Температура плавления припоя: в каком диапазоне температур плавится припой?

Температурой плавления припоя называется та, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. Это один из важнейших параметров при производстве электронных изделий, влияющий на этап пайки. Слишком высокая температура может привести к образованию ненадежного паянного соединения, а также к повреждению самой печатной платы или электронных компонентов. В этой статье разберем, в каком диапазоне температур плавится припой, а также какие факторы влияют на этот процесс.

Температура плавления припоя: диапазон

Неподготовленному человеку может показаться, что расплавление припоя происходит одномоментно. На практике же это более сложный и постепенный процесс. Лучше всего это заметно на диаграммах состояния, на которых выделяется две линии:

• Солидус (от solid – твердый) – это линия, на которой исчезают последние капли расплава. Иначе говоря, она показывает температуру, при которой плавится самый легкоплавкий компонент припоя. Ниже нее вещество полностью переходит в твердую фазу.
• Ликвидус (от liquid – жидкий) – это линия полного расплавления всех твердых фаз, входящих в состав припоя. Выше данной температуры вещество становится полностью жидким.

Собственно, процесс расплавления припоя протекает именно между этими линиями, начинаясь при температуре солидуса и заканчивая температурой ликвидуса.

Факторы, влияющие на плавление припоя

Оплавление припоя происходит при его нагреве, на этот процесс влияет множество факторов, которые необходимо учитывать во время пайки. К важнейшим из них относятся:

Температура. Это самый важный параметр пайки, от которого зависит качество и надежность соединения. При нагреве компоненты, входящие в состав припоя, становятся жидкими и перемешиваются друг с другом. Они смачивают вывод компонента и контактную площадку платы, а при застывании образуют аккуратную вогнутую галтель из-за поверхностного натяжения. При недостаточном нагреве разжижение припоя происходит не полностью, его компоненты перемешиваются недостаточно хорошо и как следствие возникает непрочное паянное соединение (холодная пайка). Перегрев может приводить к возникновению пористого паянного соединения и к трещинам в нем.

Наличие флюса. Флюс предназначен для удаления окислов с паяемых поверхностей, снижения поверхностного натяжения  и защиты нагретого металла от окисления в процессе пайки. При отсутствии флюса из-за высокой температуры компоненты паяльной смеси начинают окисляться, то есть превращаться в оксиды, которые отличаются меньшей механической прочностью, электропроводностью и т. д. Поэтому для эффективного оплавления припоя и образования прочного соединения необходимо правильно подобрать флюс.

Размер паяного соединения. Чем больше «сустав» между контактной площадкой и выводом электронного компонента, тем больше припоя потребуется для образования прочного и надежного соединения. Важно, чтобы электронный компонент плотно и точно прилегал к контактным площадкам платы, так как тогда для их соединения потребуется меньше припоя и, соответственно, меньшее температурное воздействие для его оплавления.

Факторы внешней среды. К ним, в первую очередь, относятся влажность и температура в помещении, где происходит пайка. Очевидно, чем они выше, тем изначально более нагретым будет припой и контактные поверхности. Соответственно, для расплавления паяльного состава потребуется меньший нагрев. Напротив, чем ниже температура и влажность в помещении, тем больше нужно нагревать припой, чтобы он равномерно расплавился и образовал надежное соединение. К сожалению, далеко не всегда получается точно контролировать факторы внешней среды, особенно вне заводских условий – например, при ремонте печатной платы или сборке единичных изделий в неприспособленных для этого помещениях.

Какова температура плавления припоя?

Если исключить описанные выше факторы, то температура плавления припоя напрямую зависит от его состава – то есть вида и количества входящих в него компонентов, которые могут быть более или менее плавкими. По этому параметру припои принято делить на две основных группы:

• Мягкие. Температура их плавления – до 300ᵒС. К ним относятся сплавы на основе олова и свинца без добавок или с добавлением кадмия, цинка, а также бессвинцовые припои. Они также подразделяются на особолегкоплавкие, чья температура плавления не превышает 145 ℃, и просто легкоплавкие, расплавляемые при температурах от 145 ℃ до 300ᵒС.
• Твердые. Их температура плавления – более 300ᵒС. В эту категорию входят припои на основе меди (с добавлением цинка, фосфора или никеля), а также серебра. В свою очередь, они подразделяются на среднеплавкие (до 1100 ℃) и высокоплавкие (точка плавления в диапазоне 1100-1850 ℃). Также есть и более тугоплавкие составы, которые используются в основном как присадки.

Также в электронике и электротехнике могут использоваться легкоплавкие сплавы на основе ртути, цезия, щелочных металлов и т. д., имеющие очень низкие (вплоть до отрицательных) температуры плавления. Они не относятся, собственно, к припоям, но могут использоваться для пайки особо чувствительных электронных компонентов. В то же время из-за высокой химической активности их применение ограничено.

Что произойдет при перегреве припоя?

Паяльный состав во время пайки можно перегреть, если не соблюдать тепловой режим и время выдержки при заданном тепловом режиме. В этом случае возможны следующие последствия:

• Дефекты паянных соединений. Перегрев вызывает выгорание флюса и повторное окисление паяемых поверхностей. Оксиды металлов отличаются меньшей стойкостью к механическим нагрузкам, поэтому образуют ненадежные соединения, нарушаемые при несильных вибрациях и случайных ударах.
• Отравление. Многие припои содержат свинец, пары которого токсичны для человека. Чем выше температура, тем больше выделение паров и, следовательно, риск отравления ими. Поэтому во время пайки важно обеспечить хорошую вентиляцию помещения, использовать средства защиты и контролировать процесс расплавления.
• Повреждение компонентов. Современные электронные компоненты, такие как микросхемы, резисторы и конденсаторы, являются высокочувствительными к температуре. Повышение температуры выше допустимой может повредить их во время пайки. Также оно способно нанести ущерб самой печатной плате.

Чтобы избежать перегрева или недогрева припоя в процессе пайки электронных компонентов, необходимо предварительно изучить его характеристики, указанные в спецификации от производителя. В процессе работы с помощью инфракрасного термометра или термопары нужно контролировать температуру паяльника. Если пайка происходит на промышленном предприятии, то паяльные установки имеют систему поддержания температуры в заданном значении, облегчающих эту задачу.