Рассматривается пайка как технологический процесс соединения металлических деталей, акцентируется внимание на роли правильного выбора припоя для обеспечения прочности, электропроводности и коррозионной стойкости соединений. Представлена классификация припоев по температуре плавления (мягкие и твёрдые), подробно разобраны их виды: оловянно‑свинцовые и бессвинцовые (в т. ч. Sn‑Ag‑Cu, Sn‑Cu), специальные легкоплавкие (сплавы Розе и Вуда), а также твёрдые (медно‑цинковые, медно‑фосфористые, серебряные). Описаны ключевые физико‑химические свойства припоев и критерии их выбора в промышленном производстве и электронике. Отмечены современные тенденции: отказ от токсичных компонентов (свинец, кадмий) и развитие наноприпоев
пайка, припой, коррозионная стойкость, сплавы
Пайка является одним из наиболее распространённых технологических процессов соединения металлических деталей путём введения между ними расплавленного вспомогательного материала – припоя. В отличие от сварки, при пайке основной металл заготовок не расплавляется, что позволяет сохранять структуру материала и обеспечивать высокую точность соединений. Выбор правильного припоя определяет не только механическую прочность шва, но и его электропроводность, коррозионную стойкость и долговечность. В настоящей статье рассматриваются основные виды припоев, их физико-химические свойства и современные требования к материалам для пайки в условиях промышленного производства и электроники.
Ключевым критерием разделения припоев является их температура плавления. Согласно принятой технической классификации, их делят на две основные группы [1]:
– мягкие (легкоплавкие) припои – имеют температуру плавления до 450 °C. Применяются в электронике, приборостроении и бытовой технике. Обладают сравнительно невысокой механической прочностью (предел прочности при растяжении 50…100 МПа);
– твёрдые (тугоплавкие) припои – плавятся при температуре свыше 450 °C. Используются для создания высокопрочных соединений, работающих в условиях высоких температур и механических нагрузок (холодильное оборудование, теплообменники, машиностроение).
Оловянно-свинцовые припои (ПОС) – это классическая группа припоев, регламентируемая в РФ ГОСТ 21931-76. Основными компонентами являются олово (Sn) и свинец (Pb). Число в маркировке указывает на процентное содержание олова [2-5]:
1. ПОС-61. Содержит 61 % олова, остальное – свинец. Температура плавления 183…190 °C. Считается «эвтектическим» или близким к нему, что обеспечивает мгновенный переход из жидкого состояния в твёрдое. Применяется для пайки высокоточной радиоаппаратуры и печатных плат.
2. ПОС-40. Содержит 40 % олова. Имеет более широкий интервал кристаллизации. Применяется для пайки латуни, меди и железа, где не требуется критическая точность.
3. ПОС-90. Применяется в пищевой промышленности, так как высокое содержание олова снижает токсичность шва.
Бессвинцовые припои (Lead-Free) используются в связи с принятием международной директивы RoHS (Restriction of Hazardous Substances), где применение свинца в электронике ограничено. Современные бессвинцовые припои базируются на следующих системах [6]:
1. Sn-Ag-Cu (олово-серебро-медь). Самый популярный стандарт. Температура плавления около 217…221 °C. Обладают хорошей смачиваемостью.
2. Sn-Cu (олово-медь). Бюджетный вариант, часто используется для пайки медных труб в водоснабжении.
Существуют сплавы с экстремально низкой температурой плавления (ниже 100 °C), применяемые для пайки чувствительных к перегреву компонентов или в качестве термопредохранителей:
1. Сплав Розе: (олово 25 %, свинец 25 %, висмут 50 %). Температура плавления 94 °C. Популярен при демонтаже компонентов, чтобы не перегреть монтажную плату.
2. Сплав Вуда (висмут 50 %, свинец 25 %, олово 12,5 %, кадмий 12,5%). Содержит кадмий. Температура плавления 68,5 °C. Из-за токсичности кадмия применяется только в специальных лабораторных условиях.
Твёрдые припои обеспечивают прочность шва до 500 МПа и выше. К основным группам относят следующие:
1. Медно-цинковые припои (ПМЦ). Используются для пайки стали, бронзы и меди. Обладают высокой хрупкостью, поэтому не рекомендуются для соединений, подвергающихся вибрациям.
2. Медно-фосфористые припои. Уникальны тем, что фосфор в их составе играет роль флюса при пайке меди. Они обладают высокой текучестью и широко используются в ремонте холодильных систем. Однако их нельзя использовать для пайки сталей и чугуна из-за образования хрупких фосфидов железа.
3. Серебряные припои (ПСр). Считаются лучшими среди твёрдых припоев. Содержат от 10 % до 72 % серебра. Например, ПСр-45 обладает отличной коррозионной стойкостью и пластичностью.
Твёрдые припои широко применяются в авиастроении, пайке волноводов и ответственных узлов химического машиностроения.
При выборе припоя технолог должен учитывать следующие параметры:
1. Температура солидус и ликвидус – это критические температуры (или линии на диаграммах состояния), характеризующие процесс кристаллизации сплавов. Для ручной пайки предпочтителен узкий диапазон между этими температурами. Ликвидус – верхняя критическая точка (или линия на диаграмме состояния), температура, при которой начинается кристаллизация сплава при охлаждении (или полностью завершается плавление при нагреве). Выше этой температуры сплав находится полностью в жидком состоянии. Солидус – нижняя критическая точка (или линия на диаграмме состояния), температура, при которой заканчивается кристаллизация при охлаждении (или начинается плавление при нагреве). Ниже этой температуры сплав находится полностью в твёрдом состоянии. Есть несколько важных нюансов:
– интервал кристаллизации. Между температурами солидуса и ликвидуса сплав находится в двухфазном состоянии – одновременно присутствуют и жидкая, и твёрдая фазы. В отличие от чистых металлов, сплавы кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале;
– эвтектические сплавы. У некоторых сплавов (эвтектических) солидус и ликвидус совпадают – кристаллизация происходит мгновенно при одной конкретной температуре.
В пайке знание этих температур критично, т.к. для пайки важно, чтобы припой плавился (достигал ликвидуса), но основной металл оставался твёрдым (не достигал своего солидуса). Диапазон между солидусом и ликвидусом влияет на технологичность: узкий интервал облегчает пайку, широкий может вызывать дефекты шва. Например: для популярного припоя ПОС‑61 температура ликвидуса — около 190 °C, солидуса — 183 °C. Это означает, что в диапазоне 183…190 °C припой находится в кашицеобразном состоянии (смесь кристаллов и расплава).
2. Смачиваемость. Это способность расплава растекаться по поверхности металла. Зависит от чистоты поверхности и качества флюса.
3. Коррозионная стойкость. Очень важна для изделий, работающих во влажной среде.
4. Электропроводность. Она критична для силовых контактов и высокочастотной электроники.
Современное производство требует высокой степени чистоты припоев. Примеси сурьмы (Sb) повышают прочность, но снижают пластичность. Алюминий и цинк в составе оловянных припоев крайне нежелательны, так как они способствуют быстрому окислению зеркала расплава и ухудшают адгезию.
В последние годы активно развиваются наноприпои (паяльные пасты с наночастицами), которые позволяют снизить температуру процесса при сохранении высокой эксплуатационной надёжности шва.
Разнообразие видов припоев позволяет решать широчайший спектр задач – от сборки микропроцессоров до монтажа магистральных трубопроводов. Тенденции развития отрасли направлены на экологическую безопасность (отказ от свинца и кадмия) и создание специализированных сплавов для работы в экстремальных условиях (космос, агрессивные среды). Правильный выбор марки припоя в сочетании с адекватным флюсом является залогом надёжности технической системы в целом.
1. ГОСТ 21931-76. Припои оловянно-свинцовые в изделиях. Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1976.
2. Петрунин, И.Е. Справочник по пайке. 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 2003. — 480 с.
3. Лашко, Н.Ф., Лашко, С.В. Пайка металлов. – М. : Машиностроение, 1988. – 376 с.
4. Хряпин, В.Е. Справочник паяльщика. 4-е изд. – М.: Машиностроение, 2013. – 160 с.
5. Шмаков, С.Б. Современная пайка в электронике. Практическое руко-водство. – СПб.: БХВ-Петербург, 2018. – 256 с.
6. J-STD-006C. Requirements for Electronic Grade Solder Alloys and Fluxed and Non-Fluxed Solid Solders for Electronic Soldering Applications. – IPC, 2013.
