Fyzikální podstata pájení
Fyzikální podstata pájení spočívá ve smáčení materiálů v tuhém stavu tekutou pájkou. Mezi atomy základního materiálu a tekutou pájkou jsou vytvořeny podmínky pro vznik adhezních sil. Dochází k rozpouštění a difúzi atomů základního materiálu a pájky. Pájený spoj vzniká zpravila za spolupůsobení základního materiálu, pájky a tavidla. Uvnitř kapaliny, kterou je i roztavená pájka, se přitažlivé síly částic navzájem ruší a vytváří rovnovážný stav. Jinak je tomu na povrchu kapaliny, kdy povrchové molekuly jsou pod vlivem jednostranně působících sil. Vzniká přebytek energie, který kapka kapaliny (roztavené pájky) kompenzuje tím, že se snaží zaujmou tvar, který při daném objemu má co nejmenší povrch, čemuž odpovídá tvar koule. To je výslednicí účinku sil, které působí na její povrch a tento jev se nazývá povrchové napětí. U pájky je velikost povrchového napětí ovlivněna strukturou roztaveného kovu a okolního prostředí, tj. druhem tavidla, typem
Povrchové napětí
ochranné atmosféry nebo stupněm vakua. Velikost povrchového napětí se zjišťuje pro určitou teplotu a mezeru zkouškou kapilární vzlínavosti. Se stoupající teplotou povrchové napětí klesá; výjimkou je čistá měď, kde je tomu naopak. S povrchovým napětím úzce souvisejí další vlastnosti pájek, jako je smáčivost a vzlínavost v mezeře. Smáčivost
O
Schopnost tekuté pájky přilnout k čistému povrchu základního materiálu při pracovní teplotě se nazývá smáčivost. Na smáčivost má významný vliv povrchové napětí pájky. Smáčivot je hodnocena velikostí stykového úhlu .
Obrázek poměrů na dotykových plochách tří prostředí při pájení
Smáčení nastane, jestliže 0° < < 90°: Při = 0° až 15° je smáčivost dokonalá (vhodná pro kapilární pájení) Při = 15° až 75° je smáčivost dobrá (vhodná pro nánosové pájení) Při = 75° až 90° je pájka smáčivá (ještě postačuje pro nánosové pájení) Při > 90° je smáčivost špatná (pájka nevhodná pro jakýkoliv způsob pájení)
Příznivý vliv na snížení mezipovrchových napětí má vhodné legování pájky, základního materiálu a optimální podmínky pájení. Vliv má i kvalita pájené plochy. Vhodný je povrch třískově obráběný nebo tažený, nevhodné jsou leštěné povrchy. Důležitou podmínkou smáčení je také teplota. Zejména u materiálů s vysokou tepelnou vodivostí je nutné, aby teplota ještě před stykem s pájkou byla rovna minimálně teplotě solidu pájky. Jako teplotu smáčecí označujeme teplotu, kdy pájka smáčí povrch, aniž by se roztekla. Tohoto jevu se využívá především při nánosovém pájení. Při kapilárním pájení je teplota nad likvidem pájky. Pochod pájení je nevratný, tj. nelze již zpětně vytvořit kapku pájky. Vlivem vzájemné rozpustnosti a difúze dojde k vytvoření fáze mezi základním materiálem a pájkou a přitom se zpravidla změní složení použité pájky. Smáčení může nastat, pouze když se mezi některými prvky pájky a základního materiálu vytvoří tuhý roztok nebo intermetalické slitiny. Vzájemná rozpustnost kovů může být i nepatrná. Schopnost tekuté pájky roztéci se při určité teplotě po vodorovném povrchu základního materiálu nazýváme roztékavost. Roztékavost je hodnocena velikostí smáčené plochy v mm2 při konstantních podmínkách. Tímto způsobem lze např. porovnávat vhodnost různých druhů pájek a základních materiálů.
Roztékavost
Schopnost tekuté pájky vyplnit při pracovní teplotě úzkou mezerou spoje působením kapilárních sil se nazývá kapilarita.Velikost kapilární sily se určuje podle zákonů hydromechaniky pro laminární proudění. Vznik hnací kapilární síly se vysvětluje účinkem zakřivení čela postupující pájky do tvaru menisku. Při smáčení svislé stěny kapiláry se projevuje účinek úhlu smáčení.
Kapilarita
O
Obrázek smáčivosti pájky ke svislé stěně
Na velikost kapilární síly má podstatný vliv velikost mezery. Pro jednotlivé typy pájek je nutné stanovit oblast vhodnosti mezery. Obecně lze říci, že velmi malá mezera nezaručuje zatečení pájky do spoje a příliš velká je propájení nevhodná, protože přestávají působit kapilární síly. Vzlínavost pájky
Schopnost tekuté pájky vyplnit při pracovní teplotě úzkou mezeru mezi pájenými základními materiály působením kapilárních sil nazýváme vzlínavost pájky. Při stanovení vzlínavosti se stanovuje u svislého spoje výška, u vodorovného vzdálenost, kam pájka vyvzlíná. Pro svislý pájený spoj se výška vyvzlívání spočítá ze vztahu: 2Hcos h = ––––––––– gs kde: H – adhezní napětí (Nm-1) – stykový úhel (0) – hustota pájky (kgm-3) g – tíhové zrychlení (ms-2) h – kapilární vzlínavost (m)
Pro vodorovný pájený spoj lze délku zatečení stanovit ze vztahu: Hs h = –––––– 6 kde: H – adhezní napětí (Nm-1) s – velikost mezery mezi základními pájenými materiály (m) – doba potřebná pro zatečení pájky do délky h (s) – dynamická viskozita pájky (Pas) h – kapilární vzlínavost (m) Při pájení jsou tekutá pájka a základní materiál po určitou dobu ve vzájemném styku, což umožňuje vznik metalurgických reakcí ve spoji. Podle druhu pájky a základního materiálu může nastat ve spoji některá z těchto reakcí: – adhezní spojení – vzájemná difúze prvků pájky a základního materiálu – rozpouštění základního materiálu pájkou – rekce pájky s povrchovými oxidy základního materiálu Při adhezním spojení nedochází k vzájemné rozpustnosti pájky a základního materiálu (např. Pb-Fe, PbCu, Ag-Fe a dalších). Využívá se především tam, kde nesmí dojít ke změně chemického složení spojovaných materiálů (např. při výrobě Si diod). Většinou dochází k vytvoření přechodových oblastí určitých tloušťek, které mají jiné chemické, fyzikální a mechanické vlastnosti než spojované materiály, a ty potom určují užitné vlastnosti spoje. Podmínkou difúze při pájení je možnost přemístění atomů pájky a základního materiálu. Toto přemísťo-
Difúze – metalurgické reakce pfii pájení
vání je usnadněno nehomogenitou složení. Na hloubku difúze mají vliv poruchy struktury základního materiálu (vakance, dislokace), gradient teploty, vzájemná aktivita jednotlivých prvků a další. Difúzní procesy závisí také na typu a nepravidelnosti krystalové mřížky. Mohou probíhat po povrchu, po hranicích zrn nebo pomaleji v celém objemu. Difúze po hranicích zrn je zejména u austenitických ocelí nežádoucí, protože je příčinou tzv. pájecí praskavosti. Jedná se o obdobu elektrochemické koroze, kdy pájka mezi zrny vytvoří elektrolyt a porušuje soudržnost základního materiálu. Omezuje se použitím pájky, jejíž komponenty mají sníženou rychlost difúze, předchozím vyžíháním základního materiálu, snížením pracovní teploty a zkrácením doby pájení.
