Температура плавлення припою: Довідник з температури сплаву

Температура плавлення припою повністю залежить від його сплаву. Евтектичний олов'яно-свинцевий припій (Sn63/Pb37) плавиться при єдиній, різкій температурі 183 °C (361 °F) , тоді як найпоширеніший безсвинцевий сплав, SAC305, плавиться в діапазоні приблизно 217–220 °C (423–428 °F) . Для всієї родини паяльних сплавів цифри коливаються від приблизно 138 °C для низькотемпературних олов'яно-вісмутових припоїв до 300 °C і вище для припоїв з високим вмістом свинцю. У цьому посібнику наведено точні цифри для кожного сплаву, пояснюється різниця між температурою плавлення та діапазоном плавлення, а також показано, чому ці кілька градусів визначають, чи є з'єднання друкованої плати надійним чи дефектним.

Яка температура плавлення припою?

Температура плавлення – це температура, за якої припійний сплав переходить з твердого стану в рідкий, щоб змочувати металеві поверхні та утворювати з'єднання. Складність полягає в тому, що лише евтектичні сплави мають єдину точку плавлення. Евтектична суміш – класичний приклад Sn63/Pb37 – плавиться та замерзає за однієї точної температури без проміжного кашоподібного стану. Саме цей різкий перехід є причиною того, що евтектичний припій забезпечує чисті з'єднання та є зручним у використанні.

Більшість неевтектичних сплавів плавляться в діапазоні , обмеженому двома температурами:

• Солідус — температура, за якої сплав починається розплавитися. Нижче цього стану вона повністю тверда.
• Рідина — температура, за якої сплав повністю рідина. Вище цього рівня вона вільно тече.

Між солідусом та ліквідусом припій частково твердий, а частково рідкий — це кашоподібний, «пастоподібний» або «пластичний» діапазон. З'єднання, порушені в цьому діапазоні, як правило, виходять зернистими та слабкими (класична причина порушеного або холодного з'єднання), що є однією з причин, чому евтектичні сплави без пластичного діапазону є кращими для ручного паяння.

Температура плавлення свинцевого (олов'яно-свинцевого) припою

Олов'яно-свинцевий (SnPb) припій домінував в електроніці протягом десятиліть і досі використовується в аерокосмічній, оборонній та медичній галузях, де важливі його надійність та відсутність волокнистих структур олова. Його поведінка при плавленні залежить від співвідношення олова та свинцю, і всі сплави SnPb мають однакову температуру солідусу 183 °C (евтектичну температуру):

Практичний висновок полягає в тому, що Sn63/Pb37 – це сплав, який слід обирати, якщо вам потрібні максимально чисті з'єднання, оскільки він пропускає пастоподібний діапазон, через який проходять інші співвідношення.

Температура плавлення безсвинцевого припою

RoHS та аналогічні правила змусили більшість комерційної електроніки перейти на безсвинцевий припій, який виготовляється переважно на олові з додаванням срібла, міді, а іноді вісмуту або нікелю. Безсвинцеві сплави плавляться на 30–45 °C гарячіше, ніж олово-свинцеві, що є найбільшим практичним наслідком цього переходу — він підвищує пікові температури паяння та теплове напруження на платах і компонентах.

SAC305 – це сплав, на якому побудовано більшість безсвинцевих друкованих плат. Існують варіанти з меншим вмістом срібла та леговані варіанти для зниження вартості або покращення стійкості до падінь та термоциклування, але їхні температури плавлення залишаються близькими до 217 °C для SAC.

Низькотемпературні та високотемпературні припої

Окрім основних сплавів, дві спеціальні групи знаходяться на крайніх температурних шкалах.

Низькотемпературні припої

Олово-вісмут (Sn42/Bi58) плавиться лише за 138 °C (281 °F) , а індій-олово (In52/Sn48) – приблизно за 118 °C (244 °F) . Вони використовуються, коли компоненти або підкладки не витримують звичайного нагрівання паянням – термочутливі світлодіоди, деякі датчики, гнучкі підкладки та ступінчасте паяння, де необхідно зробити друге з'єднання без переплавлення першого. Компроміс полягає в тому, що сплави вісмуту, як правило, більш крихкі.

Високотемпературні припої

Високосвинцеві сплави, такі як Sn10/Pb88/Ag2 (близько 268–290 °C) та Sn5/Pb95 (близько 308–312 °C), залишаються твердими за температур, які розплавили б звичайний припій. Вони використовуються всередині силових напівпровідникових кристалів, в електроніці для свердловинних нафтогазових установок та в інших гарячих середовищах. Для довідки, чисте олово плавиться при 232 °C, а чистий свинець – при 327 °C.

Порівняльна таблиця температур плавлення припою

Ця зведена діаграма розміщує поширені сплави поруч, від найнижчої точки плавлення до найвищої.

Температура плавлення проти температури паяння та оплавлення

Поширеною причиною плутанини є трактування точки плавлення як температури, встановленої на прасці або духовці. Це не так. Температура плавлення показує, коли припій стає рідким; щоб фактично змочити контактні площадки та правильно розтікся, потрібно працювати трохи вище ліквідусу.

• Температура жала паяльника встановлюється значно вище точки плавлення, щоб швидко нагріти з'єднання, перш ніж наконечник охолоне. Типові налаштування приблизно 315–370 °C (600–700 °F) для свинцевого припою та 350–400 °C (660–750 °F) для безсвинцевих матеріалів, скориговано з урахуванням розміру наконечника та маси з'єднання.
• Пікова температура пакування встановлюється приблизно на 20–40 °C вище ліквідусу сплаву. Для SAC305 (ліквідус ~220 °C) типовим піком є 235–250 °C; для свинцевого Sn63/Pb37 пік навколо 210–225 °C нормально.

Розрив між температурою плавлення та робочою температурою є навмисним: занадто малий запас — і припій ледве тече (холодні з'єднання, погане змочування); занадто великий — і ви ризикуєте підняти контактні площадки, пошкодити термочутливі деталі або перевищити температуру склування плати.

Чому температура плавлення припою важлива при складанні друкованих плат

У виробництві температура плавлення – це число, навколо якого побудований кожен термічний процес. Якщо її зробити неправильно, то врожайність постраждає. Місця, де це найважливіше:

• Профілювання переплавленням. Чотиризонний профіль пакування (попередній нагрів, витримка, пакування, охолодження) встановлюється на основі солідусу та ліквідусу пастоподібного сплаву. Пік повинен безпечно перевищувати ліквідус, не допускаючи нагрівання деталей — саме тому профіль, налаштований для SAC305, відрізняється від профілю для свинцевого процесу.
• Матеріал плати (Tg). Вищі температури безсвинцевих матеріалів наближаються до температури склування ламінату, тому висока Tg... FR-4 часто вказується для безсвинцевих конструкцій, щоб уникнути розшарування та деформації.
• Змішані сплави. Пропускання свинцевих кульок через безсвинцевий профіль (або навпаки) створює ненадійні з'єднання. Сумісність сплавів необхідно контролювати по всій специфікації матеріалу, особливо з BGA.
• Паяльна паста та трафарети. Паста підбирається відповідно до сплаву, а правильний об'єм наплавлення з трафарет з лазерним різанням забезпечує достатню кількість металу в з'єднанні після вигорання флюсу.
• Низькотемпературні варіанти. Коли плата містить деталі, які не можуть витримати пік 245 °C, замість них вибирається низькотемпературний сплав або селективний процес.

Highleap Electronics , китайський виробник друкованих плат та друкованих плат (PCBA), використовує як свинцеві, так і безсвинцеві процеси оплавлення з профілями оплавлення, що відповідають пастоподібному сплаву та тепловій масі плати, що перевіряється за допомогою AOI та рентгенівського аналізу на деталях з масивною структурою. Якщо ви не впевнені, який сплав або покриття підходить для вашого проекту, перевірка DFM охоплює припійний сплав, покриття поверхні та теплові міркування перед складанням плати — частина стандартного складання друкованих плат «під ключ» та поверхневого монтажу (SMT).

Температура плавлення припою. Найчастіші запитання

Яка температура плавлення припою в градусах Цельсія та Фаренгейта?

Це залежить від сплаву. Найпоширеніший свинцевий припій, Sn63/Pb37, плавиться при 183 °C (361 °F). Найпоширеніший безсвинцевий припій, SAC305, плавиться приблизно при 217–220 °C (423–428 °F).

Яка температура плавлення безсвинцевого припою?

Більшість безсвинцевих припоїв для електроніки плавляться між приблизно 217 °C та 227 °C. SAC305 має 217–220 °C, евтектичний олово-срібний припій — 221 °C, а олово-мідний (Sn99.3/Cu0.7) має 227 °C — приблизно на 30–45 °C гарячіший, ніж олов'яно-свинцевий припій.

Чому евтектичний припій має одну точку плавлення?

Евтектичний сплав, такий як Sn63/Pb37, має специфічний склад, який плавиться та твердне за певної температури без проміжних пастоподібних проміжків. Цей різкий перехід забезпечує чисті з'єднання та робить його зручним для ручного паяння.

Яку температуру слід встановити на паяльнику?

Вище точки плавлення припою, тому тепло передається швидко: приблизно 315–370 °C (600–700 °F) для свинцевого припою та 350–400 °C (660–750 °F) для безсвинцевого, з урахуванням розміру жала та маси з'єднання. Точне значення є робочою температурою, а не самою температурою плавлення.

Чи температура паяння така ж, як і температура плавлення?

Ні. Точка плавлення — це момент, коли припій стає рідким; температура паяння або оплавлення встановлюється вище неї. Піки оплавлення зазвичай на 20–40 °C вищі за ліквідус сплаву, тому припій змочується належним чином.

Чи можна змішувати свинцевий та безсвинцевий припій?

Цього краще уникати. Змішування сплавів — наприклад, пропускання кульок BGA без свинцю через профіль зі свинцем — створює невідповідності міжметалевих сполук та температур плавлення, що призводить до ненадійних з'єднань. У виробництві сумісність сплавів контролюється по всій конструкції.

Який припій має найнижчу температуру плавлення?

Серед поширених сплавів індій-олово (In52/Sn48) плавиться приблизно за 118 °C, а олово-вісмут (Sn42/Bi58) – за 138 °C. Ці низькотемпературні припої використовуються для термочутливих компонентів та ступінчастого паяння, хоча сплави вісмуту є більш крихкими.