Бессвинцовый припой

Что такое бессвинцовый припой

Бессвинцовый припой — это сплав для низкотемпературного соединения металлов (пайки и лужения), в составе которого свинец отсутствует или присутствует только как нормируемая примесь на уровне следов. Основой практически всех таких сплавов служит олово, к которому добавляют медь, серебро, сурьму, висмут, индий или их комбинации.

Важно понимать разницу: к бессвинцовым относятся только те составы, которые не содержат свинца. Сплавы без свинца, но с кадмием или ртутью — к данной категории не относятся и не являются «экологичными» в смысле директив RoHS/WEEE.

Промышленный переход на бессвинцовую пайку в ЕС закреплён директивой RoHS (2003/95/EC), действующей с 1 июля 2006 года. Она запрещает применение свинца в бытовой электронике, выпускаемой или ввозимой на территорию ЕС. Производители, ориентирующиеся на европейский и ряд азиатских рынков, обязаны использовать бессвинцовые материалы для монтажа. Производства, не связанные с этими рынками, делают выбор исходя из технических требований и санитарных норм рабочей зоны.

Системы сплавов: классификация по составу

Все промышленно применяемые бессвинцовые припои делятся на несколько систем в зависимости от основных легирующих элементов. Каждая система имеет свой температурный диапазон и технологическую нишу.

Оловянно-медные (Sn-Cu)

Наиболее экономичные бессвинцовые сплавы. Эвтектика системы Sn-Cu содержит 0,7% меди и плавится при ~227°C. Это основа для пайки волной (wave soldering) сквозных компонентов — метод, при котором допустима более высокая рабочая температура ванны. При увеличении доли меди до 3% (марка ПОМ-3, Sn97Cu3) сплав становится гиперэвтектическим: диапазон пайки смещается к 230–250°C, но увеличивается прочность затвердевшего шва и расширяется применение для трубных соединений.

Из российских марок к этой группе относятся ПОМ-1 (низкотемпературная капиллярная пайка медных фитингов) и ПОМ-3 (Sn97Cu3, пайка медных трубопроводов, пищевая промышленность, лужение).

Оловянно-серебряно-медные (Sn-Ag-Cu, семейство SAC)

Наиболее широко применяемые в электронной промышленности бессвинцовые припои. Трёхкомпонентная система Sn-Ag-Cu имеет эвтектику при температуре около 217°C (при приближении к составу ~Sn96,5Ag3,4Cu0,1 по диаграмме состояния). Промышленным стандартом стал состав SAC305: Sn96,5%, Ag3%, Cu0,5% — он плавится при 217–220°C и признан IPC, Soldertec и iNEMI как базовый для поверхностного монтажа (SMT-пайка оплавлением) и пайки волной. Содержание серебра снижает образование оксидов (дросса) в паяльных ваннах и повышает механическую стойкость шва к термоциклированию.

Другой распространённый состав семейства: Sn95,5Ag3,8Cu0,7, рекомендованный по результатам европейского проекта Brite-Euram как обладающий лучшими характеристиками смачивания.

Оловянно-висмутовые (Sn-Bi)

Эвтектика системы Sn-Bi: состав Sn42Bi58, температура плавления 138°C — самый низкий показатель среди доступных бессвинцовых сплавов. Применяется при пайке термочувствительных компонентов, нанесении ремонтных покрытий, ступенчатой пайке. Недостатки: хрупкость шва при ударных нагрузках, ухудшенная смачиваемость по сравнению с Sn-Ag-Cu, ограниченный диапазон рабочих температур готового соединения. Поэтому Sn-Bi системы применяются только там, где термочувствительность компонентов делает другие варианты неприемлемыми.

Российская марка ПОВи 0,5 (Sn99,5%, Bi0,5%) относится к этой группе по системе, но концентрация висмута мала — он выполняет роль модифицирующей добавки, снижающей точку плавления и изменяющей структуру кристаллизации, а не формирует низкотемпературную эвтектику.

Оловянно-сурьмянистые (Sn-Sb)

Присутствие сурьмы в пределах 4–6% повышает механическую прочность и твёрдость паяного шва, улучшает сопротивление ползучести при повышенных температурах. Температура плавления таких сплавов выше, чем у чистого олова, поэтому они применяются там, где требуется устойчивость соединения при нагреве в процессе эксплуатации: силовая электроника, электрические лампы, трубопроводы с повышенной рабочей температурой. Российская марка — ПОСу 95-5.

Российские марки бессвинцовых припоев по ГОСТ

В России производство форм выпуска (проволока, прутки) регулирует ГОСТ 21931-76, чушек — ГОСТ 21930-76. Марка ПОВи 0,5 выпускается по ТУ 48-0220-40-90.

Марка	Система	Состав (основа — Sn)	Солидус, °C	Ликвидус, °C	Нормативный документ
ПОСу 95-5	Sn-Sb	Sn≈95%, Sb 4–5%, Pb≤0,07%	234	240	ГОСТ 21930-76, 21931-76
ПОМ-3	Sn-Cu	Sn97%, Cu3%	—	—	ГОСТ 21931-76
ПОВи 0,5	Sn-Bi	Sn99,5%, Bi0,5%	225	231	ТУ 48-0220-40-90

Примечание по ПОСу 95-5: содержание свинца в марке ограничено на примесном уровне ≤0,07% — это не легирующий компонент, поэтому марка классифицируется как бессвинцовая. Узкий интервал кристаллизации (6°C) обеспечивает стабильное качество шва, но требует точной регулировки температуры паяльного оборудования.

Примечание по ПОМ-3: температурный интервал плавления (диапазон солидус–ликвидус) для марки отдельно не нормируется в открытых источниках; рабочий диапазон пайки 230–250°C установлен по технологическим данным производителей.

Международные бессвинцовые сплавы

Основные международные сплавы, применяемые совместно с российскими марками или при освоении производств с иностранным оборудованием:

Обозначение	Состав	Т. плавления, °C	Типичное применение
SAC305	Sn96,5Ag3Cu0,5	217–220	SMT-пайка, пайка волной, BGA
Sn-Cu0,7	Sn99,3Cu0,7	~227	Пайка волной (экономичный вариант)
Sn-Ag2,5	Sn97,5Ag2,5 (±Ag)	~221	Радиоэлектроника, ювелирная пайка
Sn42Bi58	Sn42Bi58 (эвтектика)	138	Термочувствительные компоненты, ступенчатая пайка

Технологические особенности пайки бессвинцовыми припоями

Температурный профиль: главное отличие от свинцовых систем

Эвтектический оловянно-свинцовый сплав (ПОС-63) плавится при 183°C. Большинство промышленных бессвинцовых сплавов имеют температуру плавления 217–240°C — на 30–60°C выше. Это принципиально меняет требования к технологическому оборудованию и профилям нагрева:

• Пайка оплавлением (reflow): рабочая зона печи — 235–245°C для SAC305.
• Пайка волной: температура ванны — 260–270°C (у SAC-систем).
• Ручная пайка: температура жала паяльника — 345–380°C.

Верхний предел для большинства электронных компонентов составляет 260°C. Это означает, что при бессвинцовой пайке технологическое окно (разница между минимальной рабочей температурой и максимально допустимой для компонента) значительно уже, чем при пайке свинцовыми припоями. Необходим точный контроль температурного профиля — как нарастание, так и охлаждение.

Время выдержки в зоне выше температуры плавления для SAC305 составляет 60–90 секунд при температуре пайки 235–245°C: этого достаточно для полного смачивания при умеренном росте интерметаллических соединений Cu-Sn на границе шов/подложка.

Смачиваемость и флюсы

Смачивающая способность бессвинцовых сплавов ниже, чем у оловянно-свинцовых. Особенно это выражено у оловянно-медных систем. Для компенсации применяют активные или высококонцентрированные флюсы, обеспечивающие очистку оксидной плёнки при рабочей температуре выше 217°C. Стандартные флюсы на основе канифоли, рассчитанные на работу при 180–200°C, при бессвинцовой пайке могут быть недостаточно активны — флюс должен сохранять активность вплоть до температуры пайки. О выборе флюсов для конкретной задачи — на странице Флюсы паяльные и сварочные.

При пайке волной в азотной среде значительно снижается окисление расплава и улучшается смачивание — этот приём особенно актуален для Sn-Cu систем с пониженной смачиваемостью.

Оловянные усы (tin whiskers) — критический технологический риск

Чистое олово и высокооловянные сплавы подвержены самопроизвольному росту нитевидных монокристаллов — «усов» (whiskers). Это токопроводящие выросты диаметром 1–10 мкм и длиной до нескольких миллиметров, которые образуются на оловянных покрытиях под действием сжимающих остаточных напряжений в кристаллической структуре. В свинцовых сплавах свинец подавляет этот процесс: сплав с содержанием Pb ≥ 3% по массе усов практически не образует.

В бессвинцовых покрытиях и паяных швах «усы» могут вырасти в течение месяцев или лет эксплуатации — даже при комнатной температуре. При достаточной длине они замыкают соседние проводники, вызывая сбои или катастрофический отказ устройства. Это особенно критично в плотных компоновках с малым шагом проводников. Именно по этой причине в авиационной, военной, космической и медицинской технике свинцовые припои по сей день разрешены в качестве исключений из директивы RoHS.

Как снизить риск роста усов:

• Применять многокомпонентные сплавы (SAC, Sn-Bi), а не чистое олово — легирующие элементы, образующие твёрдые растворы с Sn, изменяют структуру зерна и снижают сжимающие напряжения.
• Использовать матовые покрытия вместо блестящих — у них более равноосная кристаллическая структура.
• Применять барьерные подслои (никель) между медью и оловом — никель замедляет диффузию меди в олово, уменьшая накопление напряжений от роста интерметаллических соединений Cu₃Sn/Cu₆Sn₅.
• Проводить отжиг оловянного покрытия сразу после нанесения — снимает остаточные напряжения.

Добавление висмута в оловянное покрытие также снижает рост усов (мелкозернистая структура), однако избыточное Bi охрупчивает сплав.

Внешний вид шва и контроль качества

Паяный шов бессвинцовых припоев (особенно SAC) после оплавления в воздушной среде выглядит матово-серым, на поверхности образуется характерная сетка мелких трещин — следствие образования интерметаллических включений при кристаллизации. Это нормальное состояние шва, а не дефект. Блестящий шов, как у SnPb, достигается при пайке в инертной атмосфере (азот). Инспекторы ОТК должны знать о разнице во внешнем виде SnPb- и SAC-швов во избежание ложного брака.

Области применения

Отрасль / задача	Применяемые марки / системы	Обоснование выбора
Электроника, бытовая (RoHS)	SAC305, Sn-Cu0,7	Требование директивы RoHS, совместимость с SMT
Медные трубопроводы (водоснабжение, газ)	ПОМ-1, ПОМ-3	Санитарные требования, контакт с питьевой водой
Пайка при повышенной рабочей температуре, силовая электроника	ПОСу 95-5	Высокий солидус 234°C, стойкость к ползучести
Антикоррозионные защитные покрытия, лужение	ПОВи 0,5	Коррозионная стойкость, применение в радиоэлектронике
Термочувствительные компоненты, ступенчатая пайка	Sn42Bi58 и аналогичные системы	Низкая температура плавления 138°C
Пищевая промышленность (лужение медных деталей)	ПОМ-3, ПОСу 95-5	Отсутствие свинца, допустимость контакта с продуктами

Нормативная база

Производство и контроль качества бессвинцовых припоев в России регулируется следующими документами:

• ГОСТ 21931-76 — припои оловянно-свинцовые в виде проволоки и прутков. Охватывает в том числе марки с минимальным содержанием свинца на уровне примеси (ПОСу 95-5, ПОМ-3).
• ГОСТ 21930-76 — припои оловянно-свинцовые в виде чушек. Распространяется на ПОСу 95-5 в форме чушек.
• ТУ 48-0220-40-90 — регулирует выпуск ПОВи 0,5.
• В международной практике: IPC J-STD-006 (классификация паяльных сплавов), EN ISO 9453 (мягкие припои, состав и механические свойства).

Формы поставки

Бессвинцовые припои поставляются в нескольких формах, выбор которых определяется технологией монтажа:

• Проволока — для ручной пайки и полуавтоматических линий; диаметр от 0,5 до 3 мм и более.
• Прутки — для ручной пайки и лужения, длина от 300 до 500 мм.
• Чушки — для заправки паяльных ванн при пайке волной.
• Паяльная паста — смесь порошка припоя с флюсом; используется в SMT-технологии при трафаретном нанесении и пайке оплавлением. Поставляется по отдельным ТУ и стандартам.

На складе — Припой в различных формах и марках. Отгрузка по России. Условия поставки — по запросу.