Олово (Sn) в электротехнике: свойства, марки, припои и лужение

Олово (Sn, лат. Stannum) — элемент №50, серебристо-белый пластичный металл с температурой плавления 231,9 °C. По электропроводности он посредственный — около 15 % от меди, — но в электротехнике его ценят не за это: олово смачивает медь, образует с ней прочные интерметаллиды и защищает её от окисления и от серы. На пайку печатных плат и монтажных соединений уходит примерно половина мирового потребления металла.

Физические и химические свойства олова

Удельное сопротивление олова в 6,7 раза выше, чем у меди (0,0172 мкОм·м), и вчетверо выше, чем у алюминия (0,028 мкОм·м); ближайший сосед снизу — свинец с 0,208 мкОм·м. Сравнение с остальными проводниковыми материалами — в справочнике «Таблицы электропроводности металлов».

Выше 170 °C олово теряет пластичность и становится хрупким — это ограничивает его как конструкционный материал, но не мешает основному применению в виде тонких покрытий и припоев.

Белое и серое олово: аллотропия, оловянная чума и оловянный крик

Олово имеет четыре аллотропные модификации, из которых практическое значение имеют две:

• β-олово (белое) — тетрагональная решётка, обычный пластичный металл, устойчив выше 13,2 °C;
• α-олово (серое) — кубическая решётка типа алмаза, полупроводник, устойчив ниже 13,2 °C.

Переход β → α называют оловянной чумой. Металл рассыпается в серый порошок, потому что удельный объём при перестройке решётки растёт примерно на 26 % (плотность падает с 7,29 до 5,75 г/см³) и материал разрушается изнутри. Формально порог — 13,2 °C, но при комнатных и слегка отрицательных температурах превращение идёт крайне медленно: максимальная скорость достигается около −33 °C, а зародыш серой фазы должен ещё возникнуть. Поэтому чистое оловянное покрытие спокойно живёт годами и «заболевает» лишь при длительном сильном холоде либо от контакта с уже поражённой деталью. Классический исторический пример — утечка топлива из спаянных оловом баков экспедиции Скотта в Антарктиде (1912).

Практический вывод для электротехники: чистое олово — плохой выбор для арктического, высотного и космического оборудования. Превращение подавляют легированием — свинцом, висмутом, сурьмой; именно поэтому у припоев ПОС и у сурьмянистых сплавов проблемы оловянной чумы нет.

Оловянный крик — характерный хруст при сгибании прутка белого олова. Его дают трущиеся друг о друга кристаллиты; это простой полевой признак, отличающий олово от свинца.

Марки олова по ГОСТ 860-75

ГОСТ 860-75 «Олово. Технические условия» действует с 1977 года и не отменён. Марка задаётся минимальной массовой долей олова и суммой примесей.

Наиболее вредны для пайки примеси свинца, висмута, мышьяка и алюминия: они снижают смачиваемость и делают шов хрупким. Содержание олова в припое контролируют по ГОСТ 1429.2-77.

Оловянно-свинцовые припои ПОС

Цифра в марке — это содержание олова в процентах. Эвтектика системы Sn–Pb лежит на 61,9 % Sn и плавится при 183 °C без интервала: припой переходит из твёрдого состояния в жидкое сразу, без «кашицы». Коммерческий эвтектический припой выпускают состава 63/37 — он ближе всего к этой точке. Чем дальше состав от эвтектического, тем шире интервал солидус — ликвидус и тем выше риск получить «холодную» пайку при движении детали в момент кристаллизации.

ПОС 63 отвечает эвтектическому составу и физически плавится при 183 °C без интервала; ликвидус 190 °C в таблице ГОСТ 21930-76 — запас на допуск состава 62,5–63,5 % олова.

Сурьмянистые марки (ПОССу 61-0,5, ПОССу 40-0,5, ПОССу 40-2 и другие) применяют для обмоток электрических машин, кабельных изделий и оцинкованных деталей; их полный состав, удельные сопротивления и области применения сведены в справочнике «Свинец (Pb) в электротехнике». Технические условия на припои — ГОСТ 21930-76 (чушки) и ГОСТ 21931-76 (проволока, лента, прутки, трубки с флюсом, порошок).

Чем ПОС 61 отличается от ПОС 40

Для монтажа плат и любых работ, где перегрев недопустим, берут ПОС 61 (или эвтектический ПОС 63). ПОС 40 дешевле и годится там, где шов крупный, а деталь спокойно терпит лишние полминуты нагрева. Общие требования к электрическому монтажу радиоэлектронной аппаратуры — ГОСТ 23592-96, типы паяных соединений — ГОСТ 19249-73, классификация способов пайки — ГОСТ 17349-79. Сравнение пайки с другими способами соединения жил разобрано в справочнике «Скрутка, пайка и сварка проводов».

Бессвинцовые припои и ТР ЕАЭС 037/2016

Технический регламент ЕАЭС 037/2016 ограничивает свинец в однородном материале электротехнических и радиоэлектронных изделий долей 0,1 % — то же значение, что и в европейской директиве RoHS, действующей с 1 июля 2006 года. Классический ПОС 61 в это ограничение не укладывается, поэтому серийная бытовая электроника перешла на сплавы на основе олова с серебром, медью, висмутом или цинком. Для ремонта, а также для оборонной, авиационной, космической и части телекоммуникационной техники сохранены изъятия — там свинцовые припои используются штатно.

Практическая разница для монтажника: бессвинцовые сплавы плавятся на 30–45 °C выше эвтектики Sn–Pb, поэтому жало держат при 300–350 °C вместо 250–280 °C, а пик профиля оплавления держат на 20–40 °C выше ликвидуса — для SAC305 это 240–250 °C. Шов получается матовым и более зернистым — по внешнему виду его нельзя браковать по критериям, привычным для ПОС 61. Смешивать бессвинцовый припой с ПОС на одной плате не следует: висмут и свинец дают кристаллы Sn₁₆Pb₃₂Bi₅₂ с температурой плавления всего 95 °C, и соединение расходится под нагрузкой при умеренном нагреве.

Легкоплавкие сплавы: Розе, Вуда, Филда

Сплавы с висмутом плавятся ниже температуры кипения воды — их используют там, где перегрев недопустим в принципе: выпайка многовыводных корпусов, тепловые предохранители, спринклерные замки, заливка термодатчиков.

Сплав Розе предпочтительнее сплава Вуда: он безопаснее, поскольку не содержит кадмия. Оба относятся к материалам плавких вставок наравне с медью, алюминием, сталью и чистым оловом — диаметры вставок по номинальному току сведены в справочнике «Таблица диаметров плавкой вставки».

Оловянные усы (whiskers) — скрытый дефект бессвинцовой техники

Из чистого оловянного покрытия самопроизвольно прорастают нитевидные монокристаллы — «усы». Диаметр — единицы микрометров, длина — от десятков микрометров до нескольких миллиметров; рост идёт годами, без внешнего электрического поля, за счёт сжимающих напряжений в слое покрытия (остаточные напряжения гальваники, термоциклирование, деформация вывода при формовке).

Чем это опасно:

• Короткие замыкания между близко расположенными выводами и дорожками. Ус может как замкнуть цепь наглухо, так и работать «предохранителем» — сгореть, дав неповторяемый сбой.
• Отказы в вакууме. В космосе испарившийся ус ионизируется, и возникшая плазма способна проводить сотни ампер. По этой причине в 1998 году был потерян спутник Galaxy IV, а в 2005-м из-за уса на логической плате аварийно остановили энергоблок АЭС Millstone.
• Реле, разъёмы, кардиостимуляторы — типовые места отказов; известны отзывы медицинских изделий.
• СВЧ-тракты. Выше 6 ГГц ус работает как миниатюрная антенна и меняет импеданс цепи.

Проблема обострилась именно из-за перехода на бессвинцовую технологию: добавка 1–3 % свинца надёжно подавляла рост усов, а после запрета свинца этот механизм исчез. Работающие меры:

• матовое (matte) олово вместо блестящего (bright) — в блестящем выше внутренние напряжения;
• никелевый подслой между медью и оловом — барьер для роста интерметаллида Cu₆Sn₅, который и создаёт напряжения;
• финишные покрытия никелем, золотом или палладием вместо чистого олова;
• отжиг после нанесения покрытия (снятие напряжений);
• конформное лакокрасочное покрытие платы — механически удерживает ус.

Методы испытаний и практики снижения риска стандартизованы JEDEC и IPC (JESD22-A121, JESD201, GEIA-STD-0005-2).

Лужение и оловянные покрытия

Лужение — нанесение тонкого слоя олова на медь, сталь или их сплавы. В электротехнике оно решает три задачи: защита от окисления, обеспечение паяемости и (для медных жил в резиновой изоляции) защита от серы, которая иначе образует на меди сульфид и разрушает контакт.

Обозначение покрытий задаёт ГОСТ 9.306-85:

Пример записи: О3.кр — оловянное покрытие толщиной 3 мкм, кристаллическое.

Лужёные жилы кабелей и проводов

Токопроводящие жилы по ГОСТ 22483-2021 выпускают как без покрытия, так и с металлическим (обычно оловянным) покрытием проволок. Лужёную жилу применяют, когда:

• изоляция резиновая — вулканизованная резина содержит серу;
• изделие работает во влажной или солевой среде (судовые, шахтные кабели);
• жила гибкая, классов 5 и 6, и её многократно перепаивают — лужение сохраняет паяемость тонких проволок;
• нужна стабильная переходная проводимость под винтовым зажимом.

Качество оловянного покрытия медной проволоки проверяют по ГОСТ 16931-71, лужёная стальная кабельная проволока нормирована ГОСТ 3920-70. Лужёные жилы несут, например, монтажный провод МГШВ. Лужение доходит и до арматуры: буква «Л» в наконечниках ТМЛ и гильзах ГМЛ означает именно «лужёный». Как выбрать способ оконцевания под конкретную жилу — в справочнике «Соединение и оконцевание проводов».

Отдельная область — финишные покрытия печатных плат. HASL (горячее лужение с выравниванием воздухом), иммерсионное олово и OSP конкурируют друг с другом по плоскостности площадок и сроку хранения; сами методы изготовления плат сведены в справочнике «Таблицы методов изготовления печатных плат».

Сплавы олова: бронзы, баббиты, пьютер

Бронза — сплав меди с оловом (в широком смысле — с любым элементом, кроме цинка; сплав меди с цинком называется латунью). В марках буква «О» означает олово, «Ф» — фосфор, «Ц» — цинк, «С» — свинец, а цифры — процентное содержание в том же порядке.

Оловянные бронзы проводят ток заметно хуже чистой меди — типично 10–20 % IACS в зависимости от содержания олова и фосфора, — зато держат упругость под циклической нагрузкой. Поэтому из них делают именно пружинящие контактные элементы, а не токоведущие шины.

Баббит — антифрикционный сплав для вкладышей подшипников скольжения, в том числе крупных электрических машин и турбогенераторов.

Марки нормированы ГОСТ 1320-74. Общее ограничение всех баббитов — низкая усталостная прочность, поэтому слой заливают на жёсткое стальное, чугунное или бронзовое основание.

Пьютер — сплав, где на олово приходится 85–99 %, остальное медь, сурьма, висмут. Плавится при 170–230 °C. Это декоративно-посудный материал (современный пьютер по закону не содержит свинца), к электротехнике отношения не имеет, но его часто путают с чистым оловом при покупке металла.

Соединения олова: SnO₂, ITO и прозрачные электроды

Диоксид олова SnO₂ — широкозонный полупроводник n-типа со структурой рутила и температурой плавления 1630 °C. В электронике он работает там, где нужен проводник, пропускающий свет:

• ITO (оксид индия-олова) — прозрачное проводящее покрытие сенсорных панелей, ЖК- и OLED-дисплеев, солнечных элементов;
• FTO (SnO₂, легированный фтором) — более дешёвая и термостойкая альтернатива ITO для фотовольтаики и электрохромных стёкол;
• газовые сенсоры — полупроводниковые датчики горючих газов и CO строятся на изменении проводимости плёнки SnO₂ при адсорбции газа;
• контактные материалы и керамика — SnO₂ входит в состав материалов контактов и белых глазурей.

Другое соединение — хлорид олова SnCl₂ — используется как восстановитель в растворах химической металлизации при производстве печатных плат.

Сырьё, производство и цена

Олово занимает 47-е место по распространённости в земной коре. Промышленное значение имеет один минерал — касситерит SnO₂, содержащий до 78,8 % металла; его добывают преимущественно из россыпей, обогащают гравитацией и восстанавливают углеродом до чернового металла, а затем рафинируют.

Добыча сосредоточена в узком круге стран: Китай, Индонезия, Мьянма, Таиланд, Малайзия, Перу, Боливия, Бразилия и Австралия. В России запасы находятся в дальневосточных регионах. Именно узость сырьевой базы делает олово волатильным биржевым товаром: на LME торгуется рафинированное олово чистотой не менее 99,85 % лотами по 5 тонн, и эта котировка служит ориентиром для расчёта стоимости припоев. Текущие значения — на странице «График цены на олово (LME.Tin)».

Вторичное олово извлекают из отходов лужения, обрезков белой жести, отработанных припоев и снятых с плат волновых ванн — переработка заметно дешевле первичного производства.

Безопасность

Металлическое олово и его неорганические соединения малотоксичны: диоксид олова имеет LD₅₀ около 20 г/кг, а предельно допустимая концентрация аэрозоля SnO₂ в воздухе рабочей зоны — 2 мг/м³. Поэтому олово применяют для луженой посуды и белой жести, контактирующей с пищей.

Опасность при пайке создаёт не олово, а сопутствующие компоненты:

• свинец в припоях ПОС — вещество 1-го класса опасности, ПДК среднесменная 0,05 мг/м³ (подробнее — в справочнике «Свинец (Pb) в электротехнике»);
• кадмий в ПОСК и сплаве Вуда;
• аэрозоль флюса — продукты разложения канифоли и активаторов раздражают дыхательные пути.

Отсюда стандартный набор мер: местная вытяжка над рабочим местом, мытьё рук после работы со свинцовыми припоями, запрет на еду за паяльным столом. Резко токсичны оловоорганические соединения (трибутил- и трифенилолово) — но они относятся к биоцидам и в электротехнических материалах не встречаются.

Нормативная база

• ГОСТ 21930-76. Припои оловянно-свинцовые в чушках. Технические условия
• ГОСТ 21931-76. Припои оловянно-свинцовые в изделиях. Технические условия
• ГОСТ 1429.2-77. Припои оловянно-свинцовые. Метод определения содержания олова
• ГОСТ 17349-79. Пайка. Классификация способов
• ГОСТ 19249-73. Соединения паяные. Основные типы и параметры
• ГОСТ 23592-96. Монтаж электрический радиоэлектронной аппаратуры и приборов
• ГОСТ 22483-2021. Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров
• ГОСТ 16931-71. Проволока медная лужёная для электротехнических целей. Метод определения качества оловянного покрытия
• ГОСТ 3920-70. Проволока стальная лужёная кабельная. Технические условия
• ГОСТ 860-75. Олово. Технические условия
• ГОСТ 9.306-85. ЕСЗКС. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Обозначения
• ГОСТ 1320-74. Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия
• ГОСТ 5017-2006. Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки
• ТР ЕАЭС 037/2016. Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

❓ При какой температуре плавится олово?

Чистое олово плавится при 231,9 °C (в справочниках часто округляют до 232 °C), кипит при 2620 °C. Припои на его основе плавятся ниже: эвтектический ПОС 61 — при 183 °C, бессвинцовый SAC305 — при 217–220 °C, а легкоплавкий сплав Розе — уже при 94 °C.

❓ Что такое Sn и чем олово отличается от свинца?

Sn — обозначение олова в таблице Менделеева (элемент №50, от латинского Stannum). Со свинцом его путают по виду, но отличить просто: олово легче (плотность 7,29 против 11,34 г/см³), твёрже, плавится при 232 °C против 327 °C и при сгибании прутка издаёт характерный хруст — «оловянный крик». Свинец мягче, оставляет серый след на бумаге и заметно тяжелее в руке. Свойства свинца разобраны в справочнике «Свинец (Pb) в электротехнике».

❓ Чем ПОС 61 отличается от ПОС 40 и какой припой выбрать?

Цифра — доля олова в процентах. ПОС 61 близок к эвтектике: плавится в интервале 183–190 °C и застывает почти мгновенно, поэтому его берут для печатных плат, радиодеталей и всего, что боится перегрева. ПОС 40 плавится в интервале 183–238 °C, дольше остаётся в «кашеобразном» состоянии и требует жала на 280–320 °C — он дешевле и подходит для крупных швов, лужения и оцинкованной стали. Для монтажа электроники правильный выбор — ПОС 61 или ПОС 63.

❓ Что такое лужёная медь и зачем лудят жилы проводов?

Лужёная медь — медная проволока с тонким слоем олова (обычно 0,5–1,5 мкм гальванически или до 25 мкм горячим способом). Покрытие защищает медь от окисления, сохраняет паяемость тонких проволок и — главное — экранирует медь от серы, входящей в состав вулканизованной резиновой изоляции: без лужения на жиле образуется сульфид меди и контакт деградирует. Поэтому лудят жилы резиновых, судовых и шахтных кабелей, а также гибкие жилы классов 5 и 6.

❓ Где используется олово в электротехнике?

Основных областей пять: припои (примерно половина мирового потребления металла), лужение медных жил и контактов, плавкие вставки предохранителей, сплавы — оловянные бронзы для пружинящих контактов и баббиты для подшипников электрических машин, а также прозрачные проводящие покрытия ITO и FTO на основе диоксида олова в дисплеях и солнечных элементах.

❓ Сколько стоит олово?

Мировой ориентир задаёт Лондонская биржа металлов: там торгуется рафинированное олово чистотой не менее 99,85 % лотами по 5 тонн, а котировка обновляется по итогам каждой торговой сессии. Актуальное значение в долларах за тонну и динамика за год, три и пять лет — на странице «График цены на олово (LME.Tin)». Розничная цена прутка или припоя всегда выше биржевой на переработку, фасовку и логистику.

❓ Что такое оловянная чума и грозит ли она современной технике?

Оловянная чума — самопроизвольный переход белого олова в серое ниже 13,2 °C с ростом объёма примерно на 26 %: металл рассыпается в порошок. Максимальная скорость превращения — около −33 °C, поэтому обычная бытовая техника ей не подвержена. Риск реален для чистого олова в арктическом, высотном и космическом оборудовании; подавляют легированием свинцом, висмутом или сурьмой, поэтому у припоев ПОС проблемы нет.