MONTÁŽ SMT A THT - PÁJENÍ 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 1.1. Měkké pájení Měkké pájení (do 450 °C) je jednou z metalurgických metod spojování. V montáži elektronických obvodů a zařízení je převažující technologií. Většinou se využívá strojního pájení, které jedině umožňuje přesně dodržovat a reprodukovat technologický proces. Ruční pájení se užívá pouze v malé míře, především pro vývojové práce, přepracování a opravy. Předpokladem vytvoření správného pájeného spoje je dobré smáčení pájených povrchů roztavenou pájkou, dodržení a udržení pracovní teploty a správné dávkování pájky. Množství pájky by mělo být jen takové, aby obrysy vodiče (vývodu součástky) byly pod vrstvou pájky zřetelné a povrch pájky v řezu spojem kolmém na desku byl dutý. Na okrajích spoje musí být patrný úhel smáčení menší než 15 stupňů. Ve spoji nesmí zůstat obnažený základní kov spojovaných částí – z pájených spojů se nesmí nic dodatečně odstřihovat. Na povrchu nesmí zůstat ostré výstupky nebo známky znečištění. K zatékání pájky do spoje se využívá kapilárního vzlínání podporovaného vytvořeným kapilárním tlakem. Na tento fakt je třeba dbát při konstrukci spoje, aby velikost mezer ve spoji odpovídal užitému způsobu pájení (ruční, strojní ponorem, vlnou, přetavením aj.). Zvětšení průřezu mezery má vždy za následek prodloužení celkové doby pájení a tím i větší tepelné namáhání součástek a desek. 1.2. Postup tvorby pájeného spoje Ke zhotovení pájeného spoje je třeba provést několik základních úkonů: 1. Uvést pájené části do vhodné vzájemné pozice a fixace této polohy. 2. Nanést tavidlo a zahřátím je aktivovat. 3. Ohřát spoj na potřebnou pracovní teplotu. 4. Přivést pájku do spoje. 5. Pájený spoj ochladit. 6. Spoj očistit. Jednotlivé úkony se mohou místně i časově spojovat i rozdělovat. Způsob ohřevu a přivedení pájky do spoje charakterizují jednotlivé technologie pájení. 1.3. Tavidla, pájky a jejich formy Tavidlo redukuje oxidové vrstvy na povrchu pájeného předmětu. Povrch musí dobře smáčet, chránit již očištěný kov a také pájku před další oxidací a musí mít takovou viskozitu, aby napomohlo roztékání pájky. Tavidlo ovlivňuje povrchové napětí pájky a tím i zatékání pájky, vznik můstků a krápníků. S ohledem na požadovanou spolehlivost a stálost vlastností zapájených dílů elektronických zařízení tavidla hodnotíme nejen podle tvorby pájeného spoje, ale i z hlediska možného ohrožení budoucí funkce elektronického zařízení. Korozně aktivní a elektricky vodivé zbytky tavidel a jejich reakčních produktů jsou nežádoucí. Pro nanášení na místo pájení se tavidlo připravuje v kapalné formě. Základ tavidla – např. přírodní pryskyřice (kalafuna) s aktivujícími přísadami – je rozpuštěn v rozpouštědle (alkoholu aj.)
1.3.1 Pájky a jejich formy Podstatnou složkou měkkých pájek jsou těžké kovy s nízkou teplotou tavení, zejména cín, olovo, bizmut, a zinek. Některé pájky obsahují i antimon a indium, stříbro, měd, nikl, železo. Většinou se jedná o dvou nebo třísložkové slitiny, čisté kovy a složitější slitiny se používají pro zvláštní účely. Nejpoužívanější jsou pájky cínové – spojují se se skoro všemi kovy. Rovnovážný diagram dvousložkové slitiny cín – olovo se vyznačuje existencí eutektického bodu při obsahu 61,9% Sn, zbytek Pb, s teplotou tání 183,3ºC. Některé příměsi negativně ovlivňují vlastnosti měkké pájky SnPb – snižují její smáčivost, roztékavost, mechanickou pevnost, korozní odolnost aj. Odklon od optimálních pájecích podmínek způsobený znečištěním pájky je zvláště nežádoucí u strojního pájení. Formy pájky. Pájka jako pájecí slitina se připravuje v různých formách vhodných pro aplikace. Pro doplňování lázní v pájecích strojích má tvar tyčí. Pro ruční pájení to je drát různého průměru s jádrem (je tvořen trubičkou s jednou nebo několika dutinkami, které obsahují tavidlo za studena v plastickém stavu). Pro pájení přetavením se pájka připravuje ve tvaru drobných kuliček o průměru několika desítek mikrometru. Ty spolu s tavidlem a dalšími příměsemi upravujícími viskozitu, roztékavost a lepivost tvoří pastovitou pájku. 1.4. Ruční pájení Je rozšířené, ale poměrně nespolehlivé. Pracovník, který pájí, nedokáže dostatečně přesně opakovat všechny rozhodující úkony důležité pro kvalitu spoje. Nejistá je doba pájení, tepelné zatížení spoje i množství pájky ve spoji. Moderními přístroji kontrolovaná kvalita jasně potvrzuje špatnou reprodukovatelnost spojů prováděných ručně. Ruční pájení je proto vhodné pouze k provádění oprav chybně zapájených spojů po pájení strojním, anebo pro dodatečné připojování součástek, které z nějakého důvodu nelze pájet hromadně. Samozřejmostí je používání ruční páječky napájené nízkým napětím s regulací a stabilizací teploty – postačuje přesnost 5 K, vybavené vhodným hrotem (tvar, hmotnost, materiál odolný proti rozpouštění v pájce). Pokud jsou pájeny součástky a díly citlivé na elektrostatické výboje, musí páječka vyhovovat příslušným ustanovením souvisejících norem a je třeba její parametry periodicky ověřovat. Páječky transformátorového typu jsou z principu nepřípustné! Pájecí hrot ruční páječky musí mít tuhé spojení s rukojetí. Po zahřátí hrotu na pájecí teplotou se hrot pokryje tenkou vrstvou pájky a očistí se lehkým otřením o čistou vlhkou otírací podložku (houbovitá podložka z materiálu s jemnou strukturou, který neobsahuje síru). Na povrchu musí zůstat tenká lesklá vrstva pájky. Ta se musí udržovat na pracovní ploše hrotu po celou dobu pájení, protože zaručuje řádný přenos tepla do spoje (po přiložení hrotu a smočení pájeného povrchu se vytvoří oblast taveniny s dobrou tepelnou vodivostí a velkým průřezem). Na pájecím hrotu a na plochách mezi topným tělesem a hrotem se nesmí hromadit odlupující se vrstvy oxidů. Na obrázku je znázorněn průběh tvorby spoje. Po nanesení tavidla je spoj ohříván hrotem ruční páječky. Tavidlo je naneseno před vlastním ohřevem, nebo se při něm uvolní teplem z dutiny v trubičce pájky.
Nanášení tavidla. Smí se použít pouze povolené tavidlo podle technologického předpisu dané vyráběné desky. Samostatné tavidlo se nanáší před zahříváním spoje. Je-li použito tavidlo tekuté, musí být naneseno rovnoměrně v tenké vrstvě pokud možno pouze na plochy, které budou pájeny. Je nutné vyvarovat se nanesení nadbytečného množství, které při pájení nezreaguje a zvyšuje nároky na čisticí procesy. Použije-li se k pájení pájecí drát s jádrem, musí se držet a přikládat do spoje v takové poloze, aby tavidlo mohlo vytékat a pokrýt plochy během tavení pájky. Jestliže je součastně používáno tekuté tavidlo i pájka s jádrem, musí být tavidla stejného typu a od stejného výrobce. Zahřívání spoje. Spojované části musí být páječkou dostatečně prohřáty, aby se pájka při dotyku s nimi tavila a smáčela pájené povrchy. Nadměrná doba zahřívání, nadměrná teplota a mechanický tlak vedou jednoznačně ke vzniku nespolehlivého spoje, poškozují pájené i okolní součástky, narušují soudržnost měděných vrstev s izolantem na povrchu i v objemu plošného spoje. Aplikace pájky. Pájka se přidává až po dostatečném zahřátí spoje do oblasti na rozhraní pájecího hrotu a pájených ploch. Při pájení oboustranných a vícevrstvých desek plošných spojů s pokovenými otvory je přípustné pájet spoje na jedné straně – pájka musí sama zatéci otvory na druhou stranu. Při pájení lankových vodičů je třeba zabránit vzlínání pájky kapilárami směrem od spoje až pod izolační povlak. Doporučuje se použít chladítek a dobu ohřevu zkrátit na 2 s až 5 s. (Chladítka slouží k ochraně dílů před nadměrným zahřátím v důsledku šíření tepla po drátu (vývodu součástky). Jsou to různě tvarované kovové sponky, které se před pájením nasazují na pájený drát, lanko či vývod součástky do polohy mezi místem pájení a chráněnou součástkou.) Chladnutí spoje. Po přidání pájky do spoje a oddálení hrotu páječky je nutné zachovat nejvyšší opatrnost a zabránit jakémukoli pohybu pájených částí nejméně do okamžiku ztuhnutí pájky. Byl by narušen průběh krystalizace, namísto jemné struktury by byly krystality rozměrné a hrubé. Mechanická pevnost spoje by byla výrazně snížena. Roztavená pájka se musí nechat volně vychladnout v normálním prostředí. Je zcela nepřípustné ochlazovat spoj proudem vzduchu nebo kapaliny.
1.4.1 Ruční pájení v ochranné atmosféře V současnosti je z hlediska ochrany zdraví omezováno užívání některých těžkých kovů, především olova. Prosazováno je zavádění pájek bez olova, a to nejen na bázi dobrovolnosti. Podle legislativy EU je používání pájek bez olova v členských zemích povinné od 1. července 2006 u všech nových konstrukcí a výrob. Pájky bez olova obsahují především cín, měď. stříbro, bizmut, indium aj. Přechod na bezolovnaté pájení není bez problémů. Teploty tavení bezolovnatých pájek jsou vyšší než u olovnatých pájek. Např. pájky SnAg mají teplotu tání asi 220 až 250°C (eutektická pájka SN63Pb37 má teplotu tavení 183°C). Vlivem vyšší teplota tavení pájky dochází ke zvýšené oxidaci pájky a pájených povrchů. Následkem je horší smáčivost pájeného spoje. Snížení oxidace lze docílit použitím aktivnějších tavidel. Zbytky těchto tavidel však mohou negativně ovlivňovat spolehlivost spoje. Další způsob, jak omezit oxidaci, je zabránit přístupu kyslíku do pájeného spoje. Toho lze dosáhnout vytvořením ochranné atmosféry kolem pájeného spoje. Pro vytvoření ochranné atmosféry se používá inertních plynů (dusík, vodík, argon atd.). Nejčastěji se používá dusík. Důvodem je jeho nízká cena, nehořlavost, není výbušný. 1.5. Hromadné pájení ručním ponorem – vlečením. Při tomto způsobu pájení se deska se součástkami opatří vrstvou tavidla (nástřikem, nátěrem štětcem apod.). Potom se upevní do držáku – vozíku. Lázeň pájky je ohřáta na stabilizovanou teplotu, která je dána typem pájky (pro eutektickou pájka SnPb např. na 235 °C). Vozík se nasune do vodicí dráhy a pomalým pojezdem se přejede přes celou délku lázně. Stírátko upevněné na vozíku bezprostředně před ponorem pájených součástek setře s povrchu lázně vrstvu oxidů – strusku. Při pojezdu je deska smočena lázní do výše horní strany DPS, pájka ohřeje pájené části na optimální teplotu pájení, zateče a vyvzlíná po vývodech vložených do součástkových otvorů. Po vychladnutí se z držáků vozíku vyjmou zapájené deska a kontroluje se jejich vzhled. V případě potřeby jsou desky omytím zbaveny produktů po redukčních reakcích a zbytků nezreagovaného tavidla. 1.6. Pájení přetavením Jde o takový způsob pájení, při kterém se před vlastním procesem na povrchu pájených předmětů nanese potřebné množství pájky. Po přiložení pájených míst k sobě se tato pájka roztaví a vznikne pájený spoj. Operace dodání pájky a ohřev spoje jsou od sebe prostorově i časově oddělené. Ohřev se děje tepelným zářením, odporovým teplem, horkým plynem, předáním kondenzačního tepla aj. K uchycení součástek pro povrchovou montáž na desky se využívá lepivého účinku pastovité pájky. S ohledem na provedení vývodů na některých součástkách pro povrchovou montáž, které jsou vyrobeny ze slitiny stříbra, je používáno pájky snižující rozpouštění stříbra ve složení Sn62Pb36Ag2, jinak většinou eutektické pájky Sn63Pb. Na připojovací plošky je pastovitá pájky nanášena sítotiskem, tiskem přes šablonu, dávkovačem (dispenzerem) nebo jehlou. Pájení proudem horkého plynu Při pájení horkým plynem se teplo potřebné pro přetavení pájky získá průchodem tlakového plynu, nejčastěji vzduchu nebo dusíku, ohřívacím zařízením. Množství tepla je regulováno jednak teplotou, jednak rychlostí proudění plynu. Při ručním pájení je horký plyn usměrňován tryskou na požadované místo. Tryska mívá průměr asi 2 mm, průtok plynu je malý – asi 1 až 5 l/min. Teplota na výstupu trysky je 350 °C – 400 °C. Při pájení
vícevývodových pouzder musíme zajišťovat kontinuální rovnoměrný pohyb trysky po všech pájených vývodech. Jsou-li rozměrné součástky chladné (na teplotě 20 až 25°C) trvá proces pájení až několik jednotek a desítek vteřin. Pokud jsou pájené předměty předehřáty na teplotu asi 100 až 150°C proběhne pájecí proces rychleji. Pájení horkým plynem se využívá především v opravářské technice, kde je výhodné lokální ohřívání. Bezdotykové trysky mohou být uspořádány do podlouhlých štěrbin, takže lze ohřívat celé řady vývodů součastně. U plochých pouzder nebo u čtvercových pouzder se tak ohřívají všechny vývody jednoho integrovaného obvodu. Kromě toho je ohřev horkým plynem (vzduchem) často používaným způsobem ohřevu řadových pájených spojů v opravářské technice při vyjímání pouzder FP, QFP. Obvod je přitom přichycen vakuovou pipetou, takže v okamžiku roztavení pájky je součástka zvednuta a ohřev je ukončen.
2. ZAŘÍZENÍ A PŘÍSTROJE Kombinovaná odsávačka – horkovzdušná páječka firmy PACE. Při použití k demontáži vývodových součástek z desek plošných spojů se připojuje ohřívaná odsávačka jednak k výstupu napájení s regulací teploty dutého hrotu, jednak k vývěvě. Pájka roztavená dutým hrotem je kanálkem vysávána a zachycuje se v zásobníku ukrytém v tělese odsávačky. Sání se ovládá spouští na držadle. Pro pájení horkým vzduchem se horkovzdušná páječka připojí jednak k výstupu napájení, jednak na výstup kompresoru s nastavitelným průtokem vzduchu. Správná funkce odsávačky nebo horkovzdušné páječky je zaručena pouze tehdy, je-li zcela volná právě nepoužívaná vývodka vývěvy nebo kompresoru. Teplotu lze u obou nástrojů regulovat v rozsahu uvedeném na nastavovacím prvku. Pro odsávání i pájení je vhodné nastavení na asi 400°C. Umístění ovládacích prvků je patrné z obrázku.
Tlakový dávkovač (dispenzer) – vakuová pipeta firmy PACE. Zařízení v sobě obsahuje jednak zdroj tlakového vzduchu (kompresor s větrníkem), jednak kontinuálně pracující membránovou vývěvu. Na výstup tlakového vzduchu se připojuje zásobník s pastovitou pájkou nebo s lepidlem („injekční stříkačka“) s volně pohyblivým pístem. Na výstup zásobníku je nasazena dutá jehla. Na spodní část zásobníku se nasazuje objímka s tlačítkem ovládajícím spouštění dávkovacího cyklu. Vlastní dávkování řídí elektronický časovač s nastavitelnou dobou otevření elektromagnetického ventilu připouštějícího tlakový vzduch nad píst zásobníku. Touto dobou se řídí množství vytlačené pájky (lepidla). Aby dopružováním plynu nad pístem po uzavření ventilu nebylo vytlačováno další nežádoucí množství látky, je prostor nad pístem automaticky na malý okamžik připojen k podtlaku a přetlak rychle snížen zpětným sáním. Zařízení umožňuje i automatické opakování dávkovacího cyklu bez nutnosti opakovaného stisku spouště. K vývěvě je stále připojena vakuová pinzeta. Její funkce se snadno ovládá uzavíráním nebo uvolňováním otvoru na dolní části držadla prstem. Při uzavření nasává vývěva vzduch dutou jehlou, kterou je tak možné manipulovat s drobnými součástkami pro povrchovou montáž. Při potřebě uchopit součástky rozměrnější se na jehlu nasazuje přísavka z umělé hmoty zvětšující plochu styku. Umístění ovládacích prvků je patrné z obrázku.
Horkovzdušná pícka. Slouží k nutným ohřevům prstovité pájky a lepidla v průběhu jejich zpracování. Po nanesení pastovité pájky a vsazení součástek je nutné odstranit těkavé složky pasty, aby nedošlo při rychlém ohřátí horkým vzduchem k jejich explozi a rozstříknutí kuliček pájky do okolí spoje. Odpaření nastane ohřevem osazených desek při teplotě asi 110 °C po dobu 5 minut.
Pájecí stanice pro pájení pod dusíkem PACE SODRTEK, model ST 45N. Pájecí stanice je vybavena tryskou pro dusík, která je umístěna v těsné blízkosti pájecího hrotu (viz obrázek). Průtok dusíku by se měl pohybovat v rozmezí 0,5 až 2,5 litrů za minutu. Proudění dusíku je možno kontrolovat plováčkovým průtokoměrem. Tělísko průtokoměru by se mělo pohybovat mezi hodnotami 2 až 3 na stupnici průtokoměru. Přívod dusíku je ovládán elektromagnetickým ventilem, který se spouští nožním pedálem. Teplota je nastavena na 290°C. Bude použita pájka Sn95Ag3,8Cu0,7 s teplotou tavení cca 220°C.
3. ZADÁNÍ ÚKOLU a) Osazení a pájení vývodových součástek v pájecí lázni b) Montáž součástek pro povrchovou montáž na desky plošných spojů pomocí pastovité pájky a pájení přetavením horkým vzduchem c) Pájení drátových vývodů bezolovnatou pájkou d) Vizuální hodnocení kvality pájených spojů pomocí lupy
