Секрет промышленного «клея»: припойная паста — определение, состав и примеры применения

Вступление: В современной обрабатывающей промышленности, особенно в таких областях, как точная электроника, аэрокосмическая промышленность, производство холодильной техники и автомобильных компонентов, особая роль отводится особому виду «клея». Это не клей, но он способен прочно соединять различные металлы — это паяльная паста. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое паяльная паста, из каких ключевых компонентов она состоит и как широко она применяется в реальном производстве.

I. Что такое паяльная паста? Точный «мост» для соединения металлов

Представьте, что необходимо прочно соединить две разные металлические детали (например, медь и сталь или микроскопические выводы электронных компонентов и печатную плату), но при этом нельзя полностью расплавлять и сплавлять их, как при сварке. В этом случае необходимо использовать технологию пайки. А паяльная паста — один из ключевых материалов для реализации этой технологии.

Основное определение: Паяльная паста — это «пастообразная смесь», которая в основном содержит металлический порошок (припойный сплав) и флюс, а иногда также органические связующие, растворители и добавки. В процессе пайки она точно наносится на соединяемые участки (стыки).

Принцип работы: В процессе нагрева (ниже температуры плавления основного материала, выше температуры плавления припоя):

1. Флюс сначала активируется, удаляя оксидную пленку и загрязнения с поверхности металла, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя, что позволяет ему лучше смачивать (распространяться) по поверхности основного материала.

2. Металлический порошок (припой) плавится и под действием капиллярных сил или силы тяжести поступает и заполняет зазор между плотно прилегающими стыками.

3. Расплавленный припой растворяется и диффундирует в чистую поверхность основного материала, а после охлаждения и затвердевания образует прочное металлургическое соединение, обеспечивающее соединение металлов.

Ключевые характеристики:

Пастообразная форма: Легко наносится с помощью шелкографии, дозирования, распыления и т. д., обеспечивая «точное, автоматизированное» нанесение, особенно подходит для микроскопических, сложных или массовых соединений.

Контролируемый состав: Состав сплава (например, олово-свинец, олово-серебро-медь, золотосодержащий, серебросодержащий и т. д.) и тип флюса могут быть настроены в зависимости от требований к соединению (тип основного материала, требования к прочности, электропроводность, коррозионная стойкость, температура пайки и т. д.).

Высокая совместимость с технологическими процессами: Подходит для различных технологий пайки, таких как пайка с обратным потоком (SMT), вакуумная пайка, пайка в защитной атмосфере (например, азот, водород), пайка пламенем и т. д.

Проще говоря, паяльная паста — это своего рода предварительно смешанный «металлический клей + чистящее средство», который активируется при нагревании и создает высокопрочный металлургический мост между металлическими деталями.

II. «Рецепт» паяльной пасты: подробное описание основных компонентов

Характеристики паяльной пасты зависят от ее точного состава, который состоит из следующих основных частей:

1. Металлический порошок (припойный сплав):

Функция: После плавления образует металлическую основу соединительного шва, определяя механические свойства соединения (прочность, пластичность), физические свойства (электропроводность, теплопроводность) и химические свойства (коррозионная стойкость).

Распространенные типы:

Сплавы на основе олова: например, Sn63Pb37 (традиционный), SnAgCu (SAC305, SAC405 и т. д., основной безсвинцовый), SnBi (низкотемпературный). Широко используются в электронном монтаже.

Сплавы на основе серебра: например, AgCu, AgCuZn, AgCuSn, AgCuIn и т. д. Высокая прочность, хорошая электро- и теплопроводность, жаростойкость, хорошая текучесть, часто используются в холодильной технике, электроэнергетике, аэрокосмической промышленности, ювелирном деле.

Сплавы на основе золота: например, AuSn, AuGe, AuSi и т. д. Очень высокая надежность, коррозионная стойкость, антиоксидантные свойства, используются в высококачественной упаковке полупроводников, оптоэлектронных устройствах, аэрокосмической промышленности.

Сплавы на основе меди/никеля: используются в специальных высокотемпературных приложениях.

Характеристики порошка: Распределение по размерам частиц, форма (в основном сферическая), содержание кислорода и т. д. напрямую влияют на печатность, текучесть, устойчивость к оседанию и конечное качество паяного соединения.

2. Флюс:

Функция: «Уборщик» и «смазка» в процессе пайки. Основные функции включают в себя:

Удаление оксидной пленки: при нагревании разлагается или реагирует, удаляя оксиды с поверхности основного материала и припоя.

Предотвращение повторного окисления: при температуре пайки образует защитный слой, изолирующий от воздуха.

Снижение поверхностного натяжения: улучшает смачиваемость и растекаемость расплавленного припоя по основному материалу.

Улучшение теплопередачи: способствует более равномерному распределению тепла.

Основные компоненты:

Активатор: основной компонент для удаления оксидов (например, органические кислоты, амины, галогениды, неорганические галогениды). Активность является ключевым фактором классификации (ROL0 безгалогенный низкоактивный -> ROL1 низкоактивный -> ROL0 среднеактивный).

Пленочный агент/основа: натуральные/синтетические смолы (канифоль и т. д.), обеспечивают носитель, защищают активатор, влияют на характеристики остатков (необходимость очистки или нет).

Растворитель: растворяет другие компоненты, регулирует вязкость и реологические свойства пасты, облегчает нанесение, испаряется на этапе предварительного нагрева.

Добавки: тиксотропные добавки (предотвращают оседание пасты после печати), антиоксиданты, ингибиторы коррозии, поверхностно-активные вещества и т. д., используемые для улучшения определенных технологических свойств.

3. Органический носитель и добавки:

Функция: равномерно смешивают и стабилизируют суспензию металлического порошка и флюса, образуя пасту с подходящей вязкостью и реологическими свойствами (тиксотропность), что облегчает хранение, транспортировку и точную печать/дозирование, а также сохраняет форму до нагрева (устойчивость к оседанию).

Основные компоненты: обычно это смесь растворителя (например, эфиров этиленгликоля, высококипящих спиртов) и загустителя/гелеобразователя (например, гидрированного касторового масла, производных целлюлозы, синтетических полимеров).

III. Паяльная паста в действии: примеры повсеместного применения

Благодаря точному нанесению, эффективному соединению и превосходным характеристикам, паяльная паста стала незаменимым материалом в современной промышленности:

1. Производство электроники (технология поверхностного монтажа SMT):

Применение: пайка на печатную плату (PCB) чипов, резисторов, конденсаторов, интегральных схем и других компонентов поверхностного монтажа (SMD). Это область самого широкого применения паяльной пасты.

Преимущества: шелкография или струйная печать обеспечивают высокую точность, высокую плотность и автоматизированное производство больших объемов. Бессвинцовые пасты (например, SAC305) являются основными.

Примеры: сборка печатных плат внутри мобильных телефонов, материнских плат компьютеров, видеокарт, различных потребительских электронных продуктов, коммуникационного оборудования.

2. Упаковка полупроводников:

Применение: соединение кристалла (Die) с подложкой (Substrate) или выводным каркасом (Leadframe) (крепление кристалла), герметизация крышки (Lid Seal).

Требования: очень высокая надежность, низкий уровень пустот, хорошая теплопроводность/электропроводность. Часто используются высококачественные сплавы, такие как золото-олово (AuSn), серебряные спекаемые пасты (строго говоря, также относятся к категории припоев).

Примеры: упаковка высококачественных микросхем, таких как CPU, GPU, силовые компоненты, оптические модули, MEMS-датчики.

3. Холодильная и климатическая техника:

Применение: соединение медных трубок с алюминиевыми ребрами (изготовление испарителей, конденсаторов), внутренние трубопроводы компрессоров, клапанные узлы и т.д.

Требования: хорошая герметичность, вибростойкость, стойкость к температурным циклам, коррозионная стойкость. Обычно используются пасты с фосфористой медной припой или серебряной припой.

Примеры: производство теплообменников в бытовых кондиционерах, холодильниках, коммерческих холодильных установках, автомобильных системах кондиционирования.

4. Автомобильная промышленность:

Применение: соединение модулей силовых батарей (Busbar), упаковка силовых модулей IGBT, датчики, радиаторы, детали турбокомпрессоров, компоненты фар и т.д.

Требования: высокая надежность, термостойкость, вибростойкость, высокая токопроводимость. Обычно используются пасты на основе олова, серебра или специальных сплавов.

Примеры: соединение медных/алюминиевых шин в батарейных блоках электромобилей, силовые модули в блоках управления двигателем.

5. Электроэнергетика:

Применение: вакуумные выключатели, контакты выключателей, детали трансформаторов, соединения шин, межсоединение солнечных элементов (некоторые процессы).

Требования: высокая электропроводность, термостойкость, высокая прочность и долговечность. Обычно используются серебряные или медные паяльные пасты.

Примеры: ключевые соединительные точки в высоковольтном электрооборудовании.

6. Аэрокосмическая промышленность и точное приборостроение:

Применение: детали двигателей, теплообменные устройства (например, тепловые трубы, холодные пластины), волноводы, конструктивные элементы точных приборов, ювелирные изделия.

Требования: очень высокая надежность, стойкость к экстремальным условиям, высокая чистота (часто используется вакуумная пайка). Обычно используются пасты из высокотемпературных сплавов на основе золота, серебра, никеля.

Примеры: ремонт лопаток турбин авиационных двигателей, упаковка электронных компонентов на спутниках, соединение компонентов высококачественного медицинского оборудования.

7. Индивидуальные решения: для соединения разнородных металлов (например, медь-алюминий, сталь-керамика), специальных типов соединений или экстремальных условий эксплуатации можно разработать паяльную пасту с определенным составом сплава и флюсом.

Заключение

Паяльная паста, этот, казалось бы, незаметный «металлический гель», на самом деле является основой технологии точного соединения в современной промышленности. От мобильных телефонов в наших карманах до автомобилей, от домашних кондиционеров до спутников, бороздящих космическое пространство, ее можно встретить повсюду. Понимание ее состава (припой + флюс + органический носитель) и принципа работы помогает нам глубже понять ее ключевую ценность в обеспечении эффективных, надежных и миниатюрных соединений. С развитием новых материалов и технологий (например, низкотемпературное соединение, высокотеплопроводное соединение) технология паяльных паст будет постоянно совершенствоваться, предоставляя мощные решения для соединения в самых разных областях промышленности.

*Часть изображений взята из Baidu, в случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления