Температура плавления олово висмут

Мягкие припои нужны для пайки деталей под низкими температурами. С помощью данных припоев возможно соединение твердых металлов с более высокими температурами плавления. Соединение деталей происходит благодаря диффузии (от латинского diffusio – растекание, распространение, рассеивание, взаимодействие. Процесс, с помощью которого молекулы одного вещества проникают в молекулы другого вещества, в итоге происходит выравнивание их концентрации по занимаемому объему). Т.е. молекулы припоя проникают в молекулы спаиваемых деталей, благодаря взаимному растворению и образуется прочное соединение с хорошей электропроводностью. Предел прочности у таких припоев составляет 5 – 7 кг·с/мм 2 .

Максимальные температуры плавления достигают 400 ºС, а иногда и 450 ºС. Также мягкими припоями возможна пайка таких легкоплавких металлов и сплавов как свинец, цинк и даже олово. Чем больше процент содержания олова в смеси, тем меньше температура плавления припоя. В мягкие сплавы припоев входят не только олово и свинец, также там идет добавление висмута, кадмия, таллия, индия, цинка, калия, галлия и других химических веществ. Эти химические вещества служат заменителями олова в смеси припоя, из-за его дефицитности. В таких смесях процент содержания олова маленький, а в некоторых его и вовсе может и не быть.

Виды припоев.

Индиевые припои служат для пайки деталей, которые чувствительны к повышениям температуры. Обладают высокими антикоррозийными свойствами в щелочных растворах. Отдельные припои с индием используют для пайки стекла, а именно ПОИн 52 (52 % In и 48 % Sn) с температурой плавления — 117 ºС. Способом натирания их наносят на поверхность стекла. Индий имеет хорошую смачиваемость поверхностей металлических и неметаллических деталей. Нашел свое применение в пайке полупроводников (пластмассы, стекла).

Мягкие припои состав.

Таблица 1. Химический состав индиевых припоев.

Содержание элементов, %								Температураполногорасплавления, °С
In	Cd	Pb	Sn	Ag	Zn	Ti	Bi
25	—	75	—	—	—	—	—	231
80	—	15	—	5	—	—	—	156
97,2	—	—	—	—	2,8	—	—	143
42,8	—	7,8	46,8	—	—	2,6	—	121
50	—	—	50	—	—	—	—	120
44,2	—	—	46,8	—	—	9,0	—	117
74	24,25	—	—	—	1,75	—	—	116
48,2	—	4	46	—	1,8	—	—	108
44	14	—	42	—	—	—	93
44,2	13,6	—	41,4	—	—	0,8	—	90
66	—	—	—	—	—	—	34	72
74	26	—	—	—	—	—	—	123
97	—	—	—	—	—	—	141

Припои с висмутом относятся к легкоплавким сплавам. Имеют характерные отличия в увеличении объема при переходе из жидкого состояния в твердое, а также при охлаждении. Сам по себе висмут металл малопластичный и его очень редко применяю для пайки. Температурные интервалы припоев с висмутом лежат в пределах от 47 до 145 ºС. Припои с висмутом обладают высоким электросопротивлением и низкими механическими свойствами. Плохо смачивают отдельные металлы как железо. В висмутовые припои входят сплав Вуда и сплав Розе.

Сплав Вуда. Температура плавления — 68.5 ºС. Состав такого сплава составляет 50% Bi (висмут), 25% Pb (свинец) 12,5% Sn (олово), 12.5% Cd (кадмий). Сплавы из Вуда используют в операциях изгиба тонкостенных труб, в изготовлении с помощью гальванопластики полых тел, заливают шлифы металлографические, в датчиках пожарных сигнализаций, химических лабораториях в качестве низкотемпературной бани.

Сплав Розе. Эти сплавы отличаются своей низкой токсичностью по сравнению с другими сплавами. Температура плавления данного сплава — 94 ºС. В его состав входит 50% Bi (висмут), 25% Pb (свинец) 25% Sn (олово). Используют в качестве полупроводниковой техники в лабораториях и электрических предохранителей.

Таблица 2. Химический состав припоев с висмутом.

Марка припоя	Содержание компонентов, %									Температура начала плавления, °C	Температура полного расплавления, °С	Предел прочности при растяжении, МПа
	Sn	Pb	Sb	Cd	Ag	Zn	Bi	In	Ga
32,4-34,4	32,3-34,3	—	—	—	—	33,3–33,4	—	—	120	130	60
Сплав Вуда	12-13	24-25	—	12-13	—	—	49 -51	—	—	66	70	61
Сплав Розе	24,5-25,5	24,5-25,5	—	—	—	—	49-51	—	—	90	92	70

Галлиевые припои имеют хорошую смачиваемость поверхности и низкую температуру плавления. Поэтому галлий используют в смеси припоев. Обладает хорошей диффузией с взаимодействием с легкоплавкими металлами как кадмий, олово, свинец, цинк. Галлий при нагреве на воздухе, при температуре выше 400 ºС превращается в темную порошковую массу, это означает, что галлий интенсивно окисляется. Двойные сплавы галлия с золотом, серебром, медью, никелем, титаном, кобальтом, магнием годятся для диффузионной пайки титана, меди, а также и других металлов. В последнее время припои с галлием используют для диффузионной пайки меди. Галлий крайне редко применяется в качестве основы в расплавляемых припоях.

Таблица 3. Химический состав галлиевых припоев.

Марка припоя	Содержание компонентов, %
	Ga	In	Sn	Cu	Ag
1	65-70	—	—	35-30	—
2	37-32	—	—	63-68	—
3	60	10	—	30	—
4	60	10	—	26	4
Г7	36,2	16,6	7,2	22	3
Г17	30,2	13,8	6,0	—	50
5	39,6	—	4,4	56	—

Изготавливают мягкие припои в виде проволоки, прутков и болванок, обычно небольших диаметров от 3 мм.

Легкоплавкие припои должны соответствовать нескольким требованиям:

— высокой текучестью (лужение).

Применение мягких припоев.

Наиболее часто используют мягкие припои для сборки или ремонта радиотехники, из-за малой механической прочности, невысоких
температур плавления и хорошей электропроводности.

Возможно вам будут интересны другие мои статьи:

Потребность в гальванических покрытиях возникает, когда поверхность детали нуждается в специальных свойствах. Не всегда гальванические покрытия чистым металлом могут удовлетворить эти требования.

Применяемые ранее для пайки покрытия оловом в процессе эксплуатации показали себя не лучшим образом: со временем на поверхности появлялись нитевидные кристаллы, которые в условиях насыщенных электромонтажных схем могли вызвать короткое замыкание.

В результате исследований получено, что уменьшить скорость роста кристаллов на поверхности олова может добавка в покрытии олова небольшого количества висмута (0,2 – 1,8%), т.е. покрытие олово-висмут. Висмут позволяет предотвратить переход белой модификации олова в серую и снижает вероятность иглообразования. Поэтому покрытия сплавом олово-висмут (99,8) рекомендуется в качестве защитных для деталей, подлежащих пайке.

Особенности процесса осаждения сплава олово-висмут в нашем обучающем курсе.

Условием совместного осаждения металлов (в частности олова и висмута) является равенство их потенциалов осаждения, сближение которых необходимо осуществить, подбирая состав электролита и режим осаждения. У висмута и олова стандартные потенциалы близки, поэтому сплав олово-висмут можно получать, изменяя концентрации металлов олова и висмута в растворах простых солей.

Электролиты для осаждения олова бывают кислые и щелочные. Так как висмут в щелочных растворах разлагается, для осаждения сплава олово-висмут применяют сульфатные электролиты состава:

Покрытие сплавом олово-висмут.

SnSO₄ – 40-60 г/л Bi(NO₃)₃ – 0,5 -1,5 г/л
H₂SO₄ – 100-120 г/л
NaCl – 0,2 — 0,8 г/л
Добавка ОС-20 – 2-5 г/л
Трилон Б – 3-5 г/л
Температура +15 – 25 0
СД_К = 1-2 А/дм 2

Завешивать деталь надо под током с толчком 2-4 А/дм 2 .

Аноды из олова, их необходимо поместить в чехлы из хлориновой ткани. Анодная плотность тока должна быть в 2 раза меньше катодной, а в отсутствии тока аноды следует вынимать из электролита олово-висмут, во избежание контактного осаждения висмута. После приготовления электролита для осаждения сплава олово-висмут требуется проработка током при плотности 0,5-1 А/дм 2 .

Некачественное покрытие олово-висмут (шероховатое) может осаждаться, если в электролите присутствуют механические примеси, при этом электролит олово-висмут следует отфильтровать. Если покрытие олово-висмут серое, с темными пятнами – возможно накопление 4-х валентного олова, которое следует осадить пирофосфатом калия (4,5 г/л на 1 г 4-х валентного олова).

Заметно ухудшает качество покрытия олово-висмут наличие в электролите олово-висмут примесей хлора (0,1–0,2 г/л), которые могут попасть при обработке подслоя меди перед покрытием олово-висмут. Поэтому при декапировании подслоя меди перед покрытием олово-висмут следует исключить применение соляной кислоты.

В целом электролит олово-висмут прост в приготовлении и эксплуатации, но требует регулярного анализа и чистоты. Анализ электролита олово-висмут следует проводить не реже 1 раза в неделю.

На опыте замечено, что выдержка покрытий при температуре 200 0 С в течение 1-9 часов значительно подавляет образование нитевидных кристаллов, поэтому после нанесения покрытия олово-висмут рекомендуется термообработка.

Для получения блестящих покрытий олово-висмут в электролит вводят блескообразователи: 0,6 г/л фурфурола с 20 г/л формалина и 0,7 г/л камфоры. Покрытие олово-висмут получается плотное и блестящее. Такой электролит для сплава олово-висмут имеет высокую рассеивающую способность и обладает выравнивающим эффектом.

Блестящее покрытие сплавом олово-висмут более декоративно и коррозионностойко, но имеет один недостаток – гораздо хуже паяется, так как органические добавки из электролита экстрагируются в покрытие олово-висмут и препятствуют растекаемости припоя.

Для повышения адгезии и коррозионной стойкости поверхности деталей с покрытием олово-висмут при нанесении покрытия олово-висмут на сплавы алюминия и стали необходимо предварительно нанести подслой никеля и меди (см. «Анализ причин нестабильности адгезии покрытия ХимНМОВи к поверхности деталей из алюминиевых сплавов.») Кроме того, растекаемость припоя по покрытию олово-висмут, нанесенному на медный подслой значительно выше, чем по покрытию олово-висмут, нанесенному на никелевый подслой.

При работе с электролитом олово-висмут необходимо соблюдать требования безопасности – работать в спецодежде и перчатках. Ванна олово-висмут должна иметь бортовую вентиляцию.

Все чаще перед производителями электроники встают задачи, требующие применения паст с низкой температурой плавления. Причин этому может быть много – чувствительные к температуре компоненты, оптимизация технологического процесса, необходимость ступенчатой пайки, технология Pin in Paste, которая в последнее время становится все более популярной. Основной вопрос, который может возникнуть при решении данной задачи – каким материалом производить низкотемпературную пайку печатных узлов и какие технологические аспекты важно учитывать при использовании низкотемпературных паяльных материалов. В статье мы дадим ответ на данный вопрос и покажем возможности для применения низкотемпературной пасты.

Традиционно для пайки печатных узлов используются две основные категории паяльных паст: с содержанием свинца и бессвинцовые. В России более 90% продукции производится с применением паст, содержащих свинец. Обычно это материалы со сплавами Sn63/Pb37, Sn60/Pb40, Sn62/Pb36/Ag2. Температура плавления таких сплавов лежит в диапазоне 179-183 О С. Бессвинцовая же технология и применение соответствующего класса материалов в России востребованы меньше, хотя некоторые крупносерийные производства работают именно по данной технологии и используют классические бессвинцовые припои SAC с температурой плавления в диапазоне 217-220 О С.

Как уже было отмечено, паяльные пасты с температурой плавления выше 180 О С в ряде случаев оказываются неприменимы на некоторых этапах технологического процесса. Основные задачи, для решения которых может быть использована низкотемпературная паяльная паста – это пайка чувствительных к температуре компонентов, двусторонний монтаж платы, необходимость допайки отдельных сложных компонентов печатной платы (BGA, QFP, PGA и другие). В этих случаях применяются ручная доработка, использование клеев для поверхностного монтажа, пайка волной, селективная пайка. Однако следствием внедрения таких решений могут стать дополнительные затраты на оборудование, заработную плату, дополнительные технологические материалы, энергоресурсы и т.д. Можно выбрать низкотемпературный припой с содержанием индия, но это зачастую дорогие материалы c продолжительным сроком поставки. И как быть в такой ситуации производителям электроники, которые выпускают продукцию серийно? Ведь при серийном производстве важно обеспечить и минимальную себестоимость сборки, и высокое качество, и своевременное производство, а также минимизировать простои производственных мощностей, обусловленные, в том числе, отсутствием требуемых технологических материалов.

Для низкотемпературной пайки эффективным решением могут быть паяльные пасты со специальными низкотемпературными сплавами. Существует материал, который уже опробовали и применяют многие отечественные производители – паяльная паста Indium 5.7LT (рис. 1). Это материал на основе припоев висмут/олово (Bi/Sn), разработанный и выпускаемый компанией Indium с 2012 года.

Паяльная паста Indium 5.7LT выпускается с двумя типами сплавов: Indalloy 281 (Bi52Sn48) и Indalloy 282 (Bi52Sn47Ag1). Температуры плавления данных сплавов соответственно 138 о С и 140 о С, а температура пайки – 160 о С. Это позволяет выполнять пайку сначала паяльной пастой со сплавом Sn62Ag36Pb2 с температурой плавления 180 о С, а потом проводить пайку паяльной пастой Indium 5.7LT без риска, что отпаяются запаянные при первой операции компоненты. При использовании припоев висмут/олово риски повреждения чувствительных к температуре компонентов также существенно минимизируются.

Сплавы олова с висмутом (рис. 2) хорошо смачивают и растекаются по большинству видов покрытий. Их твердость ниже твердости сплавов олова со свинцом, но они обладают значительно большей пластичностью, что позволяет им лучше переносить вибрации. В них создаются меньшие остаточные напряжения, вероятность появления трещин значительно снижена. Любопытный факт: именно высокая пластичность сплавов висмут-олово не позволяет производить из него трубчатые припои с каналами флюса внутри по существующим технологиям.

С другой стороны, особого внимания требует взаимодействие сплавов висмут-олово со свинцом. Присутствие свинца в сплавах висмут-олово значительно снижает температуру плавления, т.к. при этом образуется тройная эвтектика олово-висмут-свинец с температурой плавления 90 о С. Перед применением пасты со сплавом висмут-олово важно убедиться, что температура изделия при эксплуатации и транспортировке не будет выше 80 О С или в отсутствии свинца на плате и компонентах.

Паяльная паста Indium 5.7LT отличается прозрачными ультрамалыми остатками флюса после оплавления, не содержит галогенов и соответствует требованиям самых жестких директив RoHS и REACH. Паяльная паста поставляется в банках по 500 грамм и в шприцах 10 см 3 по 25 грамм. Стоимость подобных паяльных паст в разы ниже аналогичных продуктов, содержащих индий.

Как уже говорилось, остатки флюса после оплавления пасты Indium 5.7 LT очень малы и в большинстве случаев не требуют отмывки. При необходимости удаления остатков флюса рекомендуется примененять стандартные процессы отмывки с использованием отмывочных жидкостей компании Zestron.

Пример из практики

Рассмотрим пример технологического процесса одного из российских производителей электроники. Была поставлена задача по производству телекоммуникационного изделия со сложными микросхемами в корпусах BGA и QFP, большим количеством поверхностно-монтируемых пассивных компонентов, а также разъемами со штыревыми выводами. Инженеры предприятия решили применить технологию поверхностного монтажа PiP (Pin in Paste – монтаж компонентов со штыревыми выводами на паяльную пасту), т.к. использование других технологий не позволяло обеспечить необходимые производительность и качество.

Работа по технологии PiP и разработка трафарета не вызвали вопросов, но инженеры столкнулись с задачей, требующей внесения корректировок в технологию пайки печатного узла. Выяснилось, что некоторые выводные компоненты, которые ранее штучно допаивались вручную, не выдерживают температуру пайки, необходимую для паяльных паст со сплавом Sn62Pb36Ag2. Например, один из разъемов после воздействия температуры 190-200 о С деформировался до такой степени, что его использование в изделии в процессе эксплуатации оказалось невозможным (рис. 3).

Решением задачи стало применение паяльной пасты Indium 5.7LT с пиковой температурой, в зоне оплавления не превышающей 170 о С. Температурный профиль для пайки был разработан инженерами Остека и специалистами технической поддержки с учетом рекомендаций компании Indium (рис. 4). Для проверки найденного решения на практике провели эксперимент. Работа состояла из двух основных этапов:

1. Проверка возможности сборки печатного узла с двусторонним монтажом и применением двух типов паяльных паст: пасты с традиционным сплавом Sn62Pb36Ag2 на одной стороне платы и пасты со сплавом Bi52Sn48 на второй стороне.

2. Проверка возможности качественной сборки печатной платы с компонентами, критичными к температурам нагрева выше 190 о С с применением пасты со сплавом Bi52Sn48.

Этап №1

Ранее вторая сторона платы допаивалась либо вручную, либо на установке пайки волной, либо с помощью специального оборудования. По расчетам и прогнозам инженеров перевод изделия полностью на технологию поверхностного монтажа повышал производительность, положительно влиял на качество и себестоимость сборки.

Профиль для оплавления был построен на основании профиля, рекомендованного производителем, но с учетом теплоемкости и особенностей конкретных печатных узлов.

Пайка второй стороны печатной платы c использованием сплава Bi52Sn48 никак не отразилась на ранее сформированных паяных соединениях. Качество сборки и технологичность процесса оправдали все ожидания специалистов. Результат эксперимента: паяльная паста Indium 5.7LT утверждена для использования в процессе монтажа плат для технологии по PiP.

Этап №2

При сборке использовались классическая технология поверхностного монтажа и технология PiP, паста Indium 5.7LT, сплав Bi52Sn48. В качестве критичного компонента был выбран отрицательно зарекомендовавший себя разъем. В эксперименте максимальная пиковая температура при оплавлении составила 160 о С.

Результаты показали, что у всех критичных к температуре компонентов после оплавления с использованием паяльной пасты Indium 5.7LT не выявлено изменений от воздействия температур оплавления припоя. Проведенные позже тесты подтвердили, что форма и характеристики компонентов после оплавления полностью соответствуют техническим нормам и описанию. Результат эксперимента: паяльная паста Indium 5.7LT утверждена также и для пайки компонентов, критичных к воздействию высоких температур.

В завершение подчеркнем, что паяльные пасты и другие продукты компании Indium помогают решать самые сложные задачи при пайке и гарантируют надежный результат. Широкая номенклатура форм припоев, типов сплавов и формул флюсов позволяют найти оптимальное технологическое решение практически для любой задачи в области сборки электроники.

Висмут (лат. Bismuthum), Bi – химический элемент V группы периодической системы Менделеева; серебристо-серый металл с розоватым оттенком. Цветная глянцевая поверхность – это оксидная пленка висмута, который в сухом воздухе устойчив, во влажном наблюдается его поверхностное окисление. При нагревании выше 1000°С сгорает голубоватым пламенем с образованием окиси Bi₂O₃.

Висмут был известен в 15—16 вв., но долгое время его считали разновидностью олова, свинца или сурьмы. Как самостоятельный металл он был признан в середине 18 века – французский химик А. Лавуазье включил его в список простых тел.

Физические и химические свойства висмута:

Плотность 9,80 г/см 3 ; t_пл 271,3°С; t_kип 1560°С. Удельная теплоёмкость (при 20°С) 123,5 дж/кг·К (0,0294 кал/г·С); термический коэффициент линейного расширения при комнатной температуре 13,3·10 -6 ; удельная теплопроводность (при 20°С) 8,37вт/(м·К) [0,020 кал/(см·сек·°С)]; удельное электрическое сопротивление (при 20°С) 106,8·10 -8 ом·м (106,8·10 -6 ом·см).