Припій — Вікіпедія

Котушки припою Sn₉₅Ag₅ та Sn₆₀Pb₃₈Cu₂.

Припій з 5-ма флюсовими осердями.

Електричний провідник, припаяний до контактного майданчика друкованої плати.

Припі́й^[1] (лют, люта,^[2] прилют^[3]) — метал, сплав (нелюд) або суміш оксидів, що застосовується для з'єднання металевих, мінерало-керамічних та інших деталей, для лудіння посуду тощо^[4]. Процес поєднання деталей за допомогою припою називається паянням. При паянні утворюється міцне з'єднання окремих деталей завдяки заповненню проміжку між ними рідким припоєм, який має нижчу ніж у деталей температуру плавлення, із подальшим його затвердінням.

В кожному конкретному випадку припій обирається в залежності від фізико-хімічних властивостей матеріалів, з яких виготовлені поєднувані деталі; від температурних обмежень; розмірів деталей; від вимог щодо потрібних якостей спаю (його механічної міцності, жаротривкості, корозійної стійкості, електропровідності, довговічності і загальної вартості), а також від способу паяння та технологічних умов її здійснення.

З'єднання металевих матеріалів виконується за допомогою металевих припоїв, а металевих матеріалів із неметалевими — за допомогою металевих припоїв із вмістом хімічно активних металів (наприклад, індію), або припоїв на основі оксидів (наприклад, склоприпої).

Найважливішими властивостями припоїв усіх видів є високі адгезійні та капілярні якості і висока плинність.

В залежності від технології здійснення паяння, розмірів та особливостей спаюваних деталей, припій може мати вигляд: дроту; прутків; трубок діаметром від 0,3 до 5 мм заповнених флюсом (каніфоллю); спеціальних стрічок фольги, яким заздалегідь надається форма відповідно до розмірів деталей (див. преформування припою); порошків; паяльних паст, які складаються із порошку припою і рідкого флюсу; суспензій.

Паяльні пасти та фольга зручні для застосування в умовах високоавтоматизованого безперервного виробництва електронних плат, в той час як паяльний дріт розраховано на ручне паяння.

Слюсарі-сантехніки часто використовують припій у вигляді прутів, товщина яких значно більша, ніж у дроту в електроніці. Ювеліри використовують припій у вигляді тонких листів, які вони в подальшому розрізують на шматки.

В аматорській практиці найбільш широко використовуються легкоплавкі припої.

При поєднанні компонентів припійного сплаву в спеціальній пропорції сплав стає евтектичним, що означає його здатність плавитися і твердіти за єдиної, чітко визначеної температури; не евтектичні сплави мають помітно відмінні температури солідус та ліквідус, в проміжку між якими вони існують у вигляді «кашоподібної» пасти із твердих частинок серед рідкої фази із нижчою температурою плавлення. Якщо при паянні електричних деталей ці деталі змістяться відносно одна одної в той момент, коли припій не повністю затвердів і знаходиться в кашоподібному стані, між ними може утворитися поганий електричний і механічний контакт, спричинений зональною ліквацією. Під час зсуву починається прискорена кристалізація припійного сплаву, яка супроводжується відокремленням великих кристалів з ослабленими міжкристалічними зв'язками. В результаті формується розшарована неоднорідна структура сплаву із локальними точками напруги, які в подальшому здатні викликати руйнування з'єднання. Застосування евтектичних припоїв зменшує подібні проблеми, оскільки в них ліквації не спостерігаються і структура має однорідний дрібнокристалічний вигляд, що надає паяному з'єднанню, окрім іншого, кращу протидію повзучості та втомі і забезпечує більшу довготермінову надійність^[5]. Але з іншого боку, властивість не евтектичних сплавів перебувати в кашоподібному стані використовується при монтажі трубопровідної арматури, оскільки це дає змогу коригувати розподілення припою і змінювати його форму в процесі охолодження, що дозволяє пересвідчитися в тому, що між трубами утворився герметичний контакт і з'єднання є «сухим».

Контакт деяких металів та сплавів з рідким припоєм може підвищувати їхню крихкість унаслідок явища наведеної рідким металом крихкості^[en] (також відоме як окрихчування). Суть ефекту полягає в тому, що в металі виникають мікроскопічні дефекти (мікротріщини, вакансії, дивакансії, пори тощо), які в подальшому сприяють формуванню тріщин та деформації твердого тіла. Дефекти починають відігравати роль капілярів, які адсорбують атоми поверхнево-активної речовини (припою) і слугують каналом для їх подальшого проникнення в об'єм твердого тіла. В результаті, рідкий припій призводить до деякого падіння міцності спаяних матеріалів^[6].

В техніці використовується значна кількість припоїв із різними фізичними та хімічними властивостями на основі широкого набору елементів, зазвичай з класу металів (наприклад, олова, свинцю, міді, цинку, кадмію, нікелю, індію, сурми тощо), та інших речовин (зазвичай оксидів, як, наприклад, у склоприпоях).

Припої на основі олов'яно-свинцевих сплавів дуже широко використовувалися в минулому і ще й досі виробляються. Вони особливо зручні при ручному паянні, але свинець що входить до їхнього складу може негативно впливати на довкілля. З цієї причини здійснюється поступовий перехід на безсвинцеві припої, які, однак, з різних причин є менш придатними для ручного застосування (див. Безсвинцевий припій).

За різними властивостями припої можуть поділятися на жароміцні, теплостійкі, кислотостійкі, спечені, композиційні тощо. Найпоширенішою є класифікація припоїв за температурами плавлення.

У повсякденному вжитку під терміном припій найчастіше розуміється лише група м'яких припоїв із діапазоном температур плавлення від 90 до 450 °C^[7]. За температурами плавлення вони поділяються на:

• особливолегкоплавкі (менше 145 °C);
• легкоплавкі (від 145 до 450 °C)^[8].

Паяння з використанням таких припоїв називається м'яким або низькотемпературним^[8]. Такий тип припоїв зазвичай застосовується в електроніці, в сантехніці (при монтажі трубопровідної арматури) та при з'єднанні металевих частин із великою площею контакту (листові матеріали) і малими механічними навантаженнями. Найпопулярніші в цій категорії сплави мають температури плавлення від 180 до 190 °C. Ручне паяння м'яких припоїв здійснюється із застосуванням паяльника або паяльної лампи.

Припої з температурами плавлення вищими за 450 °C називаються твердими, і відповідно до температур плавлення поділяються на:

• середньоплавкі (від 450 до 1100 °C);
• високоплавкі (від 1100 до 1850 °C);
• тугоплавкі (понад 1850 °C)^[9].

Паяння з використанням таких припоїв називається твердим або високотемпературним^[9], а інколи срібним. Найчастіше як тверді припої виступають сплави міді з цинком або із сріблом.

Срібний припій часто застосовується у виробництві для з'єднання металевих деталей, зварювання яких є з різних причин неможливим. Сплави, що використовуються при цьому, містять значну частку срібла (до 40%) і можуть містити кадмій.

У ювелірній справі застосовується спеціальні тверді припої, які проходять металознавчу експертизу. Вони містять високу концентрацію тих металів, для спаювання яких вони призначені і при цьому не мають в своєму складі свинцю. Ці припої різняться за твердістю і визначаються як «емалювальні», «тверді», «середні» і «легкі». Припої для емалювання мають високу температуру плавлення, дещо нижчу ніж у основного матеріалу, для запобігання невимушеного відпаювання з'єднань в процесі емалювання. В процесі виготовлення виробу, припої інших типів використовуються в порядку зниження ступеня їх «твердості», для запобігання відпаюванню вже існуючих швів та з'єднань в процесі паяння нових ділянок. Легкий припій також часто використовується при ремонті з тих самих причин. Флюс або «ювелірні рум'яна» (оксид заліза (III), відомий як «залізний сурик») також застосовується для запобігання відпаюванню з'єднань.

При паянні твердими припоями необхідно застосовувати більш ефективні методи нагріву ніж звичайні паяльники. Придатним для цього електричним приладом є спеціальні кліщі для електроконтактного паяння, в яких з'єднувані деталі затискаються між вугільними електродами і через них пропускається великий струм^[10]. Також можуть використовуватися апарати газового зварювання, пристрої для індукційного плавлення вихровими струмами, а в окремих випадках і паяльні лампи.

Олов'яно—свинцеві припої, що також називаються «м'якими», доступні з ваговими концентраціями олова від 5% до 70%. Чим більшою є концентрація олова, тим вищими у припоя стають його границя міцності та границя зсуву. При паянні електричних кіл використовуються припої ПОС-60 (60/40, Олово/Свинець, Sn/Pb), що плавиться при 188 °C та ПОС-63 (63/37, Sn/Pb), який застосовується переважно в електроніці та електротехніці. Припій ПОС-63 є евтектичним сплавом, який:

1. має найнижчу точку плавлення (183 °C) з усіх олов'яно-свинцевих сплавів;
2. має чітку температуру плавлення, яка є «точковим» значенням, а не числовим діапазоном.

Додавання олова, яке є матеріалом дорожчим за свинець, покращує змочувальні властивості припійного сплаву; змочувальна здатність самого свинцю є низькою. Олов'яно-свинцеві припої з високою концентрацією олова широкого застосування не знаходять, оскільки усі бажані робочі характеристики повністю забезпечуються дешевшими припоями із високим вмістом свинцю^[11].

Поверхня припою ПОС-60 (Sn₆₀Pb₄₀) окиснюється з утворенням складної чотиришарової структури: зверху оксид свинцю (IV), під ним шар оксиду олова (II) з дрібно розпорошеним свинцем, після якого шар оксиду олова (II) з дрібно розпорошеними оловом та свинцем, а під ними розміщений сам припійний сплав^[12].

В країнах Заходу до 1980-х років багато сантехнічних робіт виконувалися з використанням олов'яно-свинцевих припоїв. Вони мали підвищений вміст свинцю, зазвичай 50/50. Перевага такого припою полягала в тому, що він твердів повільніше, що давало змогу рівномірно «розтерти» припій по всьому з'єднанню і тим самим пересвідчитися в його герметичності. Перед початком такого паяння труби фізично стикувалися між собою. Після усвідомлення усіх небезпек отруєння свинцем, у трубопровідних мережах свинцеві труби були замінені мідними, але при виконанні трубних з'єднань, свинцевий припій деякий час все ще продовжував використовуватися, оскільки вважалося, що кількість свинцю, яка може потрапити при цьому у воду, за умови правильного паяння, є незначною. Варто зазначити, що свинець та мідь утворюють електрохімічну пару, що своєю чергою прискорює корозію олова та свинцю, але олово при цьому виявляється захищене шаром нерозчинного оксиду. Оскільки свинець був визнаний шкідливим для здоров'я навіть у малих кількостях^[13], у припоях для сантехнічних робіт його було замінено сріблом (харчової якості) або сурмою, інколи з додаванням міді, а частку олова було підвищено (див. Безсвинцеві припої.)

В електроніці, деталі на друкованих платах з'єднуються із провідниками і, відповідно, іншими деталями за допомогою припою. З'єднання компонентів, призначених для поверхневого монтажу, є дуже малими, через що в цих галузях поширилися паяльні пасти, які сильно потіснили класичний припій у твердому вигляді.

В цілому, якості та властивості олов'яно-свинцевих припоїв добре узгоджуються з вимогами радіоелектронної промисловості. Однак, тим не менш, їх застосування супроводжується рядом проблем:

• Олов'яно-свинцеві припої легко розчиняють золоті покриття на друкованих платах і утворюють при цьому крихкі інтерметаліди^[14].
• Свинець, а певною мірою і олово, у тому вигляді в якому вони представлені у припоях, містять в собі малі, але відчутні кількості домішок радіоактивних ізотопів. Радіоізотопи, з якими відбувається альфа розпад становлять проблему, оскільки можуть спричиняти апаратні помилки в роботі обладнання. Особливо проблемним є полоній-210; свинець-210 шляхом бета розпаду перетворюється на бісмут-210, якій в подальшому, також через бета розпад, перетворюється на полоній-210, який є активним випромінювачем альфа частинок. Уран-238 та торій-232 також є значними забрудниками сплавів з вмістом свинцю^[15][16].
• Разом із зростанням щільності монтажу електронних компонентів та зменшенням їхнього розміру, зменшуються також контактні майданчики плат, де здійснюється паяння, та проміжки між ними. Досягнуті нині щільності струму перевищують 10⁴ A/см², через що виникають проблеми, пов'язані з електроміграцією. При таких щільностях струму, кульки олов'яно-свинцевого припою (сплав Sn₆₃Pb₃₇), утворюють на анодах невеличкі горбики, а на катодах — порожнини; зростання при цьому концентрації свинцю на анодах, призводить до висновку, що свинець є основним мігруючим компонентом припою^[15].
• Масове виробництво побутової електроніки без добре налагодженої системи її утилізації може призводити до накопичення в навколишньому середовищі свинцю, який є токсичною речовиною. У зв'язку із підвищенням уваги суспільства до питань екології, олов'яно-свинцеві припої поступово замінюються безсвинцевими припоями.

Варто зазначити, що питомий електричний опір свинцевих припоїв у 8-9 разів більший ніж у міді^[17][18], з якої в електроніці в основному виготовляються провідники (див. Додаткові властивості припоїв).

Також див. порівняльну таблицю припоїв.

1 липня 2006 року набули чинності директиви Європейського Союзу «щодо відпрацьованого електричного й електронного обладнання» (WEEE) та «щодо обмеження вмісту шкідливих речовин» (RoHS). У відповідності до них, для більшості вироблених у ЄС побутових електронних пристроїв, навмисне додаваня свинцю забороняється. Виробники США при зменшенні використання свинцевих припоїв мають змогу отримати податкові пільги. Безсвинцеві припої, що знаходяться в комерційному використанні, можуть містити олово, мідь, срібло бісмут, індій, цинк, сурму і малі кількості інших металів. Абсолютно рівноцінної заміни евтектичним олов'яно-свинцевим припоям досі не існує. Кожний запропонований безсвинцевий сплав має унікальне поєднання властивостей: температури плавлення, міцності, змочувальної здатності, вартості тощо (див. порівняльну таблицю), що ускладнює вибір. Зараз вже видано більше ста патентів на різноманітні за складом сплави, призначені для заміни свинцевих припоїв, але не усі вони знаходяться у вільному комерційному обігу^[5].

Застосування безсвинцевих припоїв в електроніці та електротехніці супроводжується рядом проблем:

• Температури плавлення у більшості замінників звичних припоїв ПОС-60 (Sn₆₀Pb₄₀) та ПОС-63 (Sn₆₃Pb₃₇) є вищими ніж у них на 5—20 °C^[19]. Це змушує підвищувати робочі температури паяння, що прискорює процеси термодеструкції елементів з'єднань та ізоляції. Підвищення температури на кожні вісім градусів прискорює руйнування у два рази^[5]. Доступні також безсвинцеві припої із нижчими, ніж у свинцевих, температурами плавлення, але вони є помітно дорожчими, оскільки містять дефіцитні елементи — бісмут та індій.
• Собівартість випуску безсвинцевої апаратури в цілому підвищується на 30%, що викликано потребою застосування при її виготовленні не чутливих до підвищеного нагріву базових та допоміжних матеріалів, використання компонентів у термостійких корпусах та нового виробничого обладнання^[5]. Наприклад, використання трафаретів може бути замінене різноманітними операціями з паяльними пастами. В такому разі ємності для припою, які використовуються при паянні хвилею^[en], можуть потребувати незначних модифікацій (наприклад, встановлення підкладок або імпелерів з титану). Ці міри обумовлені необхідністю зниження підвищених витрат на обслуговування виробничого обладнання, викликаних додатковими втратами олова при застосуванні безсвинцевих припоїв з високою його концентрацією.
• Як правило, безсвинцеві припої мають гіршу змочувальну здатність. В результаті, для забезпечення надійності паяних з'єднань, необхідно використовувати нові флюси, які зазвичай є більш хімічно активними, що несе в собі додаткові ризики. Наприклад, на початку 2000-х років відомим став випадок масового виходу з ладу вінчестерів фірми Fujitsu серій MPG та MPF. Проблема була спричинена недоліками технології виробництва в умовах застосування хімічно агресивних флюсів. Паяння плат контролерів не супроводжувалася наступним їх відмиванням від залишків флюсу. Впродовж 1—2 років з дати виготовлення, флюс та його випаровування гарантовано руйнували контакти мікросхем на платі вінчестеру, що призводило до його невідворотного виходу з ладу^[20].
• Усі властивості безсвинцевих припоїв ще не вивчені досконально. Поява олов'яних віскерів була проблемою ранніх електронних припоїв, яка свого часу була вирішена саме шляхом додавання в припійні сплави свинцю. Крім того, сплави із високою концентрацією олова зазвичай є схильними до олов'яної чуми.

Припої на основі олова легко розчиняють золото, утворюючі крихкі інтерметаліди. Якщо тривалість процесу спаювання була достатньою для утворення інтерметалідів, то поверхня олова на ділянці його контакту із золотом стає дуже тьмяною^[14]. Для олов'яно-свинцевих сплавів критична концентрація золота, за якої з'єднання стає ламким, становить близько 4%. Припої багаті індієм (зазвичай індієво-свинцеві) є більш прийнятними для паяння товстіших шарів золота, оскільки швидкість розчинення золота в індії є значно меншою. Крім того, припої на основі олова також швидко розчиняють срібло, тому для паяння срібних поверхонь або покриттів, прийнятними є сплави з додаванням срібла. Також можуть використовуватися і безолов'яні припої, однак їхня здатність до змочування є нижчою.

Як наслідок, застосування безсвинцевих припоїв є небажаним в областях, де потрібна особливо висока надійність (наприклад, у військовій, авіакосмічній та медичній галузях, в системах охорони тощо). Директива RoHS не поширює свої вимоги на серйозну апаратуру відповідального призначення^[5].

У промисловості масового виробництва склалася єдина думка, що на даний момент найкращою заміною евтектичного припою ПОС-63 (Sn₆₃Pb₃₇) в апаратурі загального призначення є сплав Sn_95,5Ag_3,8Cu_0,7 із температурою плавлення 217 °C, яка на 34 °C більша ніж у ПОС-63^[5]. Загалом олов'яно-срібно-мідні (Sn-Ag-Cu) припої використовують дві третини японських виробників при паянні оплавленням^[en] та паянні хвилею^[en], а також близько 75% компаній при ручному паянні. Широка популярність цього типу безсвинцевих припоїв викликана тим, що вони мають зменшену температуру плавлення завдяки потрійній евтектичній точці сплаву Sn-Ag-Cu (217 °C), яка є нижчою ніж у евтектичних сплавів Sn-Ag_3,5 (221 °C) та Sn-Cu_0,7 (227 °C) (сплав нещодавно уточнено П. Снуговським як Sn-Cu_0,9). Потрійна евтектична точка сплавів Sn-Ag-Cu та можливість їх застосування у виробництві електроніки було відкрито (та запатентовано) командою дослідників з Лабораторії Еймса, Університету Айови та з Національної лабораторії Сандіа — Альбукерке.

Останні дослідження зосередилися на пошуку четвертого компонента для сплавів Sn-Ag-Cu, який би зменшив швидкість охолодження розплавлених кульок припою для забезпечення технологічної сумісності з процесами монтажу деталей за технологією BGA (масив кульок). Приклади подібних припоїв:

• Sn Ag_3,5 Cu_0,74 Zn_0,21 (діапазон плавлення 217–220 °C);
• Sn Ag_3,5 Cu_0,85 Mn_0,10 (діапазон плавлення 211–215 °C).

Електротехнічний припій з осердям із каніфолі (виглядає як темна пляма на зрізі дроту).

Зріз під збільшенням.

Флюс є речовиною-відновником, спеціально підібраною для полегшення процесу відновлення (повернення окиснених металів у їх початковий металічний стан) оксидів металу у місцях спаювання для покращення електричного контакту та механічної міцності з'єднання. Існують два типи флюсу:

• кислотний флюс (застосовується при ремонті металевих виробів та в слюсарній справі);
• каніфоль (застосовується в електроніці).

Високі корозійні властивості кислотного флюсу та випаровування, які він виділяє при нагріванні, перешкоджають його застосуванню в електроніці, оскільки це підвищує ризик пошкодження тонких електронних компонентів.

Через занепокоєність забрудненням повітря та проблемами переробки небезпечних відходів, у електронній промисловості почалася поступова заміна каніфольних флюсів на флюси водорозчинні, які видаляються за допомогою деіонізованої води або мийних засобів, не потребуючи при цьому розчинників на основі вуглеводнів.

При використанні суцільно-металевого припою у вигляді звичайних прутків або котушок дроту, існує необхідність у ручному додаванні кожного разу потрібної кількості флюсу на з'єднувані деталі. З середини XX ст., більшість ручних паяльних робіт здійснюється з використанням припоїв із флюсовим осердям. Вони виготовляються з припійного сплаву у вигляді котушок дроту, в середину якого неперервно, по всій його довжині вбудовано одну або декілька жил з не кислотного флюсу. По мірі того, як на ділянці з'єднання плавиться припій, відбувається вивільнення флюсу, який одразу долучається до процесу паяння.

(Примітка: для зручності перегляду використовуйте сортувальні можливості таблиці)

Межі температурного діапазону між солідусом та ліквідусом (кордони «кашоподібного» стану) позначені як солідус/ліквідус^[24].

У олов'яно-свинцевих (Sn-Pb) сплавах границя міцності із збільшенням концентрації олова зростає. Індієво-свинцеві сплави з високою концентрацією індію маєють дуже низьку границю міцності^[24].

При паянні напівпровідникових матеріалів, наприклад під час під'єднання кремнієвого, германієвого або арсенід-галієвого ядра мікросхеми, важливо, щоби припій не містив домішок, здатних легувати напівпровідник у неправильному, протилежному напрямку. Наприклад, під час паяння напівпровідників n-типу припій може бути збагачений сурмою, а при паянні напівпровідників p-типу — індієм. Також можуть використовуватися чисте олово і чисте золото^[50].

Різноманітні легкоплавкі сплави можуть використовуватися як припої з дуже низькими температурами плавлення, в тому числі сплав Філда, сплав Ліповіца, сплав Вуда, сплав Розе.

Теплопровідність типових припоїв може бути в діапазоні від 32 to 94 Вт/(м·K), а густина від 9,25 to 15,00 гр/см^3[102][18].

Поведінка при затвердінні залежить від композиції сплаву. Чисті метали твердіють за чітко визначеної температури, утворюючі кристали однієї фази. Евтектичні сплави також твердіють при фіксованій температурі, всі їхні компоненти одночасно осаджуються в процесі так званого парного зростання. У не евтектичних композиціях при їхньому охолодженні спочатку починає осаджуватися не евтектична фаза: у вигляді дендритів, якщо це метал, або у вигляді великих кристалів, якщо це інтерметалічні сполуки. Така суміш твердих часточок у розплавленій евтектиці часто характеризується як кашоподібний стан. Навіть порівняно малі долі твердих часточок можуть значно знизити плинність рідини в якій вони перебувають^[59].

Температура повного затвердіння сплаву називається солідусом, а температура повного розплавлення усіх його компонентів є ліквідусом.

Кашоподібний стан сплаву є корисним в тих випадках, коли для виконання з'єднання потрібен певний рівень пластичності припою, що дає можливість заповнювати прогалини більшого розміру та дозволяє «розмазувати» припій по з'єднанню (наприклад, при спаюванні труб). При виконанні ручних паяльних робіт в галузі електроніки, подібні властивості припою є шкідливими, оскільки зовнішній вигляд такого припою не дозволяє оцінити ступінь його охолодження та визначити момент повного затвердіння. Передчасне зміщення з'єднання викликає зміни у його внутрішній структурі що призводить до порушення механічної цілісності.

Кожний використанний в сплаві елемент по різному впливає на загальний набір властивостей припою.

• Сурма (стибій) додається для збільшення міцності не зменшуючи при цьому змочувальності. Протидіє виникненню олов'яної чуми. Застосовувати на цинку, кадмію або гальванізованих металах не можна, оскільки утворюване з'єднання є крихким^[30].
• Бісмут значно зменшує температуру плавлення та покрашує змочувальність. В присутності достатньої кількості олова та свинцю він утворює кристали Sn₁₆Pb₃₂Bi₅₂ що мають температуру плавлення лише 95 °C, які дифундують вздовж границь часточок припою та в результаті можуть викликати порушення паяних з'єднань при порівняно низьких температурах. Якщо потужну радіодеталь, раніше залуджену свинцевим припоєм, припаяти з використанням сплаву що містить бісмут, то в подальшому, при роботі на великих потужностях, вона може відпаятися. Крім того, такі з'єднання є схильними до розтріскування. Сплави, частка бісмуту в яких перевищує 47%, розширюються при охолодженні, що може бути використаним для корегування механічних навантажень, викликаних незбігом об'ємів теплового розширення. Бісмут затримує формування олов'яних віскерів. Відносно дорогий та важкодоступний компонент.
• Мідь знижує температуру плавлення, покращує опір втомі матеріалу при його циклічному нагріванні та покращує змочувальні якості розплавленого припою. Також знижує швидкість розчинювання міді на контактах плати та виводах деталей при їх взаємодії з рідким припоєм. Утворює інтерметалічні сполуки. Може прискорювати ріст олов'яних віскерів. Перенасичений (близько на 1%) розчин міді в олові може використовуватися для уповільнення розчинювання тонких металічних плівок на контактах мікросхем в корпусах типу BGA, такий, наприклад, як Sn₉₄Ag₃Cu₃^[103].
• Нікель може додаватися до припійного сплаву для утворення перенасиченого розчину з метою уповільнення розчинювання тонких металічних плівок^[103].
• Індій знижує температуру плавлення та покращує ковкість. В присутності свинцю утворює потрійну сполуку, з якою відбувається зміна фаз при 114 °C. Має дуже високу вартість (в декілька разів більшу ніж у срібла) та є важкодоступним. Легко окиснюється, що створює проблеми при ремонтах та переробках, особливо у випадках коли флюс, що видаляє оксиди, не можна застосовувати, наприклад при під'єднанні арсенід-галієвого (GaAs) ядра мікросхеми. Індієві сплави застосовуються в кріогенних галузях, а також для паяння золота, оскільки золото менше розчиняється в індії ніж в олові. Індієм також можна паяти багато неметалів (скло, слюду, оксид алюмінію, оксид магнію, оксид титану (IV), оксид цирконію, порцеляну, цеглу, бетон та мармур). За підвищених температур індій легко дифундує крізь метали, крім того він схильний до дифузії у напівпровідники чим може викликати небажане легування матеріалів. Насичена пара має низький тиск, що робить індій прийнятним до застосування у вакуумній техніці. Із золотом він утворює крихкі інтерметаліди, через що припої із високим вмістом індію при використанні на товстих шарах золота є ненадійними. Такі припої схильні до корозії, особливо в присутності іонів хлоридів^[104].
• Свинець є недорогим матеріалом та має прийнятні властивості. Змочувальні якості є дещо гіршими ніж у олова. При своїй токсичності, наприкінці циклу використання обладнання, може потрапляти в навколишнє середовище. Затримує формування олов'яних віскерів та протидіє олов'яній чумі. Знижує розчинність міді та інших металів в олові.
• Срібло забезпечує механічну міцність, але має гіршу ковкість ніж свинець. За відсутності свинцю воно покращує опір сплаву явищам втоми матеріалу при циклічному нагріванні та охолодженні. При використанні олов'яно-срібних (SnAg) припоїв разом з пристроями для розрівнювання припою гарячим повітрям^[en] де кінцівки вкриті олов'яно-свинцевим (SnPb) сплавом, утворюється фаза SnPb₃₆Ag₂ з температурою плавлення 179 °C, яка зміщується до ділянки зтику плати з припоєм, твердіє там в останню чергу та відокремлюється від плати^[19]. Додавання срібла до олова значно зменшує розчинність срібних покриттів у олов'яній фазі сплаву. В евтектичних олов'яно-срібних сплавах (3,5% срібла), воно має тенденцію до утворення пластиночок з Ag₃Sn, які у разі свого виникнення біля ділянок з високими механічними напругами, можуть служити як початкові точки для подальшого розвитку тріщин. Для уповільнення цих явищ, срібна складова сплаву має бути нижчою за 3%^[103].
• Олово (станум) є дуже поширенишим базовим компонентом припійних сплавів. Має гарну міцність та змочувальну здатність. Само по собі олово є схильним до олов'яної чуми та появи віскерів, легко розчиняє золото, срібло та в певній мірі багато інших металів, зокрема мідь. Особливо ця проблема є актуальною для припоїв із високим вмістом олова, які до того ж мають підвищену температуру плавлення.
• Цинк — дешевий компонент, який дозволяє знизити температуру плавлення. У повітрі він легко піддається корозії та окисненню, через що припої із вмістом цинку є непридатними до окремих застосуваннь (наприклад, для паяння хвилею^[en]), а припійні пасти, в яких він присутній, мають менший термін зберігання ніж безцинкові. При контакті з міддю може утворювати крихкі шари інтерметалідів Cu-Zn. Легкість окиснення цинку заважає гарному змочуванню поверхонь, паяння потребує спеціального флюсу.
• Германій впливає на формування оксидів у безсвинцевих припоях на олов'яній основі. При його концентраціях нижчих за 0,002% формування оксидів прискорюється. Для протидії окисненню оптимальна частка германію становить 0,005%^[105].

При паянні хвилею^[en] домішки потрапляють в резервуар з припоєм, як правило, шляхом розчинення металів що знаходяться на спаюваних деталях. При цьому розчинення компонентів самого паяльного обладнання є малоймовірним, оскільки зазвичай в них використовуються нерозчинні в припої матеріали^[106]. Домішки суттєво погіршують властивості припоїв, через що в умовах виробництва необхідним є своєчасне очищення відпрацьованого припою або його заміна на свіжий^[107].

• Алюміній — має низьку розчинність, спричиняє загущення та застій припою і робить його шорстким та тьмяним завдяки утворенню оксидів. Додавання в припої сурми створює інтерметаліди Al-Sb, які відокремлюються у вигляді твердого шлаку.
• Сурма — навмисно додається в припої, оскільки при концентраціях до 0,3% вона покращує їх змочувальну здатність. У випадку більших концентрацій змочування поступово погіршується.
• Миш'як — утворює тонкі інтерметаліди які при концентраціях миш'яку більше 0,02% починають погано впливати на механічні якості. Спостерігається погіршення змочування поверхонь (в тому числі латунних)^[107].
• Кадмій — спричиняє загущення та застій припою, утворює оксиди, затьмянює поверхню.
• Мідь — найпоширеніший забрудник, утворює голкоподібні інтерметаліди, спричиняє загущення припоїв, робить припійні сплави шорсткими та знижує їх змочувальну здатність.
• Золото — легко розчиняється, утворює крихкі інтерметаліди, у концентраціях вище 0,5% спричиняє загущення та застоювання припою і погіршує його змочувальну здатність. Знижує температуру плавлення олов'яних припоїв. Припої з високою концентрацією олова можуть увібрати в себе більше золота без підвищення своєї крихкості^[56].
• Залізо — утворює інтерметаліди, спричиняє шорсткість поверхні. Швидкість його розчинення є дуже низькою, але за температур вищих 427 °C у свинцево-олов'яних припоях воно розчиняється досить легко^[14].
• Нікель — спричиняє шорсткість, у олов'яно свинцевих сплавах його розчинність дуже низька.
• Паладій — при концентраціях вище 0,002% призводить до утворення твердого шлаку^[107].
• Фосфор — утворює олов'яні та свинцеві фосфіди, спричиняє шорсткість та заважає змочуванню. Фосфор присутній у нікелевих термомеханічних покриттях.
• Срібло — часто додається в припій навмисно, але у високих концентраціях воно утворює інтерметаліди які спричиняють шорсткість і пористість поверхні припою та появу на ній горбиків.
• Сірка — утворює свинцеві та олов'яні сульфіди, заважає змочуванню. При концентраціях вище 0,001% поверхня з'єднання стає пористою^[107].
• Бісмут — при вмісті 2—3% поганого в пливу на якості припою не спостерігається, але при вищих концентраціях поверхня з'єднання стає тьмяною^[107].
• Цинк — у розплавленому припої спричиняє появу надлишкових кількостей твердого шлаку, швидко окиснюється на поверхнях затвердівших з'єднань. Оксид цинку не розчиняється у флюсах що погіршує ремонтопридатність таких з'єднань. При паянні латуні можуть знадобитися бар'єрні шари з міді та нікелю для протидії мігруванню нікелю на поверхню.

В процесі взаємодії розплавленого припою із поверхнями, які з'єднуються, відбуваються реакції між металами. При подальшому охолодженні та затвердінні шва утворюються інтерметалічні сполуки ^[106].

Інтерметаліди утворюють розрізнені фази, зазвичай у вигляді окремих включень у цілісній, ковкій структурі твердого розчину, але можуть формувати і саму структуру розчину, із зануреними в неї окремими металевими включеннями. Також можливе утворення кристалічної речовини із різних інтерметалічних сполук. Інтерметаліди часто є твердими та крихкими. Дрібно розповсюджені у ковкому середовищі інтерметаліди роблять результуючий сплав твердим, тоді як більш грубі структури дають м'якіший сплав. Між металом та припоєм у зоні їх контакту часто утворюється цілий ряд інтерметалідів із зростаючою пропорцією металу, наприклад може утворитися така структура: Cu-Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Sn.

Між припоєм та спаяним за його допомогою матеріалом можуть формуватися цілі шари інтерметалідів, які здатні погіршувати механічні властивості з'єднання та знижувати його надійність, збільшувати крихкість та електричний опір, підсилювати електроміграцію та утворення порожнин. Шар олов'яно-золотих (Sn-Au) інтерметалідів є причиною низької механічної надійності паяних оловом з'єднань із золоченими поверхнями, на тих ділянках, де золоте покриття не повністю розчинилося в припої.

Золото та паладій легко розчиняються у припоях. Мідь та нікель мають тенденцію до утворення шарів інтерметалідів навіть за нормальних умов паяння. Інтерметаліди утворює також і індій.

Індієво-золоті (In-Au) інтерметаліди є крихкими та займають у 4 рази більший об'єм ніж початкове золото. Монтажні провідники^[en], що застосовуються при збиранні мікросхем є особливо чутливими до впливу індію. Таке збільшення інтерметаліда у поєднанні із подальшим циклічним нагріванням може призвести до виведення з ладу монтажних провідників^[108].

Поширеним є використання міді із нікелевими та золотими покриттями. Тонкий шар золота полегшує здійснення якісного паяння нікелю, оскільки золото захищає нікель від окиснення. Але при цьому шар золота повинен бути достатньо тонким щоб він встиг суцільно та швидко розчинитися і тим самим дозволити рідкому припою вступити в контакт з чистим нікелем^[16].

Шари олов'яно-свинцевого припою на мідних провідниках можуть утворювати шари мідно-олов'яних (Cu-Sn) інтерметалідів, після чого припійний сплав локально втрачає частину олова і в результаті утворюється шар збагачений свинцем. Мідно-олов'яні інтерметаліди в подальшому можуть бути уражені окисненням що погіршить здатність провідників до паяння^[109].

При утворенні паяного з'єднання відбуваються два основних процеси:

• взаємодія між субстратом (поверхнею) і розплавленим припоєм;
• формування при охолодженні твердих інтерметалічних сполук.

Основний метал розчиняється у розплавленому припої в кількості, що залежить від його розчинності в даному припої. Активний компонент припою взаємодіє із базовим металом зі швидкістю що залежить від розчинності активних компонентів у базовому металі. Реакції при затвердінні є більш складними, оскільки формування інтерметалідів може бути уповільнене шляхом зміни композиції базового металу чи припійного сплаву, або через використання відповідного бар'єрного шару^[en] з метою уповільнення дифузії металів^[110].

• Cu₆Sn₅ — поширений на місцях зтику припою і міді, формується переважно при наявності надлишкової кількості олова; в присутності нікелю може утворюватися сполука (Cu, Ni)₆Sn₅.
• Cu₃Sn — поширений на місцях зтику припою і міді, формується переважно при наявності надлишкової кількості міді, більш температурно стійкий ніж Cu₆Sn₅, часто присутній при високотемпературному паянні.
• Ni₃Sn₄ — поширений на місцях зтику припою і нікелю.
• FeSn₂ — утворюється дуже повільно.
• Ag₃Sn — при концентраціях срібла в олові вищих за 3%, утворює пластинки, які можуть служити початковими зонами для розвитку тріщин.
• AuSn₄ — β-фаза — крихкий, утворюється за надлишку олова. Шкідливий для властивостей припоїв з олов'яною основою на золочених поверхнях.
• AuIn₂ — утворюється на кордоні між золотом та індієво-свинцевим припоєм, діє як бар'єр що перешкоджає подальшому розчиненню золота.
• Au₅Al₂ — золото-алюмінієвий інтерметалід, відомий як «біла чума». Має низьку електропровідність, може порушити роботу електричних кіл.
• AuAl₂ — золото-алюмінієвий інтерметалід із найбільшою з усіх температурою плавлення (1060 °C), відомий як «фіолетова чума». Крихка сполука яскраво-фіолетового кольору. Його формування супроводжується зменшенням в об'ємі початкового матеріалу, що може призвести до утворення в ньому порожнин.
• Au₂Al — золото-алюмінієвий інтерметалід, на який перетворюється AuAl₂ за температур нижчих ніж 624 °C. Сполука рудого або коричневого кольору з низькою електропровідністю.

Склоприпої використовуються для з'єднання скла із склом, металами, напівпровідниками, керамікою, слюдою та іншими матеріалами в процесі так званого скляного паяння^[en]. Скляний припій повинен розтектися та змочити з'єднувані поверхні при температурі що є значно меншою ніж температура плавлення або пошкодження спаюваних матеріалів та навколишніх компонентів (наприклад, шарів металізації на мікросхемах або керамічних основах). Типова температура розтікання та змочування такого припою знаходиться між 450 та 550 °C.

Використовується два типи скляного припою:

• склоподібний;
• розсклянуючий^[en].

Склоподібний припій в процесі топлення зберігає свою аморфну структуру, може бути багаторазово переплавлений і залишається відносно прозорим. Розсклянуючі припої в процесі затвердіння проходять крізь часткову кристалізацію, утворюючі склокерамічні сполуки із скляних та кристалічних фаз. Розсклянуючі припої, як правило, створюють механічно міцніші з'єднання, але при цьому вони є більш чутливими до змін температури і забезпечують з'єднанням меншу герметичність. Завдяки своїй полікристалічній структурі такі припої зазвичай є напівпрозорими або взагалі не прозорими^[111]. Розсклянуючі припої часто є «термореактивними», оскільки їх температура плавлення після рекристалізації стає значно вищою. Ця властивість дозволяє спаювати деталі за нижчої температури ніж та, що їх очікує при наступному прожаренні, і тим самим дає змогу уникнути повторного плавлення з'єднань. У багатьох розсклянуючих припоях концентрація оксиду цинку досягає 25%. У виробництві кінескопів використовуються розсклянуючі припої засновані на речовині PbO-B₂O₃-ZnO.

Найпоширенішими є композиції на основі боратів свинцю (свинцеве борне скло або боросилікатне скло). Для підвищення хімічної стабільності можуть додаватися невеликі кількості оксиду цинку або оксиду алюмінію. З метою впливу на величину теплового розширення композицію може бути доповнено оксидом цинку, триоксидом бісмуту та оксидом міді, які на відміну від оксидів лужних металів, здатні знижувати температуру розм'якшення не збільшуючи при цьому теплового розширення. У нових композиціях припоїв було знижено температуру їх використання з 450 до 390 °C шляхом зменшення концентрації оксиду свинцю(II) нижче 70% разом із підвищенням вмісту оксиду цинку та додаванням діоксиду титану, тріоксиду бісмуту і деяких інших компонентів. Значне теплове розширення таких видів скла можна знизити додаванням керамічного наповнювача. Були розроблені і безсвинцеві припійні різновиди скла з температурами паяння 450 °C.

Також можуть використовуватися фосфатні види скла. Нині вже створено їх різновиди з низькою температурою плавлення. Прикладом такої композиції є суміш з оксиду фосфору(V), оксиду свинцю (II) та оксиду цинку з додаванням літієвих та деяких інших оксидів^[112].

Для галузі електроніки розроблено спеціальні види скла з дуже низькими температурами плавлення, які є рідкими при 200–400 °C. Вони можуть складатися із сполук на основі двох або трьох інгридієнтів, таких як талій, миш'як та сірка^[113]. Цинково-боросилікатні види скла також можуть використовуватися для пасивації електроніки. Коефіцієнт їх теплового розширення повинен бути таким самим як і у кремнію (або іншого напівпровідника що викорстовується). Крім того, таке скло не повинно містити домішок лужних металів, оскільки вони з часом мігруватимуть у напівпровідник чим спричинять несправності^[114].

Можуть бути підготовлені і електропровідні скляні припої.

У місці шва, зв'язок скла або кераміки із скляним припоєм може відбуватися за рахунок ковалентного зв'язку, а найчастіше — сили Ван дер Ваальса^[115]. При правильному паянні місце такого спаю є герметичним, тому скляне спаювання часто використовується у вакуумній техніці. Скляний припій може виступати в ролі герметика, прикладом цього є те, що покриття із скляної емалі на залізі знижує проникність до нього кисню в 10 разів^[116].

Скляні припої доступні у вигляді порошків з розміром зерна менше 60 мікрометрів. Для зручності нанесення на деталі, такий порошок можна заздалегідь перетворити на пасту, змішавши його із водою, спиртом або із розчиненою нітроцелюлозою чи будь-якою іншою в'яжучою речовиною. Це дозволить закріпити на заданих поверхнях потрібні кількості припою перед початком його розтоплення^[117]. Треба брати до уваги, що в'яжуча речовина повинна повністю вигоріти до того моменту як почне топитися припій, що вимагає правильного підбору режиму обпалення. В умовах виробництва, припійне скло може подаватися на місце з'єднання у вже розтопленому вигляді. В таких випадках часто використовується свинцеве скло із вмістом оксиду свинцю (II) що може досягати 70-85%, завдяки його низькій в'язкості у рідкому стані.

Скляні припої часто використовуються для виконання з'єднань скла із металом (наприклад, при виробництві ламп розжарення, герконів, а колись і електровакуумних ламп), а також склокераміки з металом (більш нова розробка). Паяння склоприпоєм можна здійснювати за значно нижчих температур ніж при прямому з'єднанні скляних деталей. Для процесу паяння не потрібне відкрите полум'я, а достатньою виявляється лише термостатована піч. З цих причин скляні припої є дуже корисними при виробництві мініатюрних електронних ламп або в задачах під'єднання слюдяних віконець до електронних ламп або спеціальних інструментів (наприклад, до трубок Гейгера — Мюллера. При цьому коефіцієнт теплового розширення склоприпою повинен збігатися з аналогічними коефіцієнтами з'єднуваних матеріалів і часто його обране значення є проміжним і компромісним. При пошуку компромісу треба брати до уваги, що для з'єднань прийнятнішими є стискаючі навантаження, а розтягуючих навантажень бажано уникати. Збіг величин розширення не є важливим там, де на малих ділянках використовуються тонкі шари матеріалів (наприклад, у випадку обпалюваних чорнил), або там де з'єднання буде в подальшому піддаватися постійному стисканню (наприклад, з боку зовнішньої сталевої оболонки), що певною мірою скасує дію сил розтягнення, викликаних незбігом величин теплового розширення^[113].

Скляні припої часто застосовуються при формуванні корпусів електронних компонентів (зазвичай мікросхем, наприклад, у керамічних DIP-корпусах). Водяні газовиділення із склоприпою, що виникали в процесі упакування, спричиняли свого часу високий відсоток виходів з ладу ранніх мікросхем, виготовлених у керамічних DIP-корпусах. В подальшому, отримати доступ до ядра такої мікросхеми з метою проведення експертизи її несправності або для виконання зворотної розробки може бути проблематичним. Видалення з корпусів керамічних кришок, припаяних склоприпоєм, найкраще можна здійснити шляхом їх зсуву, або якщо такий метод є занадто ризикованим, кришку можна просто зішліфувати^[118].

Важливою галуззю застосування склоприпоїв є виробництво кінескопів та плазмових панелей де він використовується для з'єднання їх окремих частин.

Скляний припій може використовуватися як шар-посередник, тобто проміжний шар між матеріалами (керамікою, склом), коефіцієнти теплового розширення у яких є настільки відмінними, що це не дозволяє їх з'єднувати безпосередньо за допомогою дифузійного зварювання^[119]. Такі методи зокрема застосовуються у виробництві склопакетів при спаюванні скляних панелей^[120].

В окремих випадках, припій може виготовлятися із заздалегідь заданою формою у відповідності до геометрії конкретних з'єднань. Така підготовка форми називається преформуванням припою^[121], а отримані припійні заготовки — преформами, або за радянською термінологією — закладними деталями^[122]. Основною технологією преформування є штампування, а найпоширенішими формами виступають трикутники, прямокутники, шайби, диски. Преформи можуть містити в собі і флюс, у потрібних для виконання з'єднання кількостях. Розміщення флюсу може бути внутрішнім, в середині преформи, або його може бути нанесено на її поверхню^[123].

Застосування преформ дає змогу досягти високої точності дозування припою та флюсу і дозволяє отримувати спаї із значним ступенем однорідності. В результаті якість отримуваних з'єднань стає стабільною, що полегшує її контроль. Крім того, операції закладання преформ і паяння з'єднань стає легко автоматизувати, що в умовах масового виробництва призводить до помітної економії у порівнянні із ручним паянням. Але з іншого боку, паяння з використанням преформ може бути застосована не усюди, і крім того вона потребує початкового закріплення спаюваних деталей в певному положенні. Додатковим ускладненням є те, що використання преформ пов'язане з необхідністю попереднього спеціального проектування як елементів з'єднань так і самих преформ^[122]. Внаслідок подібних обмежень, в масовому виробництві електроніки більшої популярності набули інші підходи до організації процесу паяння. У сучасному автоматизованому монтажі електронних плат як універсальний паяльний матеріал виступають спеціальні припійно-флюсові суміші у вигляді паяльних паст. Основними методами дозування та розподілення паяльної пасти на платі є трафаретний друк та автоматичне нанесення за допомогою диспенсера.

• RoHS
• Припійна маска
• Паяння
• Сплав
• Паяльник
• Паяльна станція