Химический элемент олово. Что такое олово? Свойства и применение олова. Описание олова

Каждый химический элемент периодической системы и образованные им простые и сложные вещества уникальны. Они имеют неповторимые свойства, а многие вносят неоспоримо значимый вклад в жизнь человека и существование в целом. Не исключение и химический элемент олово.

Знакомство людей с эти металлом уходит в глубокую древность. Этот химический элемент сыграл решающую роль в развитии человеческой цивилизации, по сей день свойства олова находят широкое применение.

Олово в истории

Первые упоминания о данном металле, имеющем, как люди считали раньше, даже некоторые магические свойства, можно найти в библейских текстах. Решающее значение для улучшения жизни олово сыграло в период «бронзового» века. На то время самым прочным металлическим сплавом, которым обладал человек, была бронза, её можно получить, если в медь добавить химический элемент олово. На протяжении нескольких веков из этого материала изготовляли всё, начиная от орудий труда и заканчивая ювелирными изделиями.

После открытия свойств железа сплав олова не перестал использоваться, конечно, он применяется не в прежних масштабах, но бронза, а также многие другие его сплавы активно задействованы сегодня человеком в промышленности, технике и медицине, наравне с солями этого металла, например, таким как хлорид олова, который получают взаимодействием олова с хлором, данная жидкость кипит при 112 градусах Цельсия, хорошо растворяется в воде, образует кристаллогидраты и дымит на воздухе.

Положение элемента в таблице Менделеева

Химический элемент олово (латинское название stannum - «станнум», записывается символом Sn) Дмитрий Иванович Менделеев по праву расположил под номером пятьдесят, в пятом периоде. Имеет ряд изотопов, самый распространённый - изотоп 120. Этот металл также находится в главной подгруппе из шестой группы, вместе с углеродом, кремнием, германием и флеровием. Его расположение предсказывает амфотерность свойств, в равной степени олову присущи и кислотные, и основные характеристики, которые более детально будут описаны ниже.

В таблице Менделеева также указана атомная масса олова, которая равняется 118,69. Электронная конфигурация 5s 2 5p 2 , что в составе сложных веществ позволяет металлу проявлять степени окисления +2 и +4, отдавая два электрона только с р-подуровня или же четыре с s- и р-, полностью опустошая весь внешний уровень.

Электронная характеристика элемента

В соответствии атомному номеру околоядерное пространство атома олова содержит целых пятьдесят электронов, они располагаются на пяти уровнях, которые, в свою очередь, расщеплены на ряд подуровней. Первые два имеют только s- и р-подуровни, а начиная с третьего идёт троекратное расщепление на s-, p-, d-.

Рассмотрим внешний так как именно его строение и заполнение электронами определяют химическую активность атома. В невозбуждённом состоянии элемент проявляет валентность, равную двум, при возбуждении происходит переход одного электрона с s-подуровня на вакантное место р-подуровня (он максимально может содержать три неспаренных электрона). В этом случае олово проявляет валентность и степень окисления - 4, так как спаренных электронов нет, а значит в процессе химического взаимодействия на подуровнях их ничто не удерживает.

Простое вещество металл и его свойства

Олово представляет собой металл серебряного цвета, относится к группе легкоплавких. Металл мягкий, сравнительно легко поддаётся деформации. Ряд особенностей присущ такому металлу, как олово. Температура ниже 13,2 является границей перехода металлической модификации олова в порошкообразную, что сопровождается изменением цвета с серебристо-белого на серый и уменьшением плотности вещества. Плавится олово при 231,9 градуса, а кипит при 2270 градусах Цельсия. Кристаллическая тетрагональная структура белого олова объясняет характерное похрустывание металла при его изгибе и нагреве в месте перегиба трением кристаллов вещества друг об друга. Серое олово имеет кубическую сингонию.

Химические свойства олова имеют двойственную суть, оно вступает как в кислотные, так и основные реакции, проявляя амфотерность. Металл взаимодействует с щелочами, а также кислотами, такими как серная и азотная, проявляет активность при реакции с галогенами.

Сплавы олова

Почему чаще вместо чистых металлов применяют их сплавы с определённым процентным содержанием составных компонентов? Дело в том, что сплаву присущи свойства, которых нет у индивидуального металла, или же эти свойства проявляются гораздо сильнее (например, электропроводность, стойкость к коррозии, пассивирование или активирование физических и химических характеристик металлов в случае необходимости и т.д.). Олово (фото показывает образец чистого металла) входит в состав многих сплавов. Оно может использоваться в качестве добавки или основного вещества.

На сегодняшний день известно большое количество сплавов такого металла, как олово (цена на них колеблется в широких пределах), рассмотрим самые популярные и применяемые (о применении тех или иных сплавов речь пойдёт в соответствующем разделе). В общем, сплавы станнума имеют следующие характеристики: высокая пластичность, низкая небольшая твёрдость и прочность.

Некоторые примеры сплавов

Важнейшие природные соединения

Олово образует ряд природных соединений - руд. Металл образует 24 минеральных соединения, самое важное значение для промышленности имеет оксид олова - касситерит, а также станин - Cu 2 FeSnS 4 . Олово рассеяно в земной коре, а соединения, образованные им, имеют магнетическое происхождение. В промышленности также используются соли полиоловянных кислот и силикаты олова.

Олово и организм человека

Химический элемент олово является микроэлементом по своему количественному содержанию в теле человека. Основное его скопление находится в костной ткани, где нормальное содержание металла способствует своевременному её развитию и общему функционированию опорно-двигательной системы. Помимо костей, олово концентрируется в желудочно-кишечном тракте, лёгких, почках и сердце.

Важно отметить, что избыточное накопление данного металла может привести к общему отравлению организма, а более длительное воздействие - даже к неблагоприятным генным мутациям. В последнее время эта проблема довольно актуальна, так как экологическое состояние окружающей среды оставляет желать лучшего. Большая вероятность интоксикации оловом у жителей мегаполисов и районов, близлежащих около промышленных зон. Чаще всего отравление происходит путем накопления в легких солей олова, например, таких как хлорид олова и других. В то же время недостаток микроэлемента может спровоцировать замедление роста, потерю слуха и выпадение волос.

Применение

Металл имеется в продаже на многих металлургических заводах и компаниях. Выпускается в виде чушек, прутков, проволоки, цилиндров, анодов, изготовленных из чистого простого вещества, такого как олово. Цена колеблется от 900 до 3000 рублей за кг.

Олово в чистом виде применяется редко. В основном используются его сплавы и соединения - соли. Олово для пайки применяется в случае скрепления деталей, которые не подвергаются воздействию высоких температур и сильных механических нагрузок, выполненных из медных сплавов, стали, меди, но не рекомендуется для изготовленных из алюминия или его сплавов. Свойства и характеристики оловянных сплавов описаны в соответствующем разделе.

Припои используют для пайки микросхем, в этой ситуации также идеально подходят сплавы на основе такого металла, как олово. Фото изображает процесс применения оловянно-свинцового сплава. С помощью него можно выполнить достаточно тонкие работы.

Ввиду высокой стойкости олова к коррозии его применяют для изготовления луженого железа (белой жести) - жестяных банок для пищевых продуктов. В медицине, в частности в стоматологии, олово задействовано для выполнения пломбирования зубов. Оловом покрыты домовые трубопроводы, из его сплавов изготовлены подшипники. Неоценимо важен вклад данного вещества и в электротехнику.

Водные растворы таких солей олова, как фторбораты, сульфаты, а также хлориды, используют в качестве электролитов. Оксид олова - это глазурь для керамики. Путём введения в пластические и синтетические материалы различных производных олова представляется возможным уменьшить их возгораемость и выделение вредоносных дымов.

Оловянная посуда на самом деле не на 100% изготавливается из олова, для нее используют его сплавы. Изделия из этого металла считаются четвертыми по ценности после платиновых, золотых и серебряных. С течением времени они становится лишь лучше и ценнее, однако нужно уметь за ними правильно ухаживать. Как это сделать?

Оловянные изделия как правило на 95 или более процентов сделаны из самого металла, а остальное – добавки из меди или сурьмы.

Олово входит в список семи самых древних металлов и обладает уникальными свойствами – оно не наносит вреда здоровью человека, при соприкосновении с горячей пищей не выделяет никаких вредных веществ, не подвержено окислению. Пища в приборах из олова не приобретает никаких посторонних запахов или вкусов. Этот металл – один из самых подходящий для создания кухонной утвари.

С течением времени изделия из олова могут выцвести, приобрести интересный бархатно-серый оттенок, называемый «патиной». Такие вещи особенно ценятся среди коллекционеров.

Вред оловянной посуды

При покупке новых изделий нужно внимательно изучить их состав. Олово – весьма дорогой металл, и некоторые недобросовестные производители могут добавлять в сплав примеси, не всегда подходящие для изготовления пищевых приборов.

Если в составе присутствует свинец, изделие со временем становится тусклым, темнеет. От использования такой посуды по прямому назначению стоит отказаться.

Уход за оловянной посудой

Изделия из олова достаточно требовательны – они нуждаются в регулярном уходе. В идеале их следует очищать сразу после использования, чтобы остатки пищи не слишком долго в них находились.

Удалить грязь можно теплой водой и мягкой губкой с нанесенным на нее средством для мытья посуды. После чистки приборы нужно сполоснуть чистой водой и поставить сушиться на расстеленное полотенце или сушилку.

Использовать для чистки таких изделий посудомоечную машину нельзя. Также не следует пользоваться жесткими губками или абразивными моющими средствами – они могут поцарапать поверхность приборов.

Современную, не покрытую патиной потемневшую посуду из олова можно чистить полиролью, предназначенной для серебряных или латунных изделий. Подойдут и некоторые мягко действующие абразивные составы («Блеск-500» или аналоги). Их наносят на мягкую тряпочку и удаляют потемнения или следы коррозии.

Изысканная оловянная посуда, интерес к которой сейчас вновь возрастает, может стать отличным подарком на любое знаменательное событие. Изготовленные из редкого и ценного металла, кропотливо исполненные предметы свидетельствуют о тонкости вкуса их обладателей. Они подарят ощущение старины, украсят любой дом и привлекут внимание гостей.

Олово получают из руд или обогащенного металлом песка. Таковой имеется в морях Заполярья. Смесь гранул с высоким содержанием олово добывают прямо со дна моря Лаптевых. Извлечение породы ведется с помощью специализированных судов в районе Ванькиной губы. Первую партию песка подняли на поверхность еще в 1976-ом году.

Что такое олово?

Олово – металл. Он занимает 50-е место в таблице химических элементов Дмитрия Менделеева. 50-ый номер находится в 4-ой группе таблице, в ее главной подгруппе. Они входят в пятый период списка. Масса олова равна 118, 710.

Металл редкий и рассеянный. Его в небольших количествах выделяют из руд и песков. По содержанию в коре Земли, олово занимает 47-е место среди химических элементов. Больше всего серебристо-белого металла в кассетирите. Это минерал. В нем олова почти 80%. Кстати, именно доля кассетирита велика в песках, поднимаемых со дна океана. Велика доля легкого металла и в оловянном колчедане, но он редко встречается в природе.

Физические и химические свойства олова

У элемента невысокая планка плавления. Предельная температура олова , при которой металл остается твердым — 231 градус Цельсия. Уже при 231,9 градусах элемент плавится. Эта цифра одинакова для обеих модификаций металла. Он бывает белый и серый. Темный оттенок элемент приобретает, переходя из металлического состояние в порошкообразное. Плотность порошка значительно ниже, она равна 5 850 граммов на кубический сантиметр. Этот показатель более чем на тысячу уступает плотности олова в металлическом состоянии.

В состояние порошка олово переходит только при низких температурах. Метаморфозу называют оловянной чумой. Из-за нее, к примеру, в 1912-ом погибла целая экспедиция. Отправленная на Северный полюс команда «Скотта» на половине пути осталась без горючего. Керосин вытек из баков. Они были из жести, но спайка была из олова. На холоде оно стало порошком и высыпалось из швов, а вместе с ним вылилось и горючее.

Плавление олова сильно разнится с планкой кипения. Последняя составляет 2 270-ти градусах. Элемент легко гнется и в охлажденном состоянии, а при небольшом нагреве становится словно пластилин. Металл легкий, его вес сравним с алюминием.

Металл покрывает оксид олова . Он образует пленку, защищающую элемент от коррозии. Это свойство олово не теряет даже во влажном воздухе с температурой в 100 градусов Цельсия.

Олово не из списка химически стойких металлов. Оно вступает в реакцию, к примеру, с азотной и серной кислотами. Реагирует олово и с галогенами.

Применение олова

Люди нашли применение олову еще до нашей эры. Белесый металл служит человечеству приблизительно с бронзового века. Он назван так в честь сплава, изделия из которого были ведущими в указанную эпоху. Причем здесь олово? Оно входило в состав бронзы. Тогда это был сплав олова и меди . Такова рецептура и сейчас. Правда, теперь иногда добавляют еще алюминий, кремний и свинец. Да и роль бронзы в жизни общества уже не та.

В 21-ом веке легкий металл используют не только для бронзы, но и для припоев. На эти цели идет обычно сплав олова и свинца . Используют также соединения с кадмием и висмутом. Такие составы не рассыплются в порошок даже на холоде, поэтому служат надежной «соединительной тканью» для различных деталей.

Сплав олова со свинцом и сурьмой используют в печатной промышленности. Соединение трех элементов идет на создание типографских шрифтов.

Оловом прокатывают фольгу. Из белого металла делают трубы и прочие элементы, которые должны обладать антикоррозийными свойствами. Поскольку олово не ржавеет, из него делают посуду. Пищевой металл отлично проводит тепло. Элемент не токсичен. Его применяют даже для покрытий емкостей для длительного хранения еды, к примеру, для консервных банок. Кстати, банки покрывают оловом и снаружи. Так всегда поступают с жестяной тарой, что уберегает ее от разрушения.

Посуду из олова делали и в древности. Наши предки также заметили особенность олова не поддаваться коррозии, не ржаветь. Однако, столовые приборы из легкого металла не были распространены. Причина – дороговизна. В прошлые эпохи олово стоило наравне с золотом и даже больше. Так, даже у знатных римлян олово не всегда было в изобилии.

Олово – важный элемент тканевой промышленности. Здесь в ход идут соли металла. Они используются при изготовлении натурального шелка и печатании на ситцевых материях. Белесый элемент пригождается и в медицине. Олово нужно стоматологам для формирования некоторых пломб. Сейчас они отходят в прошлое, но раньше составляли чуть ли не 100% всех зубных «заплаток». Раньше олово применялось и при лечении эпилепсии. Припадки снимали с помощью пилюль из олова и хлора. Этим же способом боролись со многими неврозами. Звучит страшно, но олово содержится в организме человека и без пилюль. Более того, элемент необходим. При его нехватке замедляется, к примеру, рост людей.

Купить металл для тех или иных нужд можно примерно за 1 000 рублей. Это олово , цена на которое установлена с учетом обработки. Тысячу просят за пруты, цилиндры и прочие готовые элементы. Чистое олово купить можно гораздо дешевле, в среднем на 30-40%. Еще бюджетнее порошок металла. Его, к слову, добавляют в инсектицидные смеси. Так называются химические составы для травли насекомых, к примеру, вредителей сада и огорода. Олова боятся и морские «вредители». Так, на покрытое белым металлом дно кораблей не присасываются моллюски, не разрушая тем самым конструкцию.

Олово (= Станум) (Sn)

Причина падения Великой Римской Империи.

В организме человека больше олова накапливается в эмали зубов, ногтях и костях, оно входит в состав желудочного фермента гастрина , оказывает влияние на активность флавиновых ферментов, усиливает процессы роста.

Суточная потребность организма человека – 2–10 мг. Дефицит олова может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента (1 мг/день и менее).

В течение суток в организм взрослого человека попадает до 15 мг олова; 3–10% от этого количества всасывается в желудочно-кишечном тракте. В организме в основном олово находится в виде жирорастворимых солей. В тканях олово присутствует в концентрациях от 0,5 до 4,0 мкг/г. На кости приходится 0,8 мкг/г олова, на почки, сердце и тонкий кишечник – 0,1 мкг/г. В мозге новорожденных олово не обнаруживается.

Выделяется олово из организма с желчью и мочой.

Биологическая роль в организме человека . Биологическая роль олова в организме до конца не изучена. Олово входит в состав желудочного фермента гастрина, влияет на активность флавиновых ферментов, способно усиливать процессы роста.

Признаки недостаточности олова : в экспериментах на животных показано, что дефицит олова сопровождается замедлением роста и прироста, нарушением минерального состава внутренних органов, ухудшением слуха у подопытных животных.
Рацион с дефицитом олова у лабораторных животных также вызывает алопецию. Однако эти данные о роли дефицита олова требуют подтверждения.

При избыточном поступлении олово накапливается в печени, почках, скелете и мышцах.
Органические соединения олова при введении в желудочно-кишечный тракт проявляют выраженный кумулятивный эффект с последующим развитием хромосомных аберраций в клетках костного мозга.

Избыток олова вызывает нарушение некоторых функций мозга , причем больше других страдают дети и жители городов, которые не имеют возможности выезжать за город, или живут поблизости от автодорог.

Основные проявления избытка олова : постоянные головные боли расстройства зрения; раздражение кожи; станиоз (изменения в легких), снижение аппетита, металлический привкус во рту, тошнота, боли в животе, кишечнике, диарея, увеличение печени, повышение уровня трансаминаз в крови, гипергликемия, снижение содержания в организме цинка и меди.

По результатам анализа костей древних индейцев Северной Америки, возраст которых насчитывал 1600 лет, и сравнения их с костями американцев и англичан, умерших за последние годы, оказалось, что в костях наших современников олова содержится в 700–1200 раз больше, чем в костях древних жителей Земного шара .

Американский историк медицины Сибери Дж. Джилфиллан выдвинул гипотезу, что Рим пал из–за избытка олова . Известно, что в Древнем Риме вместо воды обычно употребляли вино, подслащенное сгущенным соком винограда. Готовили этот продукт в оловянных котлах . Виноград и сам по себе в небольших количествах содержит олово, не говоря уже об о лове, которое попадало в вино со стенок котлов. Избыточная концентрация олова оказалась губительной для здоровья римлян, которые, вместо воинственных наступлений и защиты своих стен, были озабочены только желудочно-кишечными проблемами .

Тем временем привычка подслащивать вино перекочевала и в другие европейские страны, в которых монахи часто готовили вино в такой же посуде. Поэтому в Средневековье одной из самых распространенных болезней монахов , которые любили попивать вино, была так называемая «кишечная колика» , а также зрительные и психические нарушения . Только в VII веке выяснилось, что причиной тому было олово.

Компания Molex взяла на себя обязательство поддержать своих клиентов в их переходе на продукцию, не содержащую свинец.

Более 50 лет пайка свинцовыми припоями использовалась практически во всей электронной промышленности при установке компонентов на печатные платы. Тем не менее будущее этой технологии находится под большим вопросом в связи с растущим беспокойством, вызванным увеличением содержания свинца в почве и, в конечном счете, проникновением свинца в питьевую воду. Несмотря на научное подтверждение, которое доказывает, что влияние электронной промышленности на содержание свинца в окружающей среде чрезвычайно мало, существует движение за запрещение использования свинца в электронной промышленности.

В октябре 2002 года в Европе было одобрено законодательство, запрещающее использование свинца в большинстве электротехнических и электронных изделий начиная с 1 июля 2006 года. Дополнительное законодательство, определяющее использование свинца в европейской автомобильной промышленности, вступило в силу 1 июля 2003 года. Хотя законодательство напрямую касается лишь Европейского Сообщества, все компании, которые осуществляют поставки в Европу, также должны подчиняться новым правилам. Компания Molex взяла на себя обязательство поддержать своих клиентов в их переходе на продукцию, не содержащую свинец. Компания начала переход к продукции, не содержащей свинец, в 2000 году. Этот процесс должен быть завершен к июлю 2006 года.

Свинец в электронике

В электронных изделиях есть три основных компонента, содержащих свинец: припой, покрытие контактных площадок печатных плат и покрытие выводов электронных компонентов. В типичном паяном соединении припой является основным фактором, опредеющим наличие свинца. Соответственно покрытие печатной платы и выводы электронных компонентов оказывают на содержание свинца значительно меньшее влияние. В результате, первые шаги к сокращению содержания свинца в электронных изделиях были направлены на поиск сплава, позволяющего заменить традиционные, содержащие свинец припои. В настоящее время припой используется в большинстве случаев установки электронных компонентов на печатную плату:

технология поверхностного монтажа (используется припой в виде пасты, которая наносится на поверхность печатной платы с помощью специального шаблона или трафарета);
монтаж в отверстия платы (используется расплавленный припой, который находится в специальной ванне);
ручная пайка с помощью паяльника (как правило, припой применяется в виде проволоки, тонкой трубки или ленты).

В результате многочисленных экспериментов, которые проводились в течение последних нескольких лет, в качестве замены содержащих свинец припоев было предложено семейство сплавов олова, серебра и меди (SnAgCu).

Для технологии поверхностного монтажа сплав SnAgCu, по всей вероятности, станет наиболее популярным решением. Возможно, наибольшей проблемой для использования такого сплава в качестве припоя является более высокая температура плавления. Например, температура плавления сплава SnAgCu составляет 217°C, в то время как сплав олова и свинца Sn37Pb плавится при температуре 183°C. Соответственно, технологический процесс потребует увеличения температуры пайки до240-260°C.

Законодательство

Европа стала инициатором движения за запрещение использования свинца в промышленности. В конце 2002 года европейский парламент одобрил две резолюции, регламентирующие влияние отходов элетротехнической и электронной промышленности на окружающую среду. Как часть этих законодательных актов использование свинца в большинстве изделий запрещается или сильно ограничится. Резолюции, которые называются «Отходы электрического и электронного оборудования» (The Waste Electrical and Electronic Equipment- WEEE) и «Ограничение опасных веществ» (Restriction of Hazardous Substances - RoHS) требуют сокращения использования содержащих свинец материалов начиная с 1 июля 2006 года.

Дополнительно к этим двум резолюциям Европейское Сообщество приняло также резолюцию «Утилизация автомобилей» (End-of-Life Vehicles-ELV), определяющую использование свинца в автомобильной промышленности. Хотя использование свинцовых припоев в автомобилях временно разрешено, это разрешение не распространяется на применение разъемов с покрытием, содержащим свинец.

В Японии нет законодательства, запрещающего использование свинца в электронике. Тем не менее существует два закона, которые, если применить их вместе, ясно указывают, что такой запрет может быть введен. Первый закон - «Переработка бытовых электронных изделий в Японии», определяет, что производители должны предпринять меры по утилизации телевизоров, холодильников, стиральных машин и т. д. начиная с апреля 2001 года. Второй закон запрещает производителям выброс любых вредных веществ в окружающую среду.

В Соединенных Штатах не существует четких ограничений по использованию свинца в электрическом или электронном оборудовании.

Как это влияет на разъемы

Компания Molex достаточно подробно исследовала влияние, которое может оказать запрещение использования свинца на производителей разъемов и их изделия. Покрытие контактов и пластиковый корпус разъема являются основными элементами разъемов, наиболее чувствительными к последствиям применения сплавов, свободных от свинца.

Основным содержащим свинец элементом в разъеме является покрытие контактов (терминалов). Многие терминалы покрываются оловянно-свинцовым сплавом (как правило, гальваническим методом) для обеспечения пайки, а также для создания надежного электрического контакта при беспаечных технологиях, таких, как обжим проводников или запрессовка выводов в печатную плату. Требования, предъявляемые к покрытию терминалов при использовании любой из упомянутых выше технологий, должны учитываться при выборе альтернативного сплава для такого покрытия. Так, покрытие, предназначенное для пайки, должно обладать свойством смачивания поверхности расплавленным припоем и обеспечивать надежность паяного соединения. В случае непаяных соединений (обжим провода в контакте, соединение контактных элементов) покрытие дожно обеспечивать соответствующее переходное сопротивление контактной пары, которое не должно ухудшаться со временем и под воздействием климатических условий. Кроме этого, покрытие должно обеспечивать определенное количество сочленений контактной пары. Технология запрессовки контактов в печатную плату требует от покрытия определенного коэффициента трения. Кроме перечисленных факторов не содержащее свинец покрытие должно быть устойчиво кросту «оловянных волосков». Под термином «оловянные волоски» подразумеваются микроскопически тонкие кристаллы чистого олова, которые появляются на поверхности сплава с большим содержанием олова. В случае роста «оловянных волосков» существует опасность, что кристаллы олова могут вызвать короткое замыкание соседних проводников или контактных пар.

Хотя диэлектрические материалы корпусов разъемов (в большинстве случаев - разного вида пластмассы) не содержат свинец, запрещение использования свинца оказало на технологию их производства значительное влияние. Это влияние в основном обусловлено повышенной температурой плавления (240-260°C) используемых припоев. Пластик корпуса должен выдержать такую температуру без сколько-нибудь заметной деформации материала. В настоящее время существуют специальные пластмассы, которые применяются при изготовлении корпусов разъемов для технологии поверхностного монтажа. Такие пластмассы выдерживают температуру пайки традиционных припоев, но их способность сохранять свои свойства при использовании свободной от свинца технологии еще до конца не исследована. При этом исследование пластмассы лишь как материала не дает требуемого результата, так как форма корпуса и толщина стенок оказывают значительное влияние на стойкость к деформации и изменению цвета при повышенных температурах.

Примечания:

Вероятность роста «оловянных волосков» при использовании чистого олова, сплавов олова и висмута, олова и серебра немного выше, чем при использовании сплава олова и свинца. Использование никелевого барьера между материалом контакта и покрытием контакта существенно уменьшает такую вероятность. Компания Molex, как правило, использует никелевый барьер толщиной 1,25 микрон.
Исследования показали, что при использовании сплава олова и меди вероятность роста «оловянных волосков» выше, чем при использовании чистого олова.
При использовании в качестве покрытия сплава олова и висмута есть вероятность того, что при контакте такого покрытия с традиционными покрытиями, содержащими свинец, может образоваться сплав олова, свинца и висмута с температурой плавления 96°C. Такой сплав трех металлов может образоваться в точке контакта, что может существенно повлиять на надежность изделий, работающих в условиях повышенных температур.
Для сплавов олова и висмута, олова и меди очень трудно контролировать технологический процесс. Так,прииспользовании сплава олова и висмута, висмут может осаждаться существенно быстрее, что приведет к нарушению технологии.
Использование для покрытия сплава олова и серебра требует применения специальных, очень сложных реагентов, обеспечивающих одновременное и равномерное нанесение олова и серебра. Изготовление и утилизация таких реагентов является чрезвычайно трудной задачей.
Стоимость отходов производства при использовании контактов, покрытых сплавом олова и висмута меньше, чем при использовании сплавов олова и свинца, олова и меди. Такие отходы, как правило, подвергаются переработке производителями медных сплавов. Присутствие висмута является недопустимым припроизводстве таких сплавов.

Технологии

Покрытие контактов

Для обеспечения перехода на технологию, свободную от содержания свинца, компания Molex предложила универсальное решение, которое предполагается использовать в большинсве отраслей независимо оттого, в какой стране размещается производство. Наилучшей заменой существующему сейчас сплаву для покрытия контактов является чистое олово. Компания Molex идругие производители разъемов применяют этот металл для покрытия контактов напротяжении более двадцати лет. Тем не менее при поиске наилучшего решения проводились эксперименты и с другими металлами и их сплавами. Так, помимо чистого олова, исследовались сплавы олова и висмута (SnBi), олова и меди (SnCu), олова и серебра (SnAg), золота, нанесенного на сплав палладия и никеля (Au flash/PdNi) и золота, нанесенного на палладий (Au flash/Pd). Результаты экспериментов сравнивались по многим параметрам с результатами, полученными при использовании традиционной технологии. В качестве основных параметров можно привести следующие:

смачиваемость припоем (легкость пайки);
обеспечение надежного паяного соединения;
сопротивляемость росту «оловянных волосков»;
совместимость с существующей технологией;
переходное сопротивление в месте контакта;
износостойкость;
коэффициент трения;
технология нанесения покрытия;
стоимость отходов производства;
стоимость сплава.

В настоящее время при пайке в качестве покрытия контактов применяется сплав, состоящий из 90 весовых частей олова и 10 весовых частей свинца. Таблица1 показывает сравнение применения указанного сплава и металлов (и их сплавов), которые могли бы его заменить.

Как видно из таблицы 1, лучшим кандидатом для замены сплавов с содержанием свинца является чистое олово. Если бы не вероятность роста «оловянных волосков», чистое олово могло бы стать такой заменой в 100% случаев.

Выбор чистого олова для покрытия контактов был подтвержден и другими производителями разъемов. Такие компании, как Molex, Tyco Electronics, FCI и Amphenol опубликовали совместное заявление с обоснованием использования чистого олова для покрытия контактов разъемов.

Корпуса из пластмассы

Некоторые из термопластических материалов, используемых для изготовления корпусов разъемов, применяются при SMT-технологии. Однако сплавы, выступающие основными кандидатами на замещение сплавов ссодержанием свинца, имеют существенно более высокую температуру плавления. Ожидается, что температура пайки при использовании новой технологии будет достигать 260°C. При этом устанавлемые компоненты должны выдерживать такую температуру в течение 120 секунд.

Температура плавления и температура размягчения (Heat Deflection Temperature; стандарт ISO R 75) являются основными характеристиками, которые определяют способность пластмассы сохранять свойства при повышенной температуре. Температура плавления, определяющая момент перехода пластмассы из жидкого состояния в твердое, является важным параметром, так как пластмасса должна находиться в жидком состоянии при процессе формовки изделия. Температура размягчения - это относительная величина, определяющая способность пластмассы выдерживать под определенной нагрузкой заданную температуру в течение некоторого промежутка времени. В целом, применительно к свободной от свинца технологии поверхностного монтажа, пластмасса дожна иметь температуру плавления выше 260°C. При этом температура размягчения тоже должна быть выше 260°C. Однако существует так называемая «серая зона», в которой материал с точкой плавления 260°C может иметь такую же или немного меньшую температуру размягчения. Причем и в этом случае применение конкретного изделия может быть признано допустимым при проведении ряда исследований и экспериментов. Такие исследования проводятся по утвержденной и открыто опубликованной методике тестирования изделий на совместимость с технологией поверхностногo монтажа при использовании сплавов, не содержащих свинец.

В таблице 2 приведены температура плавления и температура размягчения для наиболее распространенных пластмасс, используемых в настоящее время при изготовлении корпусов разъемов.

Некоторые материалы, например, PPA, PA46 и LCP выдерживают температуру, требуемую технологией поверхностного монтажа при использовании сплавов, не содержащих свинец. Изделия из некоторых материалов (PCT и PPS) должны быть подвергнуты дополнительным испытаниям. В результате увеличится цена на все разъемы, в которых потребуется замена корпусов на новые, выполненные из высокотемпературных пластмасс.

Стратегия прехода

Компания Molex при разработке стратегии выбора материалов в этот переходный период исходит из уверенности, что в промышленности некоторое время будут использоваться как содержащие свинец, так и бессвинцовые сплавы. В течение этого времени будет создано и внедрено большое количество новых изделий, номенклатурных номеров, специальных маркировок и этикеток. Частью стратегии является стремление избежать появления новых номенклатурных кодов там, где это возможно.

Предлагается двухступенчатый переход к технологии, не содержащей свинец. В качестве первого шага будет осуществлен только переход на контакты с покрытием, не содержащим свинец. На этом этапе мы умышленно не касаемся температурной совместимости материала корпуса разъема. Технология, которой владеет компания Molex, гарантирует отсутствие риска при переходе от традиционных сплавов, используемых для покрытия контактов, к покрытию из чистого олова при использовании припоев, содержащих свинец. Как результат, нет необходимости в создании новых номенклатурных номеров, поскольку потребительские свойства изделий не меняются. Такие контакты будут обозначаться как «не содержащие свинец».

На втором этапе будет проведено испытание пластмасс, используемых для изготовления корпусов разъемов, при температуре, определяемой технологией поверхностного монтажа с использованием сплавов, не содержащих свинец. Для разъемов, которым потребуется изменение материала корпуса, будут созданы новые номенклатурные номера. Такие изделия будут обозначаться как «совместимые с технологией поверхностного монтажа при использовании сплавов, несодержащих свинец».

Техническая информация "оловянные волоски"

Чистое олово и сплавы с высоким содержанием олова попали в зону повышенного внимания в связи с проблемой образования «оловянных волосков». Такие «волоски», представляющие собой тонкие кристаллы олова, могут самопроизвольно вырастать на поверхности олова или оловосодержащего сплава и, в некоторых случаях, стать причиной короткого замыкания электрических цепей. Возможная причина появления этих кристаллов - внутреннее напряжение в структуре сплава.

Несмотря на значительные усилия в области исследования этого явления, фундаментальный механизм, который приводит к образованию «оловянных волосков», до сих пор не ясен. Хотя и не был выявлен единственный определяющий фактор, есть мнение, что на рост волосков оказывают влияние следующие факторы:

внутреннее напряжение материала;
температура;
влажность;
цикличность изменения температуры.

Компания Molex начала исследование природы этого явления в 1999 году и продолжает эксперименты в настоящее время. Результаты опубликованы и доступны на сайте
www.molex.com.