальное — Ti.

Для высокотемпературной пайки вольфрама используют припои с температурой плавления до 3 000 °С, в том числе чистые металлы (Ta, Nb, Ni, Cu) и сплавы (Ni–Ti, Ni–Cu, Mn–Ni–Co, Мо–В и др.).

Флюсы. Классификация флюсов осуществляется по нескольким признакам, основными из которых являются температура пайки и природа активатора.

В зависимости от температурного интервала активности паяльные флюсы подразделяются на флюсы для низкотемпературной (

Флюсы для низкотемпературной пайки по природе активатора подразделяются на канифольные, галогенидные, гидразиновые, анилиновые и др.

В качестве флюса применяют чистую канифоль. В ее составе преобладают смоляные кислоты (80...95 %), имеющие общую формулу C19H29COOH. Канифоль удаляет оксиды таких металлов, как медь, серебро, олово, и широко используется для пайки соединений, в том случае когда промыть изделие после пайки нельзя (остатки канифоли не вызывают коррозии). Кроме того, в качестве флюса используют раствор канифоли в спирте, а также с добавками хлоридов (ZnCl2 и др.), анилина С6H5NH2 и органических веществ,

например, гидразина N2H4, глицерина НОСН2–СНОН–СН2ОН и др. С их помощью можно паять не только медные сплавы, но также стали, оцинкованное железо, никелированное железо, конструкционные и коррозионно-стойкие сплавы.

Галогенидные флюсы используют для низкотемпературной пайки почти всех черных и цветных металлов. Чаще всего применяют хлористый аммоний NH4Cl и хлористый цинк ZnCl2, а также смеси, содержащие эти и другие хлориды.

Широкое применение находят флюсы на основе солянокислого гидразина N2H4·2HCl и анилина C6H5NH2, а также других органических веществ. Соли гидразина при нагреве разлагаются с выделением водорода и хлористого водорода HCl, создающими защитную и восстановительную атмосферы. Анилин обладает высокой флюсующей активностью, причем образующийся после пайки остаток защищает шов от коррозии.

Флюсы для высокотемпературной пайки по природе активатора определяющего действия подразделяются на боридно-углекислые, галогенидные, фторборатные и др.

При пайке углеродистых сталей, чугуна и медных сплавов медно-цинковыми и серебряными припоями в качестве флюса используют борную кислоту H3BO3 и буру Na 2B4O7 в различных сочетаниях. При пайке легированных сталей и жаропрочных сплавов флюсующего действия буры и борной кислоты недостаточно, поэтому в состав флюса вводят галогениды. Чаще всего вводят фториды натрия NaF, калия KF, лития LiF и кальция CaF 2, а также фторбораты натрия NaBF4 и калия KBF4.

Флюсы для высокотемпературной пайки алюминиевых, магниевых и титановых сплавов состоят из различных хлоридов (ZnCl 2, NH4Cl и др.) и фторидов (NaF, KF и др.).

К вспомогательным материалам для пайки также относятся стоп-материалы, используемые при подготовке паяемой поверхности и наносимые на места, где нежелательно смачивание паяемого металла жидким припоем. Такие вещества подразделяют на стоппасты и покрытия, наносимые, например, гальваническим методом или распылением.

Технологический процесс пайки. Технологический процесс пайки изделия состоит из ряда операций и переходов, посредством которых он может быть осуществлен в определенном порядке. Помимо основной операции пайки он включает ряд подготовительных и финишных операций, обеспечивающих требуемые геометрические, механические и коррозионные характеристики паяных соединений и изделий.

К предварительным операциям пайки относится подготовка паяных поверхностей, включающая, во-первых, удаление жиров, масел, грязи, окалины и толстых неметаллических, в том числе оксидных пленок, образовавшихся в процессе химикотермической обработки, которые не могут быть удалены при пайке с помощью флюсов или газовых сред, во-вторых, обеспечение требуемой степени шероховатости паяемых участков и оптимального направления рисок, образующихся при этом, необходимых для лучшего растекания и затекания припоя в зазор, в-третьих, правильное закрепление припоя и соединяемых деталей, внесение флюса.

К финишным операциям относятся удаление остатков флюсов, зачистка соединения от наплывов припоя, обработка изделия резанием, термообработка и контроль качества паяных соединений.

Паяное соединение и его типы. Паяное соединение — элемент паяной конструкции, полученной пайкой. Паяное соединение состоит из паяного шва 1 и диффузионных зон 2 (рис. 3.77). Паяный шов — часть паяного соединения, закристаллизовавшаяся при пайке. Диффузионная зона — часть паяного соединения с измененным химическим составом паяемого материала в результате взаимной диффузии компонентов припоя и паяемого материала.

Рис. 3.77. Паяное соединение: а — схема; б — внешний вид; 1 — паяный шов; 2 — диффузионная зона; 3 — зона термического влияния; 4 — спай; 5 — паяемый материал

К паяному соединению примыкает зона термического влияния 3 — часть паяемого материала 5 с измененными под влиянием нагрева при пайке структурой и свойствами. Пограничный слой между паяным материалом и швом в сечении паяного соединения называется зоной сплавления (спаем) 4.

Тип паяного соединения определяется взаимным расположением и формой паяемых элементов. Основными типами паяных соединений являются нахлесточное, стыковое, угловое, тавровое, соприкасающееся и комбинированное (рис. 3.78).

Рис. 3.77. Типы паяных соединений: а — нахлесточное; б — телескопическое; в — стыковое; г — косостыковое; д — угловое; е — тавровое; ж — соприкасающееся; з — комбинированное

Нахлесточное паяное соединение (рис. 3.78, а) является наиболее удобным для выполнения и обеспечивает наибольшую прочность. Увеличение длины нахлестки в сочетании с пластичными высокотемпературными припоями почти всегда позволяет достичь равнопрочности соединения с основным металлом. Разновидностью нахлесточного является телескопическое паяное соединение — соединение труб или трубы с прутком (рис. 3.78, б). В практике телескопические паяные соединения получили наиболее широкое применение для соединения фланцев или втулок с трубами, втулок со стержнем, труб с заглушками, компенсаторов и т. д.

Стыковые соединения (рис. 3.78, в) при пайке используют реже, т. к. они не обеспечивают равнопрочность всего соединения. Для повышения прочности стыкового соединения его выполняют косостыковым (рис. 3.78, г). При таком соединении прочность стыка повышается и нередко достигается равнопрочность с основным металлом.

Угловое и тавровое паяные соединения (рис. 3.78, д, е) применяют сравнительно редко, т. к. их прочность в значительной степени зависит от пластичности паяного шва, модуля упругости паяемого металла и формы поверхности шва.

Соприкасающееся паяное соединение — соединение, в котором паяемые элементы различной геометрической формы соединены по линии или в точках (рис. 3.78, ж). Такие соединения допустимы при конструировании изделий, швы которых работают на сжатие или при небольших нагрузках.

Комбинированное паяное соединение — соединение, представляющее собой различные комбинации паяных соединений: нахлесточного, стыкового, косостыкового, таврового, телескопического, соприкасающегося (рис. 3.78, з).

Пайка по сравнению со сваркой имеет следующие преимущества:

1) она позволяет соединять всевозможные сплавы, в том числе плохо сваривающиеся, однородные и разнородные, а также соединять металл со стеклом, керамикой, графитом, полупроводниками;

2) за один прием можно получить протяженное соединение или сварить узел из множества заготовок. Последнее важно при массовом производстве и, кроме того, позволяет изготавливать сложные по конструкции узлы, которые невозможно сделать другими способами;

3) кромки деталей не оплавляются, поэтому при пайке можно сохранить размеры и форму деталей и паяного узла в целом;

4) многие паяные соединения можно распаивать, что важно при монтаже и ремонте в приборостроении.

Процесс пайки дешев, легко поддается механизации и автоматизации, особенно при массовом производстве. Все это обеспечило широкое применение пайки для изготовления сложных, тяжело нагруженных деталей в разных областях машиностроения (при производстве радиаторов автомобилей и тракторов, камер сгорания жидкостных реактивных двигателей, лопаток турбин, топливных и масляных трубопроводов и др.). В ремонтном производстве пайку используют для соединения или закрепления тонкостенных деталей и деталей из разнородных металлов, уплотнения резьбовых соединений, устранения пористости сварных швов чугунных и бронзовых отливок, заделки свищей, трещин и т. д.

Что такое пайка? Полное руководство (значение, определение и типы)

Пайка - это процесс соединения, используемый для соединения различных типов металлов путем плавления припоя. Припой - это металлический сплав, обычно состоящий из олова и свинца, который плавится горячим железом. Утюг нагревается до температуры выше 600 градусов по Фаренгейту, а затем остывает, чтобы создать прочную электрическую связь.

Содержание

Нажмите здесь, чтобы увидеть наши последние подкасты по технической инженерии на YouTube .

Припой плавится за счет тепла от утюга, подключенного к контроллеру температуры. Он нагревается до температуры, превышающей его точку плавления, около 600 градусов по Фаренгейту, что затем вызывает его плавление, которое затем охлаждается, образуя паяное соединение.

Помимо создания прочных электрических соединений, припой можно удалить с помощью приспособления для удаления припоя.

Припой - это металлический сплав, используемый для создания прочных постоянных связей; например, соединение меди в печатных платах и ​​соединения медных труб.Он также может поставляться двух разных типов и диаметров, бессвинцовый и бессвинцовый, а также может быть от 0,032 дюйма до 0,062 дюйма. Внутри сердечника припоя находится флюс - материал, используемый для усиления и улучшения его механических свойств.

Присадочные металлы, используемые при пайке, когда-то были на основе свинца (свинцовый припой), однако, в соответствии с правилами, припои на основе свинца все чаще заменяются бессвинцовыми припоями, которые могут состоять из сурьмы, висмута, латуни, меди, индия, олова или серебра. .

Иногда в месте соединения присутствуют загрязнения, такие как масло, грязь или окисление, флюс помогает предотвратить окисление, а иногда может химически очистить металл.Используемый флюс - канифольный флюс , который способствует механической прочности и электрическому контакту электрических соединений. Иногда также можно нанести «смачивающий агент» для уменьшения поверхностного натяжения.

Существует три типа пайки, в которых используются все более высокие температуры, которые, в свою очередь, обеспечивают все более прочное соединение:

  • Пайка мягким припоем (90 ° C - 450 ° C) - Этот процесс имеет самую низкую температуру плавления присадочного металла среди всех типов пайки при температуре менее 400 ° C. Эти присадочные металлы обычно представляют собой сплавы, часто содержащие свинец с температурами ликвидуса. ниже 350 ° C.Из-за низких температур, используемых при пайке мягким припоем, он наименее термически нагружает компоненты, но не создает прочных соединений и поэтому непригоден для механических нагрузок. Он также не подходит для использования при высоких температурах, так как этот тип припоя теряет прочность и плавится.
  • Твердая (серебряная) пайка (> 450 ° C) - Латунь или серебро являются связующим металлом, используемым в этом процессе, и для достижения температур, при которых паяются металлы, требуется паяльная лампа.
  • Пайка (> 450 ° C) - В этом типе пайки используется металл с гораздо более высокой температурой плавления, чем при твердой и мягкой пайке. Однако, как и при твердой пайке, склеиваемый металл нагревается, а не расплавляется. Когда оба материала достаточно нагреются, вы можете поместить между ними припой, который плавится и действует как связующее.

Паяльник - это ручной инструмент , используемый для нагрева припоя , обычно от источника питания, при высоких температурах, превышающих точку плавления металлического сплава.Это позволяет припою течь между деталями, которые необходимо соединить.

Этот паяльный инструмент состоит из изолированной ручки и металлического металлического наконечника с подогревом. На хорошую пайку влияет чистота жала паяльника. Для поддержания чистоты пользователь будет держать паяльник и использовать влажную губку для очистки жала паяльника перед пайкой компонентов или выполнением паяных соединений.

Помимо паяльника, более старые присоски являются важной частью паяльной установки.Если применяется чрезмерное количество припоя, эти небольшие инструменты используются для удаления припоя, оставляя только то, что нужно.

Паяльные пистолеты

используются там, где требуется больше тепла, поскольку утюги потребляют меньшую мощность. Этот инструмент используется для соединения витражей, легкого листового металла и тяжелых работ по пайке электроники. Когда вам нужно паять с перерывами, паяльник гораздо практичнее, так как он намного быстрее остывает.

.

Как паять: Полное руководство для начинающих


Изучение того, как паять с использованием правильной техники пайки, является фундаментальным навыком, которым должен овладеть каждый производитель. В этом руководстве мы кратко изложим основы работы с паяльниками, паяльными станциями, типами припоя, демонтажными работами и наконечниками по безопасности. Собираете ли вы робота или работаете с Arduino, умение паять вам пригодится.

БЕСПЛАТНАЯ электронная книга (PDF) - Руководство по пайке (17 страниц)

Если вам нужно было разобрать любое электронное устройство, содержащее печатную плату, вы увидите, что компоненты прикреплены с помощью техники пайки.Пайка - это процесс соединения двух или более электронных частей вместе путем плавления припоя вокруг соединения. Припой - это металлический сплав, и когда он остывает, он создает прочную электрическую связь между деталями. Несмотря на то, что пайка может создать постоянное соединение, его также можно отменить с помощью инструмента для удаления припоя, как описано ниже.

В обучении пайке хорошо то, что для начала вам не нужно много. Ниже мы расскажем об основных инструментах и ​​материалах, которые вам понадобятся для большинства ваших паяльных работ.

Паяльник

Паяльник - это ручной инструмент, который подключается к стандартной розетке переменного тока на 120 В и нагревается, чтобы расплавить припой вокруг электрических соединений. Это один из самых важных инструментов, используемых при пайке, и он может быть в нескольких вариантах, например, в форме ручки или пистолета. Новичкам рекомендуется использовать паяльник в форме ручки мощностью от 15 до 30 Вт. Большинство паяльников имеют сменные наконечники, которые можно использовать для различных паяльных работ.Будьте очень осторожны при использовании паяльника любого типа, потому что он может нагреваться до 896 ° F, что очень сильно.

Паяльная станция

Паяльная станция - это более продвинутая версия базовой автономной паяльной ручки. Если вы собираетесь много заниматься пайкой, это будет здорово, поскольку они обеспечивают большую гибкость и контроль. Основное преимущество паяльной станции - это возможность точно регулировать температуру паяльника, что отлично подходит для множества проектов.Эти станции также могут создать более безопасное рабочее место, поскольку некоторые из них включают усовершенствованные датчики температуры, настройки предупреждений и даже защиту паролем для безопасности.

Жала паяльника

В конце большинства паяльников есть сменная деталь, известная как паяльное жало. Есть много разновидностей этого наконечника, и они бывают самых разных форм и размеров. Каждый наконечник используется для определенной цели и имеет явное преимущество перед другим.Наиболее распространенные наконечники, которые вы будете использовать в проектах по электронике, - это конический наконечник и наконечник зубила.

Конический наконечник - Используется при пайке точной электроники из-за тонкого наконечника. Благодаря заостренному концу он может доставлять тепло на меньшие площади, не влияя на окружающую среду.

Chisel Tip - Этот наконечник хорошо подходит для пайки проводов или других более крупных компонентов из-за его широкого плоского наконечника.

Кредит изображения - Sparkfun.com

Латунь или обычная губка

Использование губки поможет сохранить чистоту жала паяльника, удалив образующееся окисление.Наконечники с окислением будут иметь тенденцию становиться черными и не принимать припой, как когда они были новыми. Вы можете использовать обычную влажную губку, но это сокращает срок службы насадки из-за расширения и сжатия. Кроме того, влажная губка временно снизит температуру наконечника при протирании. Лучшая альтернатива - использовать латунную губку, как показано слева.

Подставка под паяльник

Подставка для паяльника очень проста, но очень полезна и удобна в использовании.Эта подставка помогает предотвратить контакт горячего утюга с легковоспламеняющимися материалами или случайное повреждение руки. Большинство паяльных станций поставляются со встроенным фильтром, а также включают губку или латунную губку для очистки жала.

Припой

Припой - это металлический сплав, который плавится для создания прочной связи между электрическими частями. Он поставляется как в свинцовом, так и в бессвинцовом вариантах с диаметрами 0,032 ″ и 0,062 ″, которые являются наиболее распространенными.Внутри сердечника припоя находится материал, известный как флюс, который помогает улучшить электрический контакт и его механическую прочность.

Для пайки электроники чаще всего используется припой на основе канифоли, не содержащей свинца. Этот тип припоя обычно состоит из сплава олова и меди. Вы также можете использовать припой на основе канифоли с содержанием свинца 60/40 (60% олова, 40% свинца), но он становится все менее популярным из-за проблем со здоровьем. Если вы все-таки используете свинцовый припой, убедитесь, что у вас есть надлежащая вентиляция и что вы мойте руки после использования.

При покупке припоя НЕ используйте припой с кислотным сердечником, так как это может повредить ваши схемы и компоненты. Припой с кислотным сердечником продается в магазинах товаров для дома и в основном используется для сантехники и металлообработки.

Как упоминалось ранее, припой бывает нескольких диаметров. Припой более толстого диаметра (0,062 дюйма) хорош для более быстрой пайки более крупных соединений, но может затруднить пайку более мелких соединений. По этой причине всегда полезно иметь под рукой оба размера для разных проектов.

Рука помощи (Третья рука)

Рука помощи - это устройство, к которому прикреплено 2 или более зажима из кожи аллигатора, а иногда и увеличительное стекло / светильник. Эти зажимы помогут вам удерживать предметы, которые вы пытаетесь припаять, пока вы используете паяльник и припой. Очень полезный инструмент для вашего творчества.

Теперь, когда вы знаете, какие инструменты и материалы требуются, пора кратко обсудить способы обеспечения безопасности при пайке.

Паяльники могут нагреваться до 800 градусов по Фаренгейту, поэтому очень важно всегда знать, где находится ваш паяльник.Мы всегда рекомендуем использовать подставку для паяльника, чтобы предотвратить случайные ожоги или повреждения.

Убедитесь, что вы выполняете пайку в хорошо вентилируемом помещении. Когда припой нагревается, выделяются пары, которые вредны для ваших глаз и легких. Рекомендуется использовать вытяжной вентилятор, который представляет собой вентилятор с угольным фильтром, который поглощает вредный дым от припоя. Вы можете посетить такие сайты, как Integrated Air Systems для систем фильтрации воздуха.

Всегда рекомендуется надевать защитные очки на случай случайных брызг горячего припоя.Наконец, не забудьте мыть руки после пайки, особенно при использовании свинцового припоя.

Перед тем, как приступить к пайке, необходимо подготовить паяльник, залудив жало припоем. Этот процесс поможет улучшить передачу тепла от утюга к паяльному элементу. Лужение также поможет защитить наконечник и уменьшить износ.

Шаг 1: Начните с того, что убедитесь, что наконечник прикреплен к утюгу и плотно прикручен на место.

Шаг 2: Включите паяльник и дайте ему нагреться.Если у вас есть паяльная станция с регулируемым контролем температуры, установите ее на 400 ° C / 752 ° F.

Шаг 3: Протрите кончик паяльника влажной губкой, чтобы очистить его. Подождите несколько секунд, чтобы наконечник снова нагрелся, прежде чем переходить к шагу 4.

Шаг 4: Возьмите паяльник в одну руку и припаяйте в другой. Прикоснитесь припоем к наконечнику утюга и убедитесь, что припой равномерно течет по наконечнику.

Для продления срока службы наконечник утюга следует лужить перед и после каждого сеанса пайки.В конце концов, каждый наконечник изнашивается, и его нужно будет заменить, если он станет шероховатым или изъеденным.

Чтобы лучше объяснить, как паять, мы собираемся продемонстрировать это на практике. В этом примере мы собираемся припаять светодиод к печатной плате.

Шаг 1. Установите компонент - Начните с того, что вставьте выводы светодиода в отверстия на печатной плате. Переверните доску и согните выводы наружу под углом 45 футов. Это поможет компоненту лучше соединиться с медной площадкой и предотвратит ее выпадение во время пайки.

Шаг 2: Нагрейте стык - Включите паяльник и, если он имеет регулируемый контроль нагрева, установите его на 400 ° C. На этом этапе одновременно коснитесь кончиком утюга медной площадки и вывода резистора. Паяльник нужно удерживать на месте в течение 3-4 секунд, чтобы нагреть площадку и вывод.

Шаг 3. Нанесите припой на соединение - Продолжайте удерживать паяльник на медной площадке и выводе и коснитесь припоем соединения. ВАЖНО - Не касайтесь припоем непосредственно кончика утюга. Вы хотите, чтобы соединение было достаточно горячим, чтобы расплавить припой при прикосновении. Если стык будет слишком холодным, соединение будет плохим.

Шаг 4: Обрежьте выводы - Снимите паяльник и дайте припою остыть естественным образом. Не дуйте на припой, так как это приведет к плохому соединению. После охлаждения можно отрезать лишний провод от выводов.

Правильный припой должен быть гладким, блестящим и иметь форму вулкана или конуса.Вам нужно ровно столько припоя, чтобы покрыть все соединение, но не слишком много, чтобы он превратился в шарик или пролился на ближайший провод или соединение.

А теперь пора показать вам, как спаять провода. Для этого рекомендуется использовать руки помощи или другие зажимные приспособления.

Начните с удаления изоляции с концов обоих проводов, которые вы паяете вместе. Если проволока многожильная, скрутите жилы пальцами.

Убедитесь, что ваш паяльник полностью нагрет, и коснитесь наконечником одного из проводов.Подержать на проводе 3-4 секунды.

Удерживая утюг на месте, прикоснитесь припоем к проводу до полного покрытия. Повторите этот процесс с другим проводом.

Удерживая два луженых провода друг над другом, коснитесь паяльником обоих проводов. Этот процесс должен расплавить припой и равномерно покрыть оба провода.

Снимите паяльник и подождите несколько секунд, чтобы паяное соединение остыло и затвердело. Используйте термоусадку, чтобы закрыть соединение.

Преимущество использования припоя заключается в том, что его можно легко удалить методом, известным как распайка. Это пригодится, если вам нужно удалить компонент или исправить электронную схему.

Для демонтажа стыка вам понадобится припой, также известный как оплетка для удаления припоя.

Шаг 1 - Поместите кусок распаянной оплетки поверх стыка / припоя, который вы хотите удалить.

Шаг 2 - Нагрейте паяльник и коснитесь концом оплетки.Это нагреет припой ниже, который затем впитается в оплетку для распайки. Теперь вы можете удалить оплетку, чтобы увидеть, что припой извлечен и удален. Будьте осторожны, прикасаясь к косе во время ее нагрева, потому что она сильно нагревается.

Дополнительно - Если вы хотите удалить много припоя, вы можете использовать устройство, называемое присоской для припоя. Это ручной механический пылесос, который всасывает горячий припой одним нажатием кнопки.

Для использования нажмите на поршень на конце присоски для припоя.Нагрейте стык с помощью паяльника и поместите кончик присоски для припоя на горячий припой. Нажмите кнопку фиксатора, чтобы всосать жидкий припой. Чтобы опорожнить присоску для припоя, нажмите на плунжер.

БЕСПЛАТНО - Руководство по пайке (17 страниц)

.

Исследование прямого соединения керамики с металлом с использованием припоя Sn2La

Целью данного исследования было изучение прямого соединения керамических материалов, в основном Al 2 O 3 и некоторых металлов, с уделением первоочередного внимания медной подложке. Пайка проводилась припоем на основе Sn, легированным 2% La. Мы обнаружили, что образование связи между припоем Sn2La и Al 2 O 3 происходит при активации фаз лантана в припое ультразвуком. В процессе пайки лантан в припое окисляется на воздухе.Однако из-за ультразвуковой активации частицы лантана распределяются на границе с керамическим материалом. На границе с материалом Al 2 O 3 образуется однородно тонкий слой, содержащий La, толщиной 1,5 µ мкм, обеспечивая как смачивание, так и образование соединений. Прочность на сдвиг керамики Al 2 O 3 составляет 7,5 МПа. Повышенная прочность до 13,5 МПа наблюдалась у керамики SiC.

1. Введение

Припои на основе Sn являются наиболее часто используемыми припоями в электронной промышленности для технологий поверхностного монтажа и аналогичных приложений [1–3].Однако промышленное производство часто требует также соединения деталей, изготовленных из различных комбинаций материалов, таких как керамика / металл [4–6]. При пайке таких соединений неизбежно смачивание керамического материала металлическим припоем.

Исследования в настоящее время ориентированы на прямое соединение керамических материалов с применением активных припоев [7–10]. Такой подход сокращает время, необходимое для изготовления стыков, улучшается гигиена рабочей среды, а также повышается экономичность производства.

Установлено прямое соединение меди с керамикой Al 2 O 3 [11]. Стык изготовлен ультразвуковой пайкой с применением припоя Zn14Al. Качественные соединения без видимых дефектов были достигнуты при оптимальных параметрах пайки. Наибольшая прочность на сдвиг соединения Al 2 O 3 / Zn14Al / Cu, 80 МПа, была достигнута при температуре пайки 480 ° C и времени пайки 30 с.

В другом исследовании [12] прямая пайка керамики SiC проводилась с помощью ультразвука.Керамические подложки SiC паялись на воздухе припоем Zn8,5Al1Mg при температуре 420 ° C. Наибольшая прочность (148,1 МПа) была достигнута при воздействии ультразвука в течение 8 с. Новый аморфный слой толщиной от 2 до 6 нм был сформирован на границе раздела между припоем и подложкой. Прочная связь между подложкой SiC и припоем Zn-Al-Mg объясняется переносом массы SiO 2 на припой Zn-Al-Mg из-за кавитационной эрозии.

Предмет исследования [13] был ориентирован на прямую пайку сапфира ультразвуком с применением припоя Sn10Zn2Al.Было обнаружено, что ультразвук поддерживает реакцию окисления между Al из припоя и сапфировой подложкой. При пайке на воздухе на границе Sn-Zn-Al / сапфир формировался нанокристаллический слой α -Al 2 O 3 (толщиной 2 нм). Этот слой позволил образоваться связке. Прочность соединений на сдвиг достигла от 43 до 48 МПа, что является относительно высоким значением по сравнению с другими соединениями из керамики Al 2 O 3 , изготовленных из активных припоев Sn с добавкой Ti и / или лантаноидов.

Работа [14] посвящена прямой пайке Al 2 O 3 с использованием активного Sn-припоя типа Sn3.5Ag4Ti (Ce, Ga). Пайка производилась на воздухе при температуре 280 ° C. Для активации припоя использовался ультразвук с частотой 40 кГц. Прочность на сдвиг соединения Al 2 O 3 / Sn-AgTi / Al 2 O 3 составляла 24 МПа. На границе соединения Al 2 O 3 / Sn-AgTi, образованного оксидами Ti, в основном TiO, сформировался реакционный слой толщиной 4–7 мкм м.Этот слой обеспечивал смачиваемость керамики Al 2 O 3 .

Прямая пайка керамики ITO (оксид индия и олова) с медной подложкой, выполненная тем же припоем Sn3.5Ag4Ti (Ce, Ga) на воздухе при температуре 250 ° C, решена в работе [15]. Расплавленный припой перемешивали механической активацией в течение 30 с. Линейное сканирование показало, что Ti сегрегирован на границе между керамикой и припоем. Этот новый слой отвечает за образование связи. Прочность на сдвиг соединений ITO / Cu составляла 3.4 МПа. Соединения Cu / Cu и ITO / ITO достигли прочности на сдвиг 14,3 МПа и 6,8 МПа соответственно.

В работе [16] авторы рассмотрели пайку Al 2 O 3 / Al 2 O 3 и Al 2 O 3 / Cu при температуре 250 ° C. в воздухе. Расплавленный припой Sn3,5Ag4Ti (Ce, Ga) перемешивали в течение 30 с для смачивания поверхностей соединения, а затем на расплавленный припой помещали образец меди или оксида алюминия для соединения с образцом оксида алюминия путем трения друг о друга в течение 30 с.Сродство Ce к кислороду предотвращает окисление Ti, и поэтому Ti может реагировать с Al 2 O 3 при низкой температуре. Прочность на сдвиг соединений оксид алюминия / оксид алюминия, медь / медь и оксид алюминия / медь составляла 13,5 МПа, 14,3 МПа и 10,2 МПа соответственно.

Несмотря на множество положительных свойств, которые Sn-припой приобретает за счет добавления в сплав редкоземельных элементов, имели место и отрицательные явления, а именно образование нитевидных кристаллов Sn. Этим вопросом занимался широкий круг авторов [19–23].Рост усов, по мнению многих авторов, вызван окислением поверхностей припоя, а также внутренним напряжением. Автор [24] установил, что напряжение, вызванное образованием интерметаллического соединения Cu 6 Sn 5 , вытесняет атомы Sn из оксида внешней поверхности слоя Sn. По мнению автора [25], рост усов Sn в большинстве случаев очень медленный. Что касается того факта, что редкоземельные элементы обладают высоким химическим потенциалом и что они намного легче реагируют с кислородом, они, таким образом, усиливают рост нитевидных кристаллов Sn в припоях, содержащих эти элементы.

Как очевидно из упомянутых исследований, активный элемент является важным компонентом припоя, поскольку он обеспечивает смачиваемость и образование связи между металлическим припоем и керамическим материалом.

Припой, в котором в качестве активного элемента использовался титан, посвящено много исследований [26–29]. Также были исследованы активные припои, содержащие Ti (до 4 мас.%) И небольшие следовые количества лантаноидов, таких как Ce [18, 30–32]. Церий и другие лантаноиды в этих припоях содержали около 0.От 1 до 0,2 мас.% В следовых количествах. Авторы в упомянутых работах не изучали, может ли присутствие лантаноидов без присутствия Ti обеспечить смачиваемость керамических подложек, таких как Al 2 O 3 , и тем самым создать прямую связь с керамическим материалом.

Целью нашего исследования было прямое соединение керамики Al 2 O 3 с медной подложкой с применением припоя Sn2La. Мы исследовали, может ли припой на основе Sn, легированный La, смачивать керамику Al 2 O 3 и образовывать прочную связь.Мы также исследовали, может ли La заменить Ti в активных припоях Sn.

С этой целью был проведен анализ, чтобы выявить механизм образования связи, а также была измерена прочность на сдвиг изготовленных соединений. В качестве активного элемента в данном случае был использован лантан, обладающий высоким сродством к кислороду. Для сравнения было выбрано количество 2 мас.% La, поскольку в предыдущей работе [26] мы имели дело с взаимодействием припоя Sn2Ti с поверхностью керамики Al 2 O 3 .Пайка производилась при низкой температуре на воздухе с применением мощного ультразвука.

2. Экспериментальный припой

Sn с 2 мас.% La. Припой изготавливали методом литья в виде слитка. Взвешивание отдельных компонентов припоя производилось после установки весовой пропорции приготовленных сплавов. Для изготовления припоя использовались компоненты с высокой чистотой от 3 Н до 5 Н. Изготовление осуществлялось в горизонтальной трубчатой ​​вакуумной печи с резистивным нагревом.Рабочая температура, используемая во время производства, составляла 900 ° C, а также использовался вакуум 10 -4 Па. При этой температуре, выдерживаемой в течение 20 мин, происходила гомогенизация припоя. Остывание в вакуумной печи было медленным. Скорость охлаждения 14 ° C / мин.

В экспериментах использовались подложки из следующих материалов: (i) металлическая Cu-подложка чистотой 4 N в форме колец размером 15 × 1,5 мм. (Ii) керамическая Al 2 O 3 подложка из 5N. чистота в виде колец 15 × 2 мм (производитель Glynwed, GmbH, обозначение Degussit Al23).(iii) Керамическая подложка SiC в виде колец 15 × 3 мм (производитель CeramTec, GmbH, обозначение Rocar SiC). Для более детального анализа были выбраны комбинации материалов, представленные на рисунке 1.


Пайка проводилась на ультразвуковом оборудовании Hanuz UT2 с параметрами, приведенными в таблице 1. Активация припоя осуществлялась с помощью герметичного ультразвукового преобразователя, состоящего из пьезоэлектрической системы колебаний и титанового сонотрода с диаметром конца 3 мм. Схема ультразвуковой пайки через слой расплавленного припоя представлена ​​на рисунке 2.Температура пайки была на 20 ° C выше температуры жидкости припоя. Температуру пайки контролировали путем непрерывного измерения температуры горячей пластины NiCr / NiSi с помощью термопары.

9015 м 90] 2 Температура пайки

Мощность ультразвука Вт] 400
Рабочая частота кГц] 40
° C] 290
Время активации ультразвука с] 5


слой пайки нанесен следующим образом: подложка нагревается при температуре пайки.Затем жидкий припой подвергали ультразвуковой активации на воздухе в течение 5 с. После ультразвуковой активации лишний слой расплавленного припоя и образовавшиеся оксиды были удалены с поверхности подложки. Таким образом были подготовлены обе соединяемые поверхности. Подложки с нанесенным слоем расплавленного припоя укладывались друг на друга для обеспечения контакта с жидкой фазой. Затем они были центрированы, и соединение сформировано их небольшим сжатием. Графическое представление этой процедуры показано на рисунке 3.


Металлографическая подготовка образцов из паяных соединений проводилась по стандартным металлографическим методикам. Шлифование производили наждачной бумагой SiC с зернистостью 240, 320 и 1200 зерен / см 2 . Полировку проводили алмазными суспензиями с размерами зерен: 9 мкм, мкм, 6 мкм, мкм, 3 мкм, мкм. Окончательная полировка производилась полировальной эмульсией OP-S (Struers) с размером зерна 0,2 мкм мкм.

Микроструктура припоя исследовалась с использованием (i) светооптического микроскопа типа Neophot 32 с применением анализатора изображений NIS-Elements, тип E, (ii) электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) на микроскопе FEI Quanta 200 FEG, (iii) качественного и Полуколичественный химический анализ припоя Sn2La выполнен на оборудовании JEOL 7600 F с использованием микроанализатора типа Microspec WDX-3PC. Для определения фазового состава припоя использован рентгеноструктурный анализ. Это было реализовано с образцом припоя размером 10 × 10 мм на дифрактометре XRD типа PANalytical X’Pert PRO.

DSC-анализ припоя Sn2La был выполнен на оборудовании типа Netzsch STA 409 C / CD в среде с газообразным аргоном чистотой 6 N.

Испытание на сдвиг проводилось для определения прочности паяных соединений на сдвиг. Измерения проводились на двух керамических (Al 2 O 3 и SiC) и пяти металлических (Al, Ni, Ti, Cr-Ni сталь и Cu) материалах с припоем Sn2La. Прочность на сдвиг измеряли на универсальном оборудовании для разрывов типа LabTest 5.250SP1-VM. Специально разработанное приспособление для резки использовалось для изменения направления растягивающих нагрузочных сил, действующих на образец.Это приспособление для сдвига обеспечивает равномерную нагрузку образца при сдвиге на плоской границе между припоем и подложкой (рис. 4). Время выдержки при температуре пайки при изготовлении образца составляло 30 с, период ультразвука - 5 с.


3. Результаты экспериментов
3.1. Анализ припоя Sn2La

На рис. 5 показана макроструктура припоя Sn2La на поперечном сечении слитка. Отчетливо видны фазы La, равномерно распределенные в оловянной матрице.Равномерное распределение фаз La в оловянной матрице можно также увидеть на микроструктуре припоя, показанной на рисунке 6. Подробный вид фазы La можно увидеть на рисунке 7. В исследуемой матрице припоя La не наблюдалось. Матрица припоя состоит из чистого олова. Это подтвердил анализ EDS.




Результаты рентгеноструктурного анализа на рисунке 8 доказывают, что матрица припоя образована из чистого олова, в котором также присутствуют фазы лантана, LaSn 3 . Точно так же присутствие фазы LaSn 3 было доказано с помощью EDS-анализа.Точечный анализ фазы LaSn 3 в припое задокументирован на рис. 9.



Мнение авторов в [17] и бинарная система La-Sn также доказывают присутствие фазы LaSn 3 при содержание лантана 2 мас.% La (Рисунок 10).


Анализ методом ДСК был проведен для определения точки плавления припоя Sn2La. Измерения проводились в трех последовательных циклах, называемых RUN1, RUN2 и RUN3. Запись DSC припоя Sn2La показана на рисунке 11.Из хода кривой видно, что начало плавления припоя происходит при температуре 232,1 ° C, что примерно соответствует температуре плавления чистого олова. Пик температуры составляет 237,2 ° C. Согласно бинарной диаграмме La-Sn на Рисунке 10, эвтектическое фазовое превращение при температуре

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

(Де) пайка контакта из провода

Пайка - это процесс соединения двух или более металлических предметов. Греются паяльником. Присадочный металл, называемый припоем, с относительно низкой температурой плавления плавится и вливается в соединение, смешиваясь с припоем и плавясь немного. Мягкая пайка характеризуется температурой плавления присадочного металла ниже 400 ° C. Некоторые металлы, такие как железо, паяются редко, потому что их температура плавления слишком высока.

Припой, используемый в электронном оборудовании и для многих других целей, содержит флюс, который помогает очистить паяемый материал. Инструмент «Рука помощи» может упростить мягкую пайку, удерживая провода неподвижно и близко друг к другу и увеличивая их, чтобы увидеть провода или печатные платы меньшего размера.

Процесс также можно отменить, что называется распайкой. Это включает удаление припоя, чтобы можно было разделить два элемента. Это можно сделать, просто прикоснувшись к ним паяльником, пока припой не станет жидким, а затем потянув их на части, но есть несколько инструментов, которые помогают при попытке что-то отпаять.Фитиль для припоя состоит из очень тонких медных проволок, сплетенных в длинную полосу. Когда фитиль припоя помещается между паяльником и припоем, фитиль впитывает припой, и предметы можно разбирать. Насос для удаления припоя представляет собой длинную трубку с маленьким отверстием с одной стороны и плунжером с другой стороны, который можно толкать вниз. Когда плунжер опущен, небольшое отверстие помещается над припоем, а затем припой нагревается паяльником. Кнопка на стороне демонтажного насоса может быть нажата, чтобы плунжер вернулся достаточно быстро, чтобы создать всасывание, которое всасывает нагретый припой с предметов в насос.

Викискладе есть медиафайлы, связанные с пайкой .
.

Смотрите также