Фев 212019
 

image
Давным, давно, когда я был школьником и добывал радиодетали преимущественно из разных выброшенных на свалку плат, заметил я необычное явление в процессе распаивания очередной такой платы: некоторые пайки моментально отваливались от фольги, стоило в них ткнуть паяльником. Контактная площадка оставалась чистой от припоя, гладкой и серебристо облуженной, а капля припоя на выводе детали имела внизу такое же блестящее плоское основание.

Заметил и забыл до поры. А в позапрошлом году, принимая участие в научной экспедиции в Арктику, я неожиданно столкнулся с неожиданным выходом из строя прибора, с которым работал. Прибор был самодельным — делали его другие люди, но к счастью, снабдили меня схемой и всей документацией, взял я с собой на всякий случай и паяльник и необходимые приборы. Долго неисправность искать не пришлось: внутри корпуса валялся интегральный стабилизатор на 5 В в корпусе D-Pak, который просто отвалился от платы. У контактных площадок и «брюха» стабилизатора были такие же красивые блестящие поверхности.

Последний случай был со стареньким ноутбуком, у которого, по словам прежнего его хозяина, в каком-то подвале за тысячу рублей поменяли разъем питания после того, как старый перестал контачить. Со временем с контактом в этом разъеме снова возникли проблемы и я, обнаружив, что разъем просто плохо припаяли и он просто болтался в плате, взял и пропаял разъем, как следует. Но прошло время и неисправность вернулась.

Как вы догадались, причина у всех этих явлений одна и она упомянута в заголовке статьи и показана на КДПВ. Но откуда он взялся на платах и даже в ноутбуке?

В первых двух случаях виной всему чье-то рацпредложение, которое в какой-то момент стало чуть ли не общепринятым способом лужения печатных плат у радиолюбителей, и судя по всему, проникло и в производство. Кинул плату в смесь воды, глицерина и лимонной кислоты, нагретую до ста градусов, бросил туда немного гранул сплава Розе, разогнал расплавившийся сплав резиновым шпателем — вот и готовы красиво облуженные и легко паяющиеся дорожки. А ноутбук, как мы помним, побывал у неофициальных ремонтников, у которых есть один милый приемчик — как отпаять припаянное к массивным полигонам платы, да еще и бессвинцовым припоем, хилым паяльником. Для этого служит все тот же сплав Розе, который, сплавляясь с тугим бессвинцом, быстро его плавит и позволяет легко демонтировать разъем, не «угрев» на плате все вокруг и не отслоив медь от текстолита. И во всех трех случаях сплав Розе, смешавшись с припоем, резко понижал температуру его плавления, что приводило к неприятностям.

Казалось бы, немножко сплава Розе должно не очень сильно изменить свойства припоя. Но это не так. Почему — давайте вспомним, что сплав Розе — это тройная эвтектика в системе олово-свинец-висмут.

Поговорим об эвтектике

Давайте посмотрим на фазовую диаграмму двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и незначительной растворимостью в твердом. По горизонтальной оси здесь отложен состав сплава, а по вертикальной — температура. А линии на ней представляют собой зависимости температур начала плавления (солидус — ADCB) и конца плавления (ликвидус — AEB). Еще есть две ветви, отделяющие области однородного твердого раствора от двухфазной области, но они нас сейчас не будут интересовать. В области между солидусом и ликвидусом мы имеем двухфазную систему из расплава и твердой фазы.

Точка E — особая, в ней солидус и ликвидус касаются друг друга: сплав такого состава наиболее легкоплавкий и плавится он сразу, подобно чистому металлу. Это и есть эвтектика. Хороший припой обычно представляет собой именно эвтектику и именно таким является ПОС-61 или ПОС-63.

А если состав сплава не соответствует эвтектике? Приходилось вам когда-нибудь паять припоем ПОС-40, который обычно продавался в советских хозмагах в виде толстого прутка? Под жалом паяльника он сначала превращается в своеобразную кашу, а потом только плавится окончательно. Затвердевает он в обратном порядке, сначала превратившись в кашу, а затем застыв окончательно.

А если мы возьмем олово и добавим в него всего лишь 5% свинца? Будет абсолютно то же самое, только между солидусом и ликвидусом «каша» будет практически твердая. Но непрочная, так как жидкая фаза будет заполнять тонкие прослойки между кристаллами.
И вот теперь обратите внимание, что линия солидуса горизонтальна. Это означает, что плавление любого сплава олова и свинца (в диапазоне составов 2,6-80,5% свинца) начнется при одинаковой температуре, независимо от его состава. При той же температуре закончится затвердевание, и кстати — состав этих последних капель расплава равен составу эвтектики.

А теперь добавим ножек висмут

А если добавить третий компонент, который также свободно растворяется в жидком состоянии, но не растворяется в твердом… Тут нам нужно уже рассматривать трехкомпонентную систему.
В общем-то, такая система ведет себя аналогично двухкомпонентной. Тут тоже есть состав из трех компонентов, где температуры солидуса и ликвидуса равны. И температура ее плавления еще ниже, чем температуры двойных эвтектик в каждой из трех двойных систем, составляющих тройную.

На данном рисунке изображен ликвидус, который из линии превратился в поверхность. А солидус… Солидус — это горизонтальная плоскость почти на весь треугольник (кроме свинцового угла — там интерметаллическая фаза). Для системы свинец-олово-висмут ее положение соответствует постоянной температуре 96°С — температуре плавления сплава Розе.
Так что если мы добавим к сплаву олово-свинец немного висмута, мы получим сплав, который начинает плавиться при 96°С.

Правда, висмут заметно растворяется в олове, а особенно в свинце. Из-за этого плоскость солидуса отодвинута от края треугольника — разреза олово-свинец. Она отстоит примерно на 15% висмута от эвтектики олово-свинец, «загибаясь» вверх при приближении к краю. Поэтому количество сплава Розе, которое приведет к неприятностям — не бесконечно мало, а примерно 10-20%. Но к сожалению, это лишь в идеальных условиях. В реальных и повредит и меньшее количество. Причина этому то, что пайка — процесс быстрый.

Кинетический фактор

Кинетика — это раздел химии, посвященный скорости протекания химических процессов. Пайка — процесс быстрый и кратковременный, точка пайки быстро разогревается до плавления припоя и быстро остывает. К чему это ведет?

Представьте себе контактную площадку на плате, облуженную сплавом Розе (специально или после того, как этим сплавом воспользовались для отпайки неисправной детали). К ней припаяли контактную площадку и убрали паяльник. Припой застыл. Время пайки — секунды. За это время припой и сплав Розе перемешаться не успеют, особенно если паяют SMD-элемент и перемешиванию мешает узкий зазор между контактной площадкой и площадкой вывода. В результате на месте бывшего сплава Розе на контактной площадке получается слой обогащенного висмутом слоя, который начнет плавиться при температуре 96°С, даже если общее количество загрязняющего спай висмута, казалось бы, недостаточно. Именно потому и отваливались детали от легкого касания паяльником, потому и образовывалось «зеркало».

Синим на этом рисунке показан сплав Розе, а серым — припой. Слева — до, а справа — после пайки.

Чем грозит?

Когда припоем со сплавом Розе припаяна греющаяся деталь, результат понятен: деталь просто отвалится. При температуре выше 96°С кристаллические зерна припоя разделены жидкими прослойками и прочность у него — как у мокрого песка. Казалось бы, если деталь не греется, бояться нечего? Но тут вступает в действие тот фактор, что от момента пайки до момента окончательного затвердевания проходит достаточно много времени. И в это время малейшее усилие на спай его разрушит, возникнут трещины. Получается своего рода «ложная пайка»: вроде все припаяно, контакт есть — а надежности нет, со временем этот контакт пропадет, особенно при механических нагрузках, как на разъеме питания ноутбука.

Выводы

Не пользуйтесь сплавом Розе ни для лужения плат, ни для выпаивания деталей. А если нужно припаять сплавом Розе какую-нибудь деликатную и очень боящуюся перегрева деталь, заведите себе для этого отдельный паяльник или отдельное жало. Достойной альтернативой лужению сплавом Розе является химическое лужение. Только обязательно нужно нанести на «химическое» олово флюс и оплавить его.
Когда деталь не нагружена механически и вы ее все же отпаяли сплавом Розе (или это сделал кто-то до вас), не поленитесь и перед пайкой приклейте ее к плате каким-нибудь не особо прочным клеем (чтобы при случае можно было бы и оторвать). Этим вы в некоторой степени застрахуете ее от смещения во время застывания припоя и сделаете пайку более надежной. Также можно пройтись по площадкам со сплавом Розе большой каплей припоя на широком жале паяльника, затем удалить припой оплеткой и повторить эту операцию еще 1-2 раза, но в зависимости от качества платы существует риск, что дорожки не выдержат.

PS:
Подобная же ситуация возникает, если вы вдруг столкнетесь с оловянно-висмутовым припоем. Такой припой, будучи малотоксичным (висмут гораздо менее токсичен, чем свинец) и легкоплавким (Tпл = 139°С), был бы отличным бессвинцовым припоем, если бы не образование тройной эвтектики при попадании свинца. Например, при ремонте платы, паяной таким припоем, с использованием обычного оловянно-свинцового припоя. Тем не менее, такой припой, как указывает Habra_nik, имеет определенный уровень популярности в Японии. Так что нужно быть внимательным при ремонте современной японской электроники.

QR Code - Take this post Mobile!
Use this unique QR (Quick Response) code with your smart device. The code will save the url of this webpage to the device for mobile sharing and storage.
Понравилось? Поделитесь:

:

Sorry, the comment form is closed at this time.