Abstrakt: Abstract: Klíčová slova: Keywords:

Transkript

1

2

3 Abstrakt: Tato diplomová práce se zabývá problematikou pájecího procesu ve výrobě přístrojových transformátorů. Shrnuje základní poznatky z pájecího procesu, bezolovnatých slitin a z vybraných testovacích metod pájeného spoje. V praktické části je řešena analýze výrobního procesu z hlediska pájecích operací, testování vybraných bezolovnatých slitin, které jsou uvažovány jako náhrada za olovnatou slitinu - doposud používané ve výrobním procesu. V závěru práce je provedena optimalizace výrobního procesu za účelem zmenšit provozní náklady a zvýšit kvalitu. Abstract: This diploma thesis deals with the soldering process in manufacturing instrument transformers. It summarizes the knowledge of soldering process, lead-free alloys and test methods selected solder joint. In the practical part is the analysis the manufacturing process in terms of soldering operations, testing of selected lead-free alloys, which are considered as a replacement for lead-based alloy - now used in the manufacturing process. The conclusion is optimized manufacturing process to reduce operating costs and improve quality. Klíčová slova: bezolovnatá pájka, ABB, ruční pájení, indukční pájení Keywords: lead-free solder, ABB, hand soldering, induction soldering

4 Bibliografická citace ŠULA, M. Optimalizace procesu pájení ve výrobě přístrojových transformátorů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc.. Prohlášení Prohlašuji, že svoji diplomovou práci na téma Optimalizace procesu pájení ve výrobě přístrojových transformátorů jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrálního projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedeného diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením tohoto projektu jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 22. května podpis autora Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Ivanu Szendiuchovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování projektu. Dále bych chtěl poděkovat firmě ABB s.r.o. za možnost použití jejich vybavení a odbornou pomoc. V Brně dne 22. Května podpis autora

5

6 Obsah Úvod Problematika výroby transformátorů v ABB Nástin organizace společnosti ABB Princip transformátorů Zkoušky transformátorů Oteplovací zkoušky Měření přesnosti Měření ztrátového úhlu Pájené spoje a vodivé propojení Proces pájení Tavidlo Pájecí slitiny Druhy pájení a teplotní profily Spolehlivost pájených spojů a metody testování Stárnutí materiálů Mechanické namáhání Měření smáčivosti Metoda navzlínání Metoda roztékavosti Měření teploty Dostupné technologie spojování materiálů Lisovaný spoj Postup zavedení bezolovnatého pájení Experimentální část Analýza současného stavu Seznam pracovišť a popis současného stavu Návrh a příprava experimentu Přímé testování vybraných slitin Měření odporu Vizuální testování Testování pevnosti Metoda smáčecích vah Měření navzlínání pájky Měření roztékavosti pájky

7 Inviduální testování operátora Vyhodnocení výsledků měření výběr slitiny Výsledky testovací serie Oteplovací zkoušky Chyba úhlu Optimalizace procesu revize postupů za účelem úspory Školení zaměstnanců Výběr nových zařízení pájedla Revize postupů za účelem úspory Budoucnost pájení v ABB Závěr Seznam použité literatury a zdrojů informací

8 Seznam obrázků Obr. 1 Schéma transformátoru...13 Obr. 2 Zapojení přístrojového transformátoru při oteplovací zkoušce...15 Obr. 3 Fázový diagram slitiny SnPb se znázorněním eutektického složení Sn 63 Pb 37 [7]...19 Obr. 4 Rozdílné vlastnosti pájecích slitin [6]...19 Obr. 5 Vliv příměsí na slitinu cínu [6]...21 Obr. 6 Ideální pracovní teplota hrotu pro pájku Sn63Pb37[6]...22 Obr. 7 Simulace teplotního profilu při ručním pájení [6]...22 Obr. 8 Ruční pájení a)nesprávná technika b)správná technika[7]...23 Obr. 9 Vliv složení pájky na rozsah koroze po 2000cyklech[9]...24 Obr. 10 Detailní popis smáčecí charakteristiky[9]...27 Obr. 11 Příklady různých typických průběhů časové závislosti smáčecí síly[9]...28 Obr. 12 Poloha síly F 2 /t 2/3 v smáčecí charakteristice [20]...28 Obr. 13 Princip metody roztékavosti [9]...29 Obr. 14 Přístroj na měření teploty...29 Obr. 15 multimetr na měření teploty...29 Obr. 16 termokamera...29 Obr. 17 Příklad lisovaného spoje - přibližná velikost jako u primárních svorek...30 Obr. 18 Pneumatický stroj na lisování spoje...30 Obr. 19 Schematický pohled na výrobní halu...32 Obr. 20 pájedlo [15]...33 Obr. 21 Páječka Konrád T w [16]...34 Obr. 22 Páječka Konrád T w [16]...34 Obr. 23 Páječka T w [16]...34 Obr. 24 kabel...35 Obr. 25 Svorka...35 Obr. 26 Detail pájeného spoje...35 Obr. 27 Teplotní profil pájení...36 Obr. 28 Pájedlo 100W...37 Obr. 29 Detail hrotu...37 Obr. 30 Teplota hrotu...37 Obr. 31 Pájedlo 100W...38 Obr. 32 Detail černého hrotu...38 Obr. 33 Pájený spoj drátku s ploškou...38 Obr. 34 Pájedla 100W a 300W...39 Obr. 35 Pájedlo 300W...39 Obr. 36 Pájecí voda...39 Obr. 37 Pájedlo 250W...40 Obr. 38 Nový hrot...40 Obr. 39 Pájený spoj - konektor...40 Obr. 40 Pohled na pracoviště s mikropájkou + odsávání...41 Obr. 41 Detail hrotu mikropájky...41 Obr. 42 Příklad pájeného spoje

9 Obr. 43 Zoxidovaný hrot...42 Obr. 44 Pájený spoj...42 Obr. 45 Pájený spoj měděného drátku...42 Obr. 46 Typy svorek...43 Obr. 47 Příklad neudržovaného hrotu...43 Obr. 48 Mikropájka s indikátorem pracovní teploty...43 Obr. 49 Detail udržovaného hrotu...44 Obr. 50 Detail pájení drátu s dutinkou...44 Obr. 51 Pájený spoj s dutinkou...44 Obr. 52 Změna odporu Rn v závislosti na stárnutí materiálu v mrazáku (-25 C) po dobu X hodin...47 Obr. 53 Změna odporu Rn v závislosti na stárnutí materiálu v peci (+150 C) po dobu X hodin..48 Obr. 54 Mikroohmetru Megger DLRO200 s 4vodičovými svorkami...48 Obr. 55 Testovaný primární vodič upnuty ve svorkách mikroohmetru...48 Obr. 56 Odpor na metr - průměr ze 3 vzorků...49 Obr. 57 Změna odporu celého transformátoru v čase měřeny primární svorky (vzorek umístěn 6měsíců v teplotní komoře)...49 Obr. 58 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z Obr. 59 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z Obr. 60 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z Obr. 61 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn96Ag4 + MTR Obr. 62 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 +MTR Obr. 63 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 +MTR Obr. 64 Nestárnutý vzorek pájky Chemet Sn96Ag Obr. 65 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Chemet Sn96Ag Obr. 66 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky Chemet Sn96Ag Obr. 67 Nestárnutý vzorek pájky Chemet Sn99Cu Obr. 68 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Chemet Sn99Cu Obr. 69 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky Chemet Sn99Cu Obr. 70 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn97Cu3 + Z Obr. 71 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ Z Obr. 72 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ Z Obr. 73 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn97Cu3 + MTR Obr. 74 Stárnutý vzorek 40h při 150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ MTR Obr. 75 Stárnutý vzorek 100h při 150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ MTR Obr. 76 Nestárnuty vzorek pájky Marmot Sn99Cu1NiP...53 Obr. 77 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Marmot Sn99Cu1NiP...53 Obr. 78 Stárnutý vzorek 100h při +150 C pájky Marmot Sn99Cu1NiP...53 Obr. 79 Trhací zařízení o síle 25kN...54 Obr. 80 Vzorek umístěný do trhacího stroje...54 Obr. 81 Příklad utrhnutého spoje - přetržený kabel...54 Obr. 82 Příklad destrukce pájeného spoje...54 Obr. 83 Pevnost Varia kabelu ve svorce v závislosti na množství pájky...55 Obr. 84 Meniskograf

10 Obr. 85 Ponoření vzorku do roztavené slitiny - Meniskograf...56 Obr. 86 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu Sn63Pb Obr. 87 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu CHEMET Sn99Cu Obr. 88 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu SACX Obr. 89 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu SAC Obr. 90 Pracoviště s mikroskopem Olympus...60 Obr. 91 Naměřená velikost navzlínání u testovaných vzorků (pomocí mikroskopu Olympus)...60 Obr. 92 Navzlínání slitiny Sn63Pb37 na měděný drátek dle typu tavidla...60 Obr. 93 Navzlínání slitiny SACX0307 na měděný drátek dle typu tavidla...61 Obr. 94 Navzlínání slitiny SACX0305 na měděný drátek dle typu tavidla...61 Obr. 95 Navzlínání slitiny Chemet Sn99Cu1 na měděný drátek dle typu tavidla...62 Obr. 96 Definované množství slitiny před přetavením...63 Obr. 97 Roztečení slitiny na měděné plošce po přetavení...63 Obr. 98 Roztečení dle typu pájky...63 Obr. 99 Roztečení pájky dle typu tavidla...64 Obr. 100 Otepleni 1. a 2. sec. vinutí...66 Obr. 101 Otepleni 1. a 2. prim.svorkovnice...66 Obr. 102 VT - chyba napětí a úhlu - průměr...67 Obr. 103 Nové pájedlo od společnosti + stojan a čištící dratěnka [19]...68 Obr zařízení k odsavání a filtrování zplodin [17]...68 Obr. 105 Revize velikosti primární svorky...69 Obr. 106 Použití pájecích kleští...69 Obr. 107 pájky [18]...69 Obr. 108 Upínací přípravek...69 Obr. 109 Budoucí náhrada pracoviště č.1 [19]...70 Seznam tabulek Tab. 1 Dovolené chyby proudu a úhlu pro měřicí transformátory proudu [4] Tab. 2 Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO [7]...17 Tab. 3 Úrovně relativní (chemické) aktivity a hodnoty tvrdosti podle Brinella pro možné pokovovací materiály[9]...24 Tab. 4 Používané slitiny...33 Tab. 5 Používané pájedla [16]...34 Tab. 6 Přehled testovaných pájek...45 Tab. 7 Testovaná tavidla...45 Tab. 8 Testované materiálové kombinace s naměřenými hodnoty sil...54 Tab. 9 Výsledek porovnání tavidel dle F 2 /t 2/ Tab. 10 Vyhodnocení chyby úhlu...66 Tab. 11 Pořizovací náklady zařízení (pracoviště senzorů) s předpokládanou návratností...68 Tab. 12 Úspora při změně svorky a množství pájky za rok

11 Úvod Pájení je metalurgické spojení dvou a více kovů roztavenou pájkou. V elektrotechnickém průmyslu slouží k elektrickému propojování vodivých materiálů. Samotný proces pájení ovlivňuje mnoho faktorů, které je nutné optimalizovat, aby výsledný spoj měl nejvyšší možnou jakost. Od roku 2005 je schválena norma RoHS Directive 2002/95/EC a WEEE Directive 2003/108/EC, která omezuje použití nebezpečných látek v elektrotechnice. Mezi tyto nebezpečné látky patří i olovo, které bylo do té doby hojně používané jako pájecí slitina (většinou její eutektické složení Sn 63 Pb 37 ). V důsledku plošného zavedení této normy jsou olovnaté pájky postupně nahrazovány za bezolovnaté, tento krok však sebou přináší mnoho problémů, které je v pájecím procesu třeba optimalizovat. Mezi hlavní problémy patří různé mechanické a elektrické vlastnosti některých kombinací slitin. Dalšími problémy bezolovnatých pájek, vzhledem k zavedení do výroby, je větší agresivita pájky, vyšší pracovní teplota a vyšší cena. Proto je cílem práce také doporučení a zavedení vhodné materiálové kombinace a optimalizace pracovních postupů s minimálním navýšením výrobní ceny a se zachováním jakosti výrobků. Předložená diplomová práce, jejíž zadání vychází z požadavků společnosti ABB, shrnuje současný stav pájení ve výrobě přístrojových transformátorů a je zaměřena na optimalizaci pájecího procesu ve vybrané oblasti. Podrobně jsou analyzovány spojované materiálové kombinace, typy přístrojů, typy pájecích slitin, teplotní profil a celkový postup pájení. Vzhledem k nutnosti nahradit olovnaté pájky ve výrobě se tato práce dále zabírá výběrem vhodné bezolovnaté pájky v kombinaci s tavidlem. Za tímto účelem je vybráno několik pájecích slitin, které jsou následně testovány. Cílem zkoušek je ověření vlastností bezolovnatých pájek tak, aby bylo nalezeno několik typů slitin, které vyhovují procesům pájení v divizi IT&S. A to jak po stránce technologické tak i ekonomické. 11

12 1. Problematika výroby transformátorů v ABB 1.1.Nástin organizace společnosti ABB Společnost ABB Ltd. se sídlem ve švýcarském Curychu je jednou z předních světových firem poskytujících technologie pro energetiku a automatizaci. V současné době má firma ABB ve světě přes zaměstnanců působících ve více než 100 zemích. V České Republice je ABB zastoupena svoji dceřinou společností ABB s.r.o., která na našem území působí již od roku V současné době má přes 3500 zaměstnanců. Portfolio společnosti je tak rozsáhlé, že je organizace členěna na několik divizí. Na území České Republiky se jednotlivé divize nachází celkem v osmi lokalitách, kterými jsou Brno, Praha, Ostrava, Jablonec nad Nisou, Trutnov, Plzeň, Most a Teplice [13]. Hlavní náplní jednotlivých divizí a jednotek jsou: výrobky pro energetiku (Power Products) systémy pro energetiku (Power Systems) automatizace výroby a pohony (Discrete Automation and Motion) výrobky nízkého napětí (Low Voltage Products) procesní automatizace (Process Automation) Divize Výrobky pro energetiku (Power Products) sídlí v Brně na ulici Vídeňská a zabývá se výrobou přístrojových transformátorů a senzorů pro VN. Součástí divize je technologické centrum, které se zabývá výzkumem a vývojem nových výrobků. Předložená diplomová práce je zaměřena na optimalizaci vybraných výrobních procesů v této divizi. Jsou to především následující produkty: Proudové transformátory: Transformátory proudu se používají k transformaci vysokých proudů standardizovaných hodnot pro ovládací zařízení, jako jsou relé. Primární vinutí v proudovém transformátoru je začleněno v řadě a nese proud, který teče v síti. Velikost sekundárního proudu je závislá na poměru transformátoru. Napěťové transformátory: Transformátory napětí slouží k transformaci vysokého napětí standardizovaných hodnot pro ovládací zařízení. ABB venkovní transformátory napětí jsou v jednofázovém provedení a jsou určeny pro spojení mezi fází a zemí v sítích s izolovaným nebo přímo uzemněným středním bodem. Senzory: Senzory nabízejí alternativní způsob měření proudů a napětí pro chránění a monitorování v aplikacích vysokého napětí. ABB senzory nabízejí optimalizované rozměry, vylepšené provozní vlastnosti a zvyšují bezpečnost v rozváděčích vysokého napětí. Hi-voltage transformátory: Hi-voltage transformátory slouží k transformaci velmi vysokého napětí standardizovaných hodnot [13]. 12

13 1.2.Princip transformátorů Přístrojové transformátory jsou vesměs transformátory s feromagnetickým obvodem, většinou plně zavřené. Pro pochopení základní funkce transformátoru je třeba znát náhradní schéma a jemu příslušný vektorový diagram., z nichž lze odvodit podmínky pro přesnost transformace primárních veličin na stranu sekundární, funkce za různých provozních stavů aj. Princip transformátoru je založen na fyzikálním jevu elektromagnetická indukce, kterou objevil v roce 1831 Michael Faraday. Faradayův zákon elektromagnetické indukce: Změní-li se magnetický indukční tok ve vodiči za dobu t o ϕ, vzniká ve vodiči indukované elektromotorické napětí, jehož střední hodnota je. Rozlišujeme dvě hlavní formy řešení transformátorů a to jednofázové a třífázové (tento typ se v analyzované výrobě nevyrábí, proto nebude dál rozebírán). Obecně je jednofázový transformátor tvořen dvěma cívkami (primární a sekundární cívka) se společným ocelovým jádrem. Primární cívka je připojena ke zdroji střídavého napětí U 1 a prochází jím střídavý proud I 1. Tento procházející proud vytváří v jádře transformátoru proměnné magnetické pole a v libovolném závitu sekundární cívky se indukuje napětí [1]. (1) Obr. 1 Schéma transformátoru - závity cívek jsou navzájem spojeny za sebou, takže napětí na jednotlivých závitech se sčítá celkové napětí na primární cívce s N 1 závity bude (2) 13

14 - pokud má primární cívka zanedbatelný odpor, má indukované napětí stejnou velikost jako připojený zdroj, má však opačnou fázi transformační poměr transformátoru (3) (4) - napětí se bude buď zvětšovat, nebo zmenšovat: k > 1 = transformace nahoru - U 2 > U 1 - na výstupní cívce bude větší U (více závitů) k < 1 = transformace dolů - U 2 < U 1 - na výstupní cívce bude menší U (méně závitů) - účinnost transformátorů je 90-98% protože dochází k malým ztrátám, které zahříváním vodičů cívek, periodickým magnetováním jádra - příkon je tudíž skoro stejný jako výkon P = P 0 tzn. (5) při transformaci nahoru bude větší U 2, ale menší I 2 - tzn., že proudy se transformují v obráceném poměru počtu závitů Základní děleni transformátorů proudového typu je u společnosti ABB[13]: TPU 4x.xx TPU 5x.xx TPU 6x.xx 14

15 1.3.Zkoušky transformátorů Oteplovací zkoušky Zkoušené transformátory mají být při této zkoušce připojeny 1 až 1,5m dlouhými přípojnicemi (viz. Obr. 2), které jsou dimenzovány dle normy ČSN (pro jmenovitý proud transformátoru). Následně se měří oteplení, neboli teplota, toto může být měřeno celou řadou metod, například pomocí termočlánků, termistorů aj. Teplota měděného vinutí se zpravidla určuje z přírůstku odporu podle vzorce (6) Kde R t odpor teplého vinutí (ohm), R a odpor vynutí za studena (ohm), teplota vynutí za studena ( C). teplota vynutí ( C), Obr. 2 Zapojení přístrojového transformátoru při oteplovací zkoušce Takto vypočtená teplota je střední teplota celého vynutí (některé části mohou mít teplotu vyšší). Dle teorie se však nepředpokládá, že rozdíl proti střední teplotě nepřekročí 10 C. Určení samotného oteplení z přírůstku odporu je pracné a zdlouhavé, proto se pro urychlení používá nomogramů. Oteplovací zkouška se provádí tak dlouho, pokud přírůstek oteplení za hodinu je větší než 2 C. Do oboru oteplení je třeba zařadit i vliv okolní teploty, protože dovolené hodnoty oteplení jsou stanoveny pro určitou maximální a minimální okolní teplotu. U transformátorů zalitých do epoxidové pryskyřice je navíc nebezpečí prasknutí odlitku a následného narušení izolace při teplotě pod bodem mrazu. Hlavně u transformátorů pro venkovní užití, u kterých je nutné podstoupit zkoušku oteplení při nízké teplotě[1]. 15

16 Měření přesnosti Při měření přesnosti se kontroluje, zda u přístrojového transformátoru v předepsaném rozsahu nepřekročí skutečná chyba dovolenou hranici příslušné třídy přesnosti. První měření přesnosti se zpravidla provádí na částečně smontovaném výrobku. Dle naměřených hodnot se určí dodatečné úpravy a popřípadě se provede závitová korekce. Dále se měří přesnost po dokončení montáže na hotovém transformátoru[1]. Tab. 1 Dovolené chyby proudu a úhlu pro měřicí transformátory proudu [4]. Pro měření přesnosti přístrojových transformátorů byla vyvinuta řada zkušebních metod a měřících zařízení, které se od sebe liší principem, provedením i přesností. Nejjednodušší způsob k zjištěni převodu přístrojového transformátoru, a tím i jeho chyb, je změření primární veličiny a její porovnání ze změřenou sekundární veličinou. Však zkoušený transformátor musí být zatížen příslušným břemenem. Sekundární proud či napětí se přitom měří ampérmetrem či voltmetrem a primární veličinu zjistíme pomocí jiného známého měřícího transformátoru proudu či napětí, na jehož sekundární stranu je připojen příslušný měřicí přístroj. Z naměřených hodnot prim. a sekund. veličin následně určíme převod transformátoru, který porovnáme se jmenovitým převodem a tím tak vypočteme chybu napětí či proudu. Chybu úhlu tímto způsobem však nezjistíme [1] Měření ztrátového úhlu Některé skryté závady nelze odhalit výše popsanými zkouškami. Proto se provádí měření ztrátového úhlu, které mohou odhalit skryté závady, jako vzduchové dutiny v izolaci. Jeden z nejznámějších způsobů měření je Scheringuv můstek na měření kapacity a ztrátového úhlu tg δ. [- ; A] (7) Ztrátový úhel tg δ udává poměr ztrátového proudu I w k proudu kapacitnímu I ic a je měřítkem ztrát v izolantu. Z velikosti a průběhu ztrátového uhlu lze zjistit kvalitu izolace [1]. 16

17 2. Pájené spoje a vodivé propojení Pod pojmem pájený spoj technická literatura definuje metalurgické spojování dvou a více kovů pomocí třetího kovu. Tato činnost se obecně nazývá pájení, které se dělí na měkké a tvrdé. K měkkému pájení používáme pájky s bodem tavení do teploty 450 C a k tvrdému pájení od 450 do 1100 C. V elektronice používáme měkké pájení slitin cínu. Slouží nám k mechanickému upevnění a elektrickému spojení dvou a více materiálů [7]. 2.1.Proces pájení Pro spolehlivý pájený spoj je zapotřebí vhodný výběr vstupních faktorů a jejich vzájemná materiálová kompatibilita. Mezi tyto faktory patří tavidlo, pájecí slitina a způsob pájení s vhodným teplotním profilem Tavidlo Tavidla nám usnadňují proces pájení a zlepšují vlastnosti výsledného spoje. Při zahřátí tavidla se v tavidle aktivují chemické reakce, které pomáhají odstranit z povrchu pájeného materiálu oxidy, nečistoty a chrání proti oxidaci během procesu pájení. Další důležitou vlastností tavidla je její reakce s oxidy, která zvyšuje povrchové napětí pájeného povrchu a tím zlepšuje smáčivost pájky. Základní dělení tavidel je na kapalné, plynné a tuhé. Nejznámější a nejpoužívanější tavidlo je kalafuna (přírodní pryskyřice). Funkce tavidla: chemická funkce odstraňuje z povrchu oxidy, nečistoty a brání deoxidaci povrchu fyzikální funkce snižuje povrchové napětí slitiny a zvyšuje povrchové napětí pájeného povrchu, pájka se pak lépe rozteče tepelná funkce zlepšuje přenos tepla od pracovního nástroje k pájenému místu Složení tavidla: tavidlový nosič (přírodní pryskyřice, syntetická pryskyřice, organická kyselina) aktivátor (různé kyseliny, které odstraňuji oxidy kovů např. halogenidy) rozpouštědlo (např. alkoholy, voda) aditiva (upravují vlastnosti tavidla např. stabilizátory pěny) Tab. 2 Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO [7] 17

18 Pájecí slitiny Pod pojmem pájecí slitina se rozumí slitina vhodných kovů pro spojení pájených materiálů. Budeme-li uvažovat pouze o měkkém pájení, tak je v elektrotechnice nejpoužívanější slitina cínu a dalšího prvku. V roce 2006 byla schválena norma RoHS, která zakazuje použití vybraných látek v průmyslu. Mezi tyto látky patří také olovo, které bylo hojně používané pro měkké pájení. Proto se pájecí slitiny začali dělit na olovnaté a bezolovnaté tzv. Leadfree. Dále se pájecí slitiny dělí dle skupenství na tuhé pájky a pájecí pasty. Tuhé pájky se většinou provádí ve formě trubičkové pájky (s tavidlem nebo bez) a slouží k ručnímu pájení nebo k pájení vlnou. Naopak pájecí pasty slouží k povrchové montáži DPS. Požadavky na pájený spoj[6]: mechanické upevnění dobrá smáčivost hladký lesklý povrch pevný spoj časová stálost, žádná oxidace žádné intermetalické sloučeniny dobrá elektrická vodivost nízká cena pájky Olovnaté slitiny Mezi olovnaté slitiny řadíme veškeré pájecí slitiny s obsahem olova. Takovéto slitiny jsou zakázané normou RoHS a mohou být použity pouze ve specifických aplikacích, které tato norma uvádí (např. v leteckém průmyslu, armádě, atd.). Hlavním představitelem olovnatých slitin je slitina Sn63Pb37, která obsahuje 63% cínu a 37% olova tzv. eutektickém složení. Důležitou předností takové slitiny je souměrný přechod z tuhého (solid) do kapalného skupenství (liquid) a také přesně definovaná teplota tání (183 C eutektický bod)[7]. Vybrané vlastnosti olovnatých slitin rychlé souměrné chladnutí vysoká pevnost spoje odolnost proti oxidaci dobrá vzlínavost slitiny hladký a lesklý povrch dobrá tekutost slitiny v kapalném skupenství (liquid) vynikající smáčivost slitiny časová stálost spoje 18

19 Obr. 3 Fázový diagram slitiny SnPb se znázorněním eutektického složení Sn 63 Pb 37 [7] Bezolovnaté slitiny Nutnost přechodu na bezolovnaté slitiny sebou přináší celou řadu problémů. Bezolovnaté slitiny mají rozdílné vlastnosti proti olovnatým. Jak ukazuje Obr. 4, některé bezolovnaté slitiny vykazují určité lepší vlastnosti, než olovnatá slitina, avšak také některé horší vlastnosti, proto je potřeba vybrat klíčové vlastnosti pro danou aplikaci a dle nich určit vhodnou bezolovnatou slitinu. Obr. 4 Rozdílné vlastnosti pájecích slitin [6] 19

20 Některé nedostatky bezolovnatých slitin vůči olovnatým horší smáčivost vyšší výskyt intermetalických sloučenin praskliny spoje způsobené nesouměrným tuhnutím slitiny drsnost povrchu, tzv. pomerančová kůra poměrně neodzkoušená slitina neodzkoušený vliv stárnutí na vlastnosti spoje agresivní slitina rozpouští pracovní nástroje (větší opotřebení) vysoká teplota tavení slitiny dražší provozní náklady přístrojů vyšší cena proti olovnatým slitinám Přehled vlivu na vlastnosti spoje pro nejpoužívanější příměsi v pájecí slitině Stříbro (Ag) - snížení bodu tavení, lepší smáčení, zlepšení pevnosti spoje Bizmut (Bi) - snížení bodu tavení, lepší smáčení Med (Cu) - zlepšení pevnosti spoje Zinek (Zn) - nízká teplota tání, nízká cena Antimon (Sb) - zlepšení pevnosti spoje, snížení povrchového napětí pro zlepšení roztékavosti a prevenci nadzvedání součástek (tombstoning) Indium (In) - snížení bodu tavení Nikl (Ni) - zabraňuje odsmáčení Germanium (Ge) - zabraňuje oxidaci 20

21 Obr. 5 Vliv příměsí na slitinu cínu [6] Typy bezolovnatých slitin: Bezolovnatá slitina: SnAgCu - SAC Její nejznámější a nejpoužívanější složení je pájka SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5), která svými vlastnostmi v řadě ohledů převyšuje olovnatou slitinu. Jedná se o nejpoužívanější bezolovnatou slitinu a to zejména pro pájení vlnou. Bezolovnatá slitina: SnCu SC Jedna z nejvíce používaných bezolovnatých slitin a to zejména díky nižší ceně. Mezi hlavní zástupce se dá považovat slitina SC (Sn 99,3% Cu0,7%). Jedná se o pájku eutektického složení, která však netuhne jako eutektická růst cínových dendritů. Dalším nejznámějším zástupcem je slitina SN100C, která se hojně využívá při pájení vlnou. Složení SN100C je Sn 99,3% Cu0,7% Ni0,01% Ge0,05%. Díky stopovému množství niklu a germania jsou vylepšeny některé vlastnosti slitiny SC např. smáčivost 21

22 Druhy pájení a teplotní profily K samotnému procesu pájení slouží mnoho nástrojů, které pracují na několika principech. Základní dělení těchto nástrojů je na ruční pájení, pájení vlnou a pájení přetavením. Dále lze pájení dělit dle způsobu přenosu tepla[6]: vedení (kondukce) proudění (konvekce) záření (radiace) Ruční pájení Při ručním pájení je hlavní zajistit efektivní přenos tepla v rozmezí optimálních pracovních teplot. Přenos tepla je realizován pomocí vedení (kondukce). Ideální pracovní teplota hrotu by měla být o 80 až 100 C vyšší než teplota tání pájecí slitiny. Rozmezí ideální teploty hrotu pro olovnatou pájku Sn63Pb37 je zobrazeno na Obr. 6. Dále je nutné dodržet teplotní profil pro ruční pájení, který by se měl pohybovat dle Obr. 7. Důležité je dodržení ideální doby pájení za ideální teploty hrotu. Tato ideální doba pájení je v rozmezí 4-10s. Obr. 6 Ideální pracovní teplota hrotu pro pájku Sn63Pb37[6] Obr. 7 Simulace teplotního profilu při ručním pájení [6] U ručního pájení má na kvalitu pájeného spoje významný vliv lidský faktor - zručnost a technická zdatnost operátora. Během pájení je totiž nutné dostatečné prohřátí pájeného spoje a dodání pájky přímo na pájené místo a ne častý, však nesprávný způsob přidání trubičkové pájky na hrot. V průběhu pájení se lze setkat s tzv. marangonim efektem, kde má pájka snahu téct k směru vyšší teploty. 22

23 Obr. 8 Ruční pájení a)nesprávná technika b)správná technika[7] Operátor si musí zvyknout na jiný způsob pájení s bezolovnatou pájkou. Pájení s bezolovnatou pájkou nikdy nebude stejné jako s olovnatou, proto je důležité před zavedením bezolovnaté pájky provést školení operátorů. Zásady pro ruční pájení netlačit na hrot - nezvýší se tím přenos tepla, ale poškodí se hrot je-li potřeba lepší přenos tepla použít větší pracovní nástroj (hrot) nezvyšovat nastavenou teplotu hrotu vyšší teplota neznamená rychlejší a kvalitnější spoj (ale je tomu naopak) udržovat hrot v dobrém stavu (viz. životnost hrotů) Zařízení pro ruční pájení lze rozdělit na dva základní principy: regulovatelná pracovní teplota teplota hrotu je snímána teplotním čidlem a regulována fixní pracovní teplota hrot je zahříván na předem danou teplotu dle výkonu topného tělesa páječky Životnost hrotů Je důležité si uvědomit, že hrot pájedla je spotřební materiál a po určité době se opotřebí a musí být nahrazen. Pořizování nových hrotů však znatelně prodražuje samotný proces, proto je mnohem ekonomičtější dodržovat správnou údržbu a tím zajistit delší životnost hrotů. V dnešní době je většina používaných hrotů z velké části tvořena mědí, především pro její vynikající přenosovou teplotu. Jak je ale znázorněno v Tab. 3, relativní (chemická) aktivita mědi je mnohem menší než relativní (chemická) aktivita cínu. Z toho nám vyplývá, že aktivnější materiál (v našem případě cín) začne postupem času nahrazovat měď v hrotu a hrot se bude užírat. Proto je většina hrotů opatřena ochrannou vrstvou z materiálu s relativně vyšší aktivitou (většinou ze železa Fe). Železo má však proti mědi 5x horší tepelnou vodivost, proto je důležité brát zřetel na šířku Fe (většinou µm). Z testů společnosti Weller Tools GmbH vyplývá, že hrot se šířkou ochranné vrstvy 400 µm železa má 2,5x vyšší životnost než hrot se šířkou ochranné vrstvy200 µm[9]. 23

24 Tab. 3 Úrovně relativní (chemické) aktivity a hodnoty tvrdosti podle Brinella pro možné pokovovací materiály[9] Životnost hrotu významně ovlivňuje i použitá pájecí slitina. Jak je zobrazeno na Obr. 9, nejagresivnější slitinou pro životnost hrotů je Sn99,3Cu0,7, u níž se vyskytuje vyšší obsah Cu. Z obrázku je zřejmé, že na životnost hrotů má také nepříznivý vliv vyšší teplota. Při testu každý hrot prošel 2000 cykly, které měly za úkol simulovat 2000 pájecích operací. Vliv čištění hrotu na jeho životnost Obr. 9 Vliv složení pájky na rozsah koroze po 2000cyklech[9] Čistota hrotu hraje významnou roli v životnosti hrotu, protože čistý hrot neobsahuje oxidy, zbytky tavidla a jeho povrch je pokryt pájkou, takže se zabraňuje možné oxidaci. Správně udržovaný hrot má také zásadní vliv na kvalitu pájeného spoje. Čistý hrot má lepší smáčivost pájky, poskytuje lepší přenos tepla a tím i minimalizuje možnost studeného spoje. V elektrotechnické praxi se používají dva typy běžného čištění hrotů, první typ je pomocí namokřené houbičky, druhý typ pomocí mosazných drátků potažených tavidlem. Čištění pomocí houbičky se nedoporučuje pro bezolovnaté pájené. Hrot je při čištění vystaven příliš vysokému teplotnímu šoku a tím vzniká riziko tvorby prasklin v ochranné vrstvě hrotu. 24

25 Následná degradace měděného jádra je nevyhnutelná. Dále také voda z vodovodu může vytvořit nesmáčitelný hrot, protože obsahuje minerální usazeniny. Doporučuje se proto při čištění hrotů houbičkou použít destilovanou nebo neionizovanou vodu. Čištění pomocí mosazných drátků potažených tavidlem zlepšuje životnost hrotů až 2x proti použití mokrou houbičkou. Při čištěnou jsou odstraněny zbytky tavidla a některá pájka zůstává na hrotu po čištění. Tím se snižuje riziko oxidace a koroze. Není-li již efektivní jedno z výše popsaných čištění, tak se většinou použije čištění pomocí aktivátoru hrotu (nejedná se o další typ čištění, aktivátorem nelze nahradit běžné čištění). Jedná se o pomůcku pro ošetření příliš zoxidovaného pájecího hrotu. Stačí krátký kontakt zahřátého hrotu s touto hmotou a dojde k odstranění vrstvy oxidů. Na hrotu pak opět velmi dobře ulpívá pájecí směs. Vhodné pro občasnou údržbu a to když se nepodaří odstranit oxidy jinou metodou[9]. K zajištění dlouhé životnosti pájecích hrotů je důležité dodržet několik základních doporučení. Několik zásad pro zvýšení životnosti: co nejnižší teplota hrotu volba hrotu s maximální kontaktní plochou co nejkratší hrot udržovat hrot pocínovaný a bez oxidů používat pájku pro zlepšení přenosu tepla trubičkovou pájku nanášet na spoj (ne na hrot) co nejmenší obsah cínu v pájce co nejširší ochranná vrstva hrotu co možná nejméně aktivní tavidlo proškolený operátor Je zřejmé, že mnohé z těchto zásad sice životnost hrotu prodlužují, ale zhoršují kvalitu spoje a proto je důležitá optimalizace parametrů pro danou specifickou operaci. Zásady údržby hrotu pro operátora udržovat hrot pocínovaný pouze smáčecí oblast (špička) nepoužívané pájedlo vypínat nebo uvést do pohotovostního režimu (nečinnost pájedla déle než nastavený čas pokles teploty hrotu) zoxidovaný hrot (černý hrot) použít drátový čistič nebo houbičku (důležité je, aby houbička byla čistá). po ukončení pájecí operace aplikovat novou pájku na hrot a dát pájedlo do stojanu při manipulaci s hrotem ne narušit ochrannou vrstvu železa kolem hrotu (např. tlačením na hrot, klepáním, posouváním pájky hrotem, atd.) Při používání bezolovnatých pájek je životnost hrotu 50-60% proti použití olovnatých pájek[9]. 25

26 2.2.Spolehlivost pájených spojů a metody testování Spolehlivost pájených spojů může být posuzována z mnoha hledisek. Z funkčního hlediska je ve většině případů rozhodujícím parametrem životnost pájeného spoje. Životností se rozumí čas, po který je garantovaná vodivost spoje. Vodivost je ovlivněna řadou faktorů, z nichž mezi ty nejzákladnější patří stárnutí materiálu, mechanické a tepelné namáhání, proudová zátěž Stárnutí materiálů Stárnutí materiálů je zásadním způsobem ovlivněno tvorbou difúzní vrstvy vytvořené na rozhraní spojovaných materiálů (např. měď a cín). Tato vrstva negativně působí na vlastnosti spoje např. zvyšováním odporu, pevnost spoje aj.. Difuzní vrstva je většinou tvořena intermetalickými slitinami spojovaných materiálů, které mají tu vlastnost, že s časem narůstají, neboli zvyšují svoji tloušťku. Růst difuzních vrstev také nepříznivě ovlivňuje zvýšená teplota prostředí. Běžná tloušťka difúzní vrstvy je v rozmezí několika mikrometrů, však mohou narůstat až na desítky mikrometrů. Takový spoj ztrácí své mechanické a elektrické vlastnosti a v určitém okamžiku přestává plnit požadovanou funkci. Při výběru materiálu se stárnutí musí předvídat a následně vhodnou volbou vstupních materiálů lze životnost optimalizovat. Životnost většiny výrobků je v řádech několika let, proto není prakticky možné testovat vliv stárnutí za normálních pracovních podmínek. Z toho důvodu se používají tzv. zrychlené zkoušky stárnutí, což je vlastně simulace několikanásobně zvýšených běžných pracovních podmínek. Nejčastěji se používá tzv. teplotní cyklování, kdy se výrobek umístí do komory, kde se mění teplota např. od 50 C do 150 C a zpět. Tento proces je většinou prováděn v tisící opakováních cyklech. Velikost opakování pak zastupuje zkoušenou časovou životnost, např cyklů představuje 5 let v normálních pracovních podmínkách. Dalším významným zástupcem je zkouška teplem a chladem. Vzorek se umístí do pece nebo mrazáku na určitou dobu, která opět simuluje časovou životnost. Tyto zkoušky stárnutí a jim podobné jsou definovány v normě ČSN EN [4] Mechanické namáhání Působením mechanického namáhání na pájený spoj dochází k pomalému zhoršování mechanických vlastností spoje až k přerušení vodivého spoje. Z toho důvodu je potřeba testovat pevnost pájeného spoje, aby se ověřily minimální požadavky na pevnost. V praxi rozlišujeme dva typy mechanického namáhání, externí typ, kdy spoj je narušován působením okolím, např. vibrace. Druhý typ je interní, kdy je spoj narušován v důsledku změn vnitřních poměrů[7] Měření smáčivosti Metoda smáčecích vah, nebo-li zkouška měřením časové závislosti smáčecí síly má za účel určit smáčivost pájené plochy, kterou představují většinou vývody různých tvarů. Princip zkoušky je znázorněn na Obr. 10 Tato zkouška měří svislé síly působící na vzorek při ponořování do lázně s roztavenou pájkou. Umožňuje pak detailně sledovat průběh smáčecí charakteristiky. Zkouška je definována například v ČSN EN , ČSN EN , ČSN EN ISO a ČSN EN ISO [14]. 26

27 Obr. 10 Detailní popis smáčecí charakteristiky[9] Bod A upnutý vzorek vjíždí do roztavené slitiny (lázně) dokud není ponořen do nastavené/požadované hloubky. Teplota vzorku je příliš nízká k podpoře smáčení, vzorek musí být vtlačován velkou sílou. Bod B poloha bodu B, nebo-li sklon mezi body A a B, je dán rychlostí ponoru vzorku Bod C poloha bodu C, nebo-li interval mezi body B a C, je dán tepelnou kapacitou vzorku a rychlostí přenosu tepla mezi roztavenou pájkou a vzorkem Bod D - povrch pájky je kolmý k povrchu vzorku. Síla je rovna vztlakové síle a je možné ji vypočítat z rozměrů vzorku, hloubky ponoru a měrné hmotnosti pájky. Bod E síly působící na vzorek jsou v rovnováze a výsledná síla je nulová Bod F - zpravidla 2 sec po smočení, zde se odečítá smáčecí síla pro vyhodnocení pájitelnosti vzorku. Bod G - vrchol křivky, zde došlo k úplnému vytažení vzorku z lázně Bod H konečný stav Empiricky bylo zjištěno, že pájitelnost lze charakterizovat veličinou S. Dobrá pájitelnost se udává, když má vzorek hodnotu S = 5 až 6. Nižší hodnoty vykazují odsmáčení. 27

28 (8) Výsledný tvar křivky udává schopnost smočení pájky. Příklady různých typů průběhu jsou znázorněny na Obr. 11. Obr. 11 Příklady různých typických průběhů časové závislosti smáčecí síly[9] Pro matematické porovnání pájek byla zvolena hodnota F 2 /t 2/3 ze smáčecí křivky. Kde F 2 je maximální smáčecí síla a t 2/3 je čas, kdy smáčecí síla dosáhne 2/3 maximální síly. Hodnota F 2 by měla být vysoká, čas t 2/3 naopak malý. Vzorky s nejlepší smáčivostí dosahují nejvyššího poměru těchto hodnot.[20] Obr. 12 Poloha síly F 2 /t 2/3 v smáčecí charakteristice [20] 28

29 Metoda navzlínání Metoda navzlínání je druhotný jev u metody smáčecích vah. Ponořením kulového nebo jiného vzorku do roztavené pájky dojde k navzlínání pájky na vzorek. Takto navzlínanou pájku je možné změřit a následně vyhodnotit vzdálenost navzlínání Metoda roztékavosti Tento test je používán k měření aktivity tavidla nebo roztečení pájecí slitiny. Známé množství pájky je umístěno na teoreticky nekonečný a rovný měděný povrch. Následně je aplikováno definované množství tavidla a pájka je přetavena. Plocha, do které se následně pájka rozteče, je obraz roztékavé schopnosti slitiny nebo funkce tavidla. Princip je zobrazen na Obr. 13. Obr. 13 Princip metody roztékavosti [9] Měření teploty Měření teploty bylo prováděno pomocí dvou kalibrovaných dotykových přístrojů a jedné termokamery. Pomocí těchto zařízení je určen teplotní profil jednotlivých zařízení a sledováno dodržení profilů během přípravy testovacích vzorků. Pomocí termokamery je zobrazeno rozložení teplot během pájení. Vlivem vysoké odrazivosti roztavené pájky teplota nelze přesně stanovit. Proto toto měření je spíše orientační a sloužilo nám hlavně k odhadu tepelné kapacity jednotlivých dílů. Obr. 14 Přístroj na měření teploty Obr. 15 multimetr na měření teploty Obr. 16 termokamera 29

30 2.3.Dostupné technologie spojování materiálů Jednou z možností, jak odstranit olovnaté pájení ve výrobě společnosti ABB, je náhrada měkkého pájení jinou technologii. Ne vždy tato možnost připadá v úvahu, ale vzhledem k charakteru spojovaných materiálu je to v divizi IT&S možné. V této kapitole popíši několik technologií, které by měkké pájení ve výrobě mohly nahradit Lisovaný spoj Lisovaný spoj je jednou z nejužívanější technologií připojování vodičů. Princip spočívá v tom, že odizolovaný vodič je pomocí speciálního nástroje nalisován do koncovky. Během lisování vyvíjí přístroj lokální tlak na spojované místo a dochází zde k tzv. toku materiálu. Výsledkem je dokonalý plynotěsný spoj mezi vodičem a koncovkou. Hlavní nevýhodou tohoto spoje je nutnost speciálních koncovek a pořizovací náklady na speciální lisovací nástroje. Protože, aby spoj splňoval normu, musí být lisován za definovaného tlaku, v opačném případě by se každý spoj musel testovat na pevnost (destruktivní metodou). Mezi výhody této technologie lze zařadit velmi dobrou odolnost vůči mechanickému namáhání (vibrace) a také nejsou potřeba žádné pomocné materiály. Touto technologií se dá nahradit většina pájených spojů ve výrobě v divizi IT&S a to i pájení primární vodičů. Avšak nevýhodou je nutnost přepracování celého konceptu a designu transformátorů vzhledem k nutnosti změny tvaru primárních svorek. Dále se dá předpokládat vyšší pořizovací cena těchto svorek. Obr. 17 Příklad lisovaného spoje - přibližná velikost jako u primárních svorek Obr. 18 Pneumatický stroj na lisování spoje Technologie lisování se již používá ve výrobě, avšak bez definovaného tlaku tlak vytváří pracovník na obyčejné kleště. Takový spoj tedy nevyhovuje normě a je dál pájen. Podrobnější rozebírání technologie je nad rámec této diplomové práce. 30

31 3. Postup zavedení bezolovnatého pájení Postup zavedení bezolovnaté pájky do výroby lze obecně charakterizovat několika body. V první části je potřeba analýza výrobního postupu jak, kde, čím a co se pájí. Následně je zapotřebí stanovit charakteristické typy spojů. Neboli spojované materiálové kombinace a spojované tvary. Po takovéto analýze procesu následuje výběr vhodné bezolovnaté slitiny. Nejdříve doporučíme několik druhů slitin z hlediska potřebných vlastností cena, pevnost, ekologie, odolnost, atd. Následně probíhá testování slitin na vybraných charakteristických spojích a sledování potřebných vlastností. Výsledkem takového testování je nejlepší možná bezolovnatá slitina pro daný proces. Nyní již máme vybranou bezolovnatou slitinu a je zapotřebí upravit proces pájení ve výrobě. Neboli určit vhodnost stávajícího zařízení (přenastavit parametry) popřípadě častějším řešením nákup nových strojů, které jsou určeny přímo pro bezolovnaté pájení. Je také nutné zahrnout do finančního návrhu větší opotřebení zařízení vlivem agresivity bezolovnaté slitiny a tím spojené vyšší náklady na údržbu. V neposlední řadě je nutné řešit odvod zplodin při pájení u bezolovnatého pájení jsou většinou použity agresivnější tavidla, která mají zdraví škodlivé výpary. Nesmíme také zapomenout, že významnou roli hraje operátor (zejména u ručního pájení). Proto je nezbytné, aby proběhlo školení operátorů. Zde by se operátor měl dozvědět hlavní rozdíly v olovnatém a bezolovnatém pájení, údržbu zařízení (snížení nákladů) a techniku správného pájení (předejde se následným reklamacím). Po těchto několika krocích následuje zavedení bezolovnatého pájení do výroby a velmi důležité je i dílčí sledování kvality spojů. V prvních týdnech je určitě důležité pečlivější a častější sledovaní jednotlivých pracovišť a pracovníků. Popřípadě mírné úpravy parametrů nebo opětovné přeškolení pracovníka. Výsledkem těchto kroků je, že je zavedená výroba pomocí bezolovnaté slitiny s minimálním množstvím vad (způsobených špatným spojem) a s minimálním navýšením výrobních nákladů. Postup zavedení bezolovnatého pájení lze stručně a přehledně vyjádřit následující posloupností základních postupů: analýza současného stavu výběr materiálů a technologického vybavení experimentální odzkoušení nové technologie návrh procesu pájení pro daný typ výrobku školení operátorů spuštění procesu monitorování a sběr dat pro vyhodnocování vyhodnocování a optimalizace procesu 31

32 4. Experimentální část 4.1.Analýza současného stavu Obr. 19 Schematický pohled na výrobní halu Jak je zobrazeno na Obr. 19, výrobní halu jsem pro názornost rozdělil do čtyř oddělení Senzory, CT, VT a HV (dle typu výrobku). Každé pracoviště jsem následně očísloval a provedl analýzu. Hlavní důraz byl kladen na typ pájedla, typ pájky a typ spoje (tvar spoje a materiál spojovaných materiálů). Na každém pracovišti byl spočítán počet pájedel, určen typ, výkon, změřena pracovní teplota pájedla, zaznamenán typ používané slitiny, výrobce slitiny, průměr trubičkové pájky a typ tavidla. Pro názornost jsem na každém pracovišti pořídil několik fotek dokumentujících stav zařízení a typy pájených spojů. Stávající postup pájení byl také zdokumentován pomocí videokamery. Tento záznam bude dále sloužit k následnému návrhu o úpravě procesu pájení. Všechny používané pájky jsem shrnul v Tab. 4. V tabulce je také zobrazena spotřeba pájky v roce 2013 v kilogramech a její roční finanční náklady. 32

33 Tab. 4 Používané slitiny Pájka/složení (%) norma složení Obchodní název Výrobce Tavidlo norma tavidla obsah tavidla (%) Forma pájky RoHS Spotřeba ta rok 2013 (kg) Cena za kg (Kč) Roční náklady (Kč) Horní teplota tavení ( C) likvidus S-Sn63Pb37 Používané pájedla: VF pájedlo z pracoviště 1 Obr. 20 pájedlo [15] ruční pájedla používána na pracovišti 2 až 9: 33

34 Obr. 21 Páječka Konrád T w [16] Obr. 22 Páječka Konrád T w [16] Obr. 23 Páječka T w [16] Tyto pájedla jsou bez regulování teploty s jednoduchým topným tělesem. V dnešní době se k měkkému pájení nepoužívají. Hrot pájedla tvoří měděný hrot s povrchovou úpravou nikl, maloobchodní cena náhradního hrotu se pohybuje okolo 120 Kč. Přehled zařízení je uveden v Tab. 5 i s výkonem a současnou maloobchodní cenou. Tab. 5 Používané pájedla [16] Název: Výkon: Cena bez DPH: 34

35 4.2.Seznam pracovišť a popis současného stavu Pracoviště č. 1 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: 270 používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Popis procesu: Obr. 24 kabel Obr. 25 Svorka Obr. 26 Detail pájeného spoje Hlavní nedostatky na pracovišti: 35

36 Výsledky časové analýzy videa: Obr. 27 Teplotní profil pájení 36

37 Pracoviště č. 2 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 28 Pájedlo 100W Obr. 29 Detail hrotu Obr. 30 Teplota hrotu 37

38 Pracoviště č. 3 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 31 Pájedlo 100W Obr. 32 Detail černého hrotu Obr. 33 Pájený spoj drátku s ploškou 38

39 Pracoviště č. 4 co se pájí spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 34 Pájedla 100W a 300W Obr. 35 Pájedlo 300W Obr. 36 Pájecí voda 39

40 Pracoviště č. 5 co se pájí: m spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: C používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 37 Pájedlo 250W Obr. 38 Nový hrot Obr. 39 Pájený spoj - konektor 40

41 Pracoviště č. 6 - co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky:. používané průměry pájek: používaná pájecí voda: odvádění/odsávání výparů: splňuje RoHS: Obr. 40 Pohled na pracoviště s mikropájkou + odsávání Obr. 41 Detail hrotu mikropájky Obr. 42 Příklad pájeného spoje 41

42 Pracoviště č. 7 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: maximální dosažená teplota: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 43 Zoxidovaný hrot Obr. 44 Pájený spoj Obr. 45 Pájený spoj měděného drátku 42

43 Pracoviště č. 8 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: používána pájka: tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: splňuje RoHS: Obr. 46 Typy svorek Obr. 47 Příklad neudržovaného hrotu Obr. 48 Mikropájka s indikátorem pracovní teploty Pracoviště č. 9 co se pájí: spojovaný materiál: typ pájecího přístroje: způsob ohřevu: počet přístrojů na pracovišti: používána pájka: 2 tavidlo: výrobce pájky: používané průměry pájek: používaná pájecí voda: odvádění/odsávání výparů: splňuje RoHS: 43

44 Obr. 49 Detail udržovaného hrotu Obr. 50 Detail pájení drátu s dutinkou Obr. 51 Pájený spoj s dutinkou Nedostatky na pracovištích 2 až 9: 44

45 4.3.Návrh a příprava experimentu Ve výrobním procesu se vyskytuje několik charakteristických spojů, které byly zvoleny jako vzorové a proběhlo na nich testování vhodné pájecí slitiny. Tyto charakteristické spoje byly podrobeny elektrickému, mechanickému i optickému zkoumání v souladu s normami ČSN nebo normami IPC. Před samotnou přípravou experimentu proběhl prvotní výběr slitiny. Dle teoretických předpokladů a tabulkových hodnot bylo vybráno několik možných náhrad doposud používané bezolovnaté pájky, protože není prakticky, finančně i časově možné testovat všechny slitiny na trhu. Tyto kritéria výběru zde na několika řádcích popíši. Tab. 6 Přehled testovaných pájek Tab. 7 Testovaná tavidla Ruční pájení: - inviduální testování operátora - zkoušky suchým teplem a suchým mrazem na elektrický odpor spoje (ČSN EN zkoušky suchým teplem a suchým mrazem na povrch spoje visuální testování (ČSN EN ISO 17637) Indukční pájení: 45

46 - visuální testování (ČSN EN ISO 17637) - elektrický odpor spoje - mechanická pevnost spoje (ČSN EN 60749) - smáčivost pájky - navzlínání pájky - roztékavost pájky Návrh a výběr experimentu byl zvolen dle technických a finančních možností firmy ABB. 46

47 Rn (mω) 4.4.Přímé testování vybraných slitin Měření odporu Toto měření je rozděleno na dvě části. V první části je zkoumána změna odporu u spoje, který je vystaven zkoušce stárnutí suchým teplem a suchým mrazem (1200h v +150 C, -25 C). Ke zvětšení přesnosti měření byl vždy před vzorek sériově zařazen odpor o známé hodnotě R n. Nejdřív byl měřen samotný známý odpor R n a následně s připojením neznámého odporu R x (odpor drátu s pájeným spojem). Aby bylo dosaženo co největší přesnosti, byl každý vzorek takto změřen několikrát a výsledné číslo statisticky upraveno. Samotný odpor byl měřen pomocí přístroje Hewlett packard 34401A s 4-vodičovými svorkami za konstantní teploty +23 C Stárnutí (h) Obr. 52 Změna odporu Rn v závislosti na stárnutí materiálu v mrazáku (-25 C) po dobu X hodin 47

48 Rn (mω) Stárnutí (h) Obr. 53 Změna odporu Rn v závislosti na stárnutí materiálu v peci (+150 C) po dobu X hodin Rozdíl mezi jednotlivými měřeními nepřesahuje odchylku měřicího přístroje, proto nelze těmto hodnotám přikládat větší význam. Avšak tímto testem jsme dokázali, že všechny testované spoje jsou dostatečně vodivé i po stárnutí 1200h v +150 C nebo -25 C, což dle normy představuje něco okolo 30let života v normálním provozu. Lze tedy tvrdit, že všechny testované pájky splňují požadovanou délku životnosti u tohoto typu spoje. V druhé části byl měřen odpor Obr. 54 Mikroohmetru Megger DLRO200 s 4vodičovými svorkami Obr. 55 Testovaný primární vodič upnuty ve svorkách mikroohmetru 48

49 Obr. 56 Odpor na metr - průměr ze 3 vzorků Obr. 57 Změna odporu celého transformátoru v čase měřeny primární svorky (vzorek umístěn 6měsíců v teplotní komoře) 49

50 Vizuální testování Vizuální testování je rozděleno do dvou částí. První část je zaměřena na vizuální testování pájeného spoje pro dva měděné vodiče. Součástí tohoto experimentu byla příprava 104 vzorků pro zkoumané materiálové kombinace. Tyto kombinace jsou uvedeny v Tab. 6. Všechny vzorky byly zdokumentovány pomocí USB mikroskopu (fotografie) a následně umístěny do pece o teplotě +150 C a druhá polovina vzorků vložena do mrazáku o teplotě -23 C. Po 40,100,1200 hodinách byly vzorky analyzovány a vyfoceny pomocí mikroskopu. Tímto byly vzorky vystaveny zkoušce stárnutí dle normy ČSN EN Následně byly zaznamenané údaje porovnány a stanovena míra degradace dle metody vizuální kontroly stanovenou normou ČSN EN ISO a IPC-A-610. Vzorek 1: BrazeTec Soldamoll 220 S-Sn96Ag4 s přídavným tavidlem Chemet Z-02 Obr. 58 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z-02 Obr. 59 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z-02 Obr. 60 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 + Z-02 Nezestárnutý vzorek má velmi dobrou lesklost spoje a minimální drsnost. Spoj je po celém objemu dokonale smočen. Na spoji jsou však zřetelné tavidlové zbytky (žluté). Vzorek již po 40h stárnutí ztratil svoji lesklost a výrazně se zvýšila i drsnost povrchu povrch je až matný. Dle předpokladu tavidlové zbytky popraskaly a více zažloutly. Vzorek 2: BrazeTec Soldamoll 220 S-Sn96Ag4 s přídavným tavidlem MARMOT MTR-301 Obr. 61 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn96Ag4 + MTR-301 Obr. 62 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 +MTR-301 Obr. 63 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn96Ag4 +MTR-301 V nestárnutém stavu je vzorek lesklý a velmi drsný. Vzhledem k tvaru spoje se dá charakterizovat jako nesmáčivý. Na spoji se vyskytují pouze minimální zbytky tavidla, které jsou více zřetelné až u stárnutého vzorku. Kde tavidlo zažloutlo, krom toho stárnutí nemělo na spoj významný vliv. 50

51 Vzorek 3: Chemet Sonderweichlot TZ-40 S-Sn96Ag4 (tavidlo v trubičkové pájce) Obr. 64 Nestárnutý vzorek pájky Chemet Sn96Ag4 Obr. 65 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Chemet Sn96Ag4 Obr. 66 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky Chemet Sn96Ag4 Vzorek této pájky se vyznačuje výbornou smáčivostí a v místech s větší koncentrací pájky s typickou pomerančovou kůrou, která se hojně vyskytuje u bezolovnatých pájek. V ostatních místech je velmi lesklá. Na vzorku jsou patrné zbytky tavidla, které po stárnutí výrazným způsobem zčernaly. Zbytky tavidla pokrývají asi 40% povrchu spoje. Jiný vliv stárnutí na spoje není znatelný. Vzorek 4: Chemet Sonderweichlot 661 S-Sn99Cu1 (tavidlo v trubičkové pájce) Obr. 67 Nestárnutý vzorek pájky Chemet Sn99Cu1 Obr. 68 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Chemet Sn99Cu1 Obr. 69 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky Chemet Sn99Cu1 Tento vzorek je velmi dobře smočen a má vynikající lesklost a téměř nulovou drsnost. Zbytky tavidla jsou patrné cca na 40% povrchu spoje. Po stránutí tavidlo mírně zažloutlo. Jiný vliv stárnutí na spoj nemá. 51

52 Vzorek 5: BrazeTec BrazeTec 3 S-Sn97Cu3 s přídavným tavidlem Chemet Z-02 Obr. 70 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn97Cu3 + Z-02 Obr. 71 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ Z-02 Obr. 72 Stárnutý vzorek 120h při +150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ Z-02 Na nestárnutém obrázku je zřetelné velmi špatné smáčení, vodiče jsou odkryty až na měď. Spoj má dobrou lesklost a minimální drsnost. Na spoji jsou výrazné zbytky tavidla, které jsou i na nestárnutém vzorku velmi žluté. U stárnutého vzorku je velmi zřetelná změna v lesklosti povrchu až matný povrch. A s tím je spojeno zvětšení drsnosti povrchu. Tavidlové zbytky zažloutly minimálně. Vzorek 6: BrazeTec BrazeTec 3 S-Sn97Cu3 s přídavným tavidlem MARMOT MTR-301 Obr. 73 Nestárnutý vzorek pájky BrazeTec Sn97Cu3 + MTR-301 Obr. 74 Stárnutý vzorek 40h při 150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ MTR-301 Obr. 75 Stárnutý vzorek 100h při 150 C pájky BrazeTec Sn97Cu3+ MTR-301 Tento spoj je špatný, pájka se nesmočila, tvar není homogenní, na povrchu jsou různé krápníky a ostré hrany. Spoj je dostatečně lesklý a mírně drsný. Tavidlové zbytky jsou minimální. U stárnutého spoje nejsou pozorované žádné změny. 52

53 Vzorek 7: Marmot Sn99Cu1NiP (tavidlo v trubičkové pájce) Obr. 76 Nestárnuty vzorek pájky Marmot Sn99Cu1NiP Obr. 77 Stárnutý vzorek 40h při +150 C pájky Marmot Sn99Cu1NiP Obr. 78 Stárnutý vzorek 100h při +150 C pájky Marmot Sn99Cu1NiP Lesklost spoje je velmi dobrá, drsnost minimální. Spoj je pokryt ze 100 % tavidlem, které již v nestárnutém stavu má žlutou barvu. U stárnutého vzorku není patrná změna ve struktuře pájky, jen zbytky tavidla se výrazně zbarvily do hněda a popraskaly. Při dalších testování pájky doporučuji vyřadit pájky s přídavným tavidlem, protože ani jedna z nich neprojevila dobré vlastnosti. A to i vzhledem k tomu, že nanášení přídavného tavidla komplikuje celý proces výroby. 53

54 Testování pevnosti Při testování pevnosti spoje bylo nejdřív zapájeno několik charakteristických svorek a průměrů drátů, které byly následně podrobeny destruktivní síle. Následkem síly se přetrhl měděný drát dřív než spoj. Takto byly testovány spoje s průměry drátů do 3 mm. Další zkouška pevnosti pájeného spoje byla provedena na primárních svorkách transformátoru. Tab. 8 Testované materiálové kombinace s naměřenými hodnoty sil pájka + tavidlo číslo vzorku: množství pájky (g) síla (N) průměr síly (N) Obr. 79 Trhací zařízení o síle 25kN Obr. 80 Vzorek umístěný do trhacího stroje Obr. 81 Příklad utrhnutého spoje - přetržený kabel Obr. 82 Příklad destrukce pájeného spoje 54

55 Obr. 83 Pevnost Varia kabelu ve svorce v závislosti na množství pájky 55

56 Metoda smáčecích vah Metoda smáčecích vah, neboli měření smáčecí sily, se řadí mezi významné parametry pájecí slitiny. Tento test se zaměřil na výběr pájecí slitiny a vhodného tavidla především pro pájení primárních svorek. Při testu byl použit měděný drát z varia kabelu. Tento drátek charakterizoval varia kabel, následně tento drátek byl namočen do testovaného tavidla, osušena kapka, umístěn do hlavy zařízení, odstraněny oxidy z povrchu rozehřáté lázně (roztavená pájecí slitina) a vzorek byl ponořen do rozehřáté lázně a následně vynořen. Měření probíhalo automaticky a výsledky byly zaznamenány do počítače. Každá měřená materiálová kombinace byla měřena 8x a výsledné data pro graf byla z těchto osmi měření statisticky průměrována pomocí matematické funkce medián. Proběhlo měření 4 pájek a 9 tavidel po 8 opakování. Celkový počet testovaných vzorků tak byl 288. Obr. 84 Meniskograf Obr. 85 Ponoření vzorku do roztavené slitiny - Meniskograf Měření byla prováděna na Meniskrografu, který byl nastaven takto: rychlost spouštění vzorku do rozehřáté pájky: 10mm s-1 hloubka ponoru: 3mm doba vzorku v rozehřáté lázni: 10s teplota rozehřáté lázně: 240 C Příklad výpočtu pro SAC305 Hustota pájky = 7020 kg/m 3 Délka smočeného vývodu (l) = 3 mm Stanovení rozměrů vzorku pomocí posuvného měřidla (šuplery) r= 0,25 mm d= 0,5 mm Výpočet objemu smočeného vývodu Výpočet vztlakové síly 56

57 Výpočet povrchového napětí Maximální smáčecí síla Obr. 86 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu Sn63Pb37 57

58 Obr. 87 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu CHEMET Sn99Cu1 Obr. 88 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu SACX

59 Obr. 89 Smáčecí charakteristika pro pájecí slitinu SAC305 Tab. 9 Výsledek porovnání tavidel dle F 2 /t 2/3 slitina: Sn63Pb37 CHEMET Sn99Cu1 SACX0307 SAC305 požité tavidlo: F 2 [mn] t 2/3 [s] F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] F 2 [mn] t 2/3 [s] F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] F 2 [mn] t 2/3 [s] F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] F 2 [mn] t 2/3 [s] F 2 /t 2/3 [10-3 Ns -1 ] pragokor 0,490 5,040 0,097 0,245 11,140 0,022 0,125 9,120 0,014 0,120 13,160 0,009 X32 0,340 3,770 0,090-0,295 12,200-0,024-0,185 12,100-0,015 0,365 3,410 0,107 TL ,565 3,590 0,157 0,395 3,990 0,099 0,450 3,890 0,116 0,550 3,460 0,159 EF ,560 3,720 0,151 0,435 4,070 0,107 0,460 3,800 0,121 0,510 3,700 0, ,605 3,530 0,171 0,510 4,020 0,127 0,505 3,580 0,141 0,560 3,760 0, ,590 4,220 0,140 0,400 4,620 0,087 0,500 3,960 0,126 0,505 3,640 0,139 EF ,550 3,980 0,138-0,085 12,350-0,007 0,290 4,060 0,071 x x x Panasonic 0,585 4,040 0,145 0,395 4,790 0,082 0,450 3,960 0,114 x x x bez tavidla -0,330 7,010-0,047-0,500 12,400-0,040-0,360 13,200-0,027 0,430 5,370 0,080 V Tab. 9 je znázorněno matematické porovnání charakteristik smáčecích vah a to dle parametru F 2 /t 2/3. Který dle teorie slouží k porovnání aktivity tavidla poměr mezi maximální smáčecí sílou F 2 a časem t 2/3 (čas kdy síla F je rovna 2/3F 2 ). V tabulce jsou zeleně zvýrazněny nejlepší tavidla dle tohoto poměru. Pro všechny testované slitiny dosahuje dostatečné smočení tyto tavidla., ostatní tavidla nedoporučuji. 59

60 Měření navzlínání pájky Při tomto měření bylo použito 288 vzorků z měření smáčecích vah. Princip měření spočíval v měření navzlínání pájky na měděny drát. Každý vzorek byl ponořen 3mm své délky (v grafu to je znázorněno jako 30%) do roztavené pájky, roztavená pájka následně navzlínala na drát. Při tomto měření jsem se zaměřil na velikost takto navzlínané pájky a vzájemně je porovnal. Každé měření se skládalo z 8 měření viz. Obr. 91, které bylo statisticky průměrovaná pomocí funkce median. Samotné měření velikosti nevzlínání pájky probíhalo na mikroskopu Olympus (Obr. 90), který je kalibrován pro měření velikosti. Obr. 90 Pracoviště s mikroskopem Olympus Obr. 91 Naměřená velikost navzlínání u testovaných vzorků (pomocí mikroskopu Olympus) Obr. 92 Navzlínání slitiny Sn63Pb37 na měděný drátek dle typu tavidla Typ tavidla 60

61 Obr. 93 Navzlínání slitiny SACX0307 na měděný drátek dle typu tavidla Typ tavidla Obr. 94 Navzlínání slitiny SACX0305 na měděný drátek dle typu tavidla Typ tavidla 61

62 Obr. 95 Navzlínání slitiny Chemet Sn99Cu1 na měděný drátek dle typu tavidla Typ tavidla 62

63 Relativní poměr (%) Měření roztékavosti pájky Princip měření roztékavosti pájky spočívá v umístění definovaného množství slitiny a definovaného množství tavidla (Obr. 96) na teoreticky nekonečnou a ideálně rovnou měděnou podložku (v praxi dostatečně velkou). A následné přetavení slitiny dle teplotního profilu slitiny. Takto přetavená slitina se rozteče po měděné plošce viz. Obr. 97. Při následném měření se porovná poměrové roztečení jednotlivých slitin. Obr. 96 Definované množství slitiny před přetavením Obr. 97 Roztečení slitiny na měděné plošce po přetavení 10,6 10,4 10,2 10 9,8 9,6 9,4 9,2 9 8,8 Obr. 98 Roztečení dle typu pájky 63

64 Relativní poměr (%) Obr. 99 Roztečení pájky dle typu tavidla Inviduální testování operátora Při tomto testování slitiny hraje významnou roli subjektivní názor operátora, avšak jedná se o důležitý faktor při výběru slitiny. Pájka může mít výborné vlastnosti, ale samotná práce s ní nemusí být jednoduchá. Proto bylo vytvořeno několik vzorků zkušeným technologem (operátorem) a tento proces zdokumentován pomocí videokamery a následně i doplněn subjektivním názorem operátora. 64