Úloha č.2 MĚKKÉ PÁJENÍ V ELEKTRONICE 1. ZÁKLADNÍ POJMY A POSTUPY Pájení je jednou z metalurgických metod spojování. Podle teplot používaných při pájení rozeznáváme pájení měkké (do 450 C) a pájení tvrdé (nad 600 C). Tvrdé pájení je využíváno především pro spojování mechanických konstrukčních částí {např. přístrojových skříní, masivních doteků na kontaktní pružiny apod.). Pro připojování vývodů součástek a spojování vodičů se užívá měkkého pájení. Při montáži elektronických zařízení je tento způsob spojování jasně převažující a nabývá stále většího významu. Zejména s nástupem technologie povrchové montáže se pájení stalo dominantním výrobním procesem; byly vyvinuty i nové způsoby pájení (např. pájení kondenzační). K technologii pájení nerozlučně patří problematika tavidel a čištění elektronických zařízení po montážních procesech. Významnou změnou v porovnání s dobou před asi 40 lety je převaha strojního pájení, které jedině umožňuje přesně dodržovat a reprodukovat technologický proces. Na tuto technologii se váže i řada kontrolních metod hodnotících proces pájení a umožňujících jeho dobré řízení. Předpokladem vytvoření správného pájeného spoje je dobré smáčení pájených povrchů roztavenou pájkou, dosažení a udržení pracovní teploty (tím je podmíněna optimální tvorba mezivrstev) a správné dávkování pájky do spoje. Strojně i ručně zhotovený spoj má obsahovat jen takové množství pájky, které postačí ke správné elektrické i mechanické funkci spoje a přitom umožní snadnou kontrolu jeho kvality. Optimální množství je takové, kdy obrysy vodiče jsou pod vrstvou pájky zřetelné a povrch v jakémkoli řezu kolmém na desku plošného spoje je dutý. Povrch pájky přitom musí být hladký, lesklý, spojitý. Na okrajích spoje musí být patrný ostrý úhel smáčení ve velikosti do 15. Ve spoji nesmí zůstat obnažený základní kov spojovaných častí - nic z pájených dílů se nesmí po pájení odstřihovat. Na povrchu spoje nesmí zůstat ostré výstupky nebo známky znečištění. Správné provedení některých pájených spojů je na obr. 1. Protože k zatékání pájky ve spoji je využíváno kapilárního vzlínání podporovaného vytvořeným kapilárním tlakem, je třeba při konstrukci dbát na optimální velikost mezer ve spoji v závislosti na použitém způsobu pájení (ruční, strojní vlnou, strojní přetavením aj.). Na velikost kapilárního tlaku má vliv i geometrie mezery. Zvětšení průřezu mezery má vždy za následek prodloužení celkové doby pájení. Příklad závislosti kapilárního tlaku na velikosti kapiláry je na obr. 2.
Ze závislosti na obr.2 plyne následující: Pro ruční pájení je vhodná oblast C, mezera by neměla být větší než asi 0,5 mm a menší než asi 0,1 mm. Strojně lze dobře pájet při mezerách v oblasti B - od 0.05 do asi 0.3mm. Oblasti A a D jsou pro pájení nevhodné. Obr.1. Správné provedení pájených spojů Obr.2. Kapilární tlak p k v závislosti na velikostí mezery 1.1. Postup tvorby pájeného spoje Ke zhotovení pájeného spoje je třeba několika základních úkonů: a) Uvedení pájených částí do vhodné vzájemné polohy a její fixace.
b) Nanesení tavidla a jeho uvedení do aktivního stavu. c) Ohřátí spoje na pracovní teplotu. d) Přivedení pájky do spoje. e) Ochlazení zapájeného spoje. f) Očištění spoje. Jednotlivé úkony se mohou místně i časově spojovat i rozdělovat. Způsob ohřevu a přivedení pájky charakterizují jednotlivé technologie pájení. 1.2. Tavidla 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. 1.3. Pájky a jejich formy Podstatnou složkou měkkých pájek jsou těžké kovy s nízkou teplotou tavení, zejména cín, olovo, vizmut, a zinek. Některé pájky obsahují i vizmut, antimon a indium, někdy i malá množství stříbra, mědi, niklu, železa. 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 183,3 C. 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. Pájka jako pájecí slitina se připravuje v různých formách vhodných pro aplikace. Pro doplňování lázní v pájecích strojích to jsou tyče. Pro ruční pájení drát různého průměru s jádrem (je tvořen trubičkou s jednou nebo několika dutinami, které obsahují tavidlo za studena v plastickém stavu). Pro pájení přetavením se pájka připravuje ve tvaru drobných
kuliček o průměru několika desítek µm. Ty spolu s tavidlem a dalšími příměsmi upravujícími viskozitu, roztékavost a lepivost tvoří pastovitou pájku. 1.4. Ruční pájení 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 pájením 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! Na obr.3 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. Pájecí hrot ruční páječky musí mít tuhé spojení s rukojetí. Po zahřátí hrotu na pájecí teplotu 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. 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 současně používáno tekuté tavidlo i pájka s jádrem, musí být tavidla stejného typu a od stejného výrobce. Obr.3 Tvorba ručně pájeného spoje 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 do spoje přidává až po dostatečném zahřátí. Přidává se do oblasti rozhraní pájecího hrotu a pájených ploch. Při pájení oboustranných a vícevrstvých desek plošných spojů s pokovenými otvory je přípustné pájet spoje pouze na jedné straně - pájka musí sama zatéci na stranu druhou. Při pájení tankových vodičů je třeba zabránit vzlínání pájky kapilárami směrem od spoje až pod izolační povlak. Doporučuje se použít chladítek a dobu pájení zkrátit na 2 až 5 s. 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. Roztavená pájka se musí nechat volně vychladnout v normálním prostředí. Je zcela nepřípustné ochlazovat spoj proudem vzduchu nebo kapaliny. 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 na místo mezi místem pájení a chráněnou součástkou. 1.5. Pájení přetavením Jde o takový způsob pájení, při kterém se před vlastním procesem na povrch 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 o složení Sn62Pb36Ag2, jinak většinou eutektické pájky Sn63Pb. Na připojovací plošky je pastovité pájka nanášena sítotiskem, tiskem přes šablonu dávkovačem 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. Horký plyn je usměrňován tryskou na požadované místo. Tryska mívá průměr asi 2 mm, průtok plynu je malý - asi 1 až 5 1/min. Teplota na výstupu trysky je 350-400 C. Při pájení vícevývodových pouzder musíme zajištovat kontinuální rovnoměrný pohyb trysky po všech pájených vývodech. Jsou-li rozměrné součástky chladné (na teplotě 20 až 25 C) trvá proces pájení až několik 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 současně. 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 pinzetou, takže v okamžiku roztavení pájky je součástka zvednuta a ohřev je ukončen. 1.6. Vybavení pracoviště pro ruční pájení V laboratoři katedry elektrotechnologie je připraveno pracoviště, které studentům umožní prakticky realizovat nedůležitější postupy ručního pájení a splnit tak úkoly tohoto
cvičení. Pracoviště pozůstává jednak z moderních přístrojů a zařízení, jednak z nezbytných přípravků a nástrojů. 1.6.1. Zařízení a přístroje Ruční nízkovoltová páječka s kopinatým hrotem (výrobce ERSA), s regulací a stabilizací teploty hrotu. Pro pájení drátových vývodů na zkušební desce je vhodné nastavení regulátoru teploty na asi 300 C. Kombinovaná odsávačka - horkovzdušná páječka firmy PACE. Při použití k demontáži vývodových součástek z desek plošných spojů se připojuje ohřívaná odsávačky 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. Tlakový dávkovač - vakuová pinzeta 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 spuštění 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.
Horkovzdušná pícka. Slouží k nutným ohřevům pastovité pájky po jejímž nanesení a vsazení součástek je nutné odstranit těkavé složky pasty, aby nedošlo při rychlém ohřátí horkým vzduchem k explozi a rozstříknutí kuliček pájky po okolí spoje. Toho se docílí ohřevem osazených desek při teplotě asi 110 C po dobu 5 minut. Zásobník se součástkami SMD. Součástky používané při povrchové montáži jsou specificky baleny. Zde je použit papírový pás s prohlubněmi pro jednotlivé kusy rezistorů, které jsou před vypadnutím přichyceny průhlednou páskou. Z prohlubní se vyjímají vakuovou pinzetou a vsazují na desku s připojovacími ploškami. 1.6.2. Pomůcky, přípravky a nástroje Jednotlivé dílčí úkoly tohoto cvičení formulované v následující podkapitole vycházejí z předpokladu použití následujících pomůcek: Deska pro ruční pájení drátových vývodů. Jednostranná deska plošného spoje s pájecími ploškami na straně pájení bude osazována drátovými spojkami tvaru širokého písmene U, délka vývodů vyčnívajících na straně pájení bude asi 1,5 mm. Mechanicky se drátové spojky přichytí mírným přihnutím nad měděnou pájecí ploškou. Deska pro povrchovou montáž rezistorů. Na destičce jsou připraveny připojovací plošky pro rezistory rozměrového typu 0805. Pro pájení přetavením horkým vzduchem se na plošky nanese pastovitá pájka.. Plošky jsou uspořádány ve dvojicích pro připojení rezistorů podle obr.4. Obr.7. Uspořádání pájecích plošek pro vsazení rezistorů SMD rozmístěného typu 0805. Šrafovaná plocha vyznačuje oblast určenou pro práci jednoho studenta. Deska s vývodovými součástkami (integrovanými obvody). Z této desky je třeba vyjmout jednotlivé součástky uvolněné odsávačkou pomocí pinzety.
2. ZADÁNÍ ÚKOLU Cílem je praktické ověření postupů ručního pájení obvyklého v elektronice. a) Pájeni drátových vývodů ruční páječkou. b) Vyjímání zapájených součástek z desky plošného spoje pomocí vyhřívané odsávačky i pomocí odsávačky nevyhřívané v součinnosti s páječkou. c) Montáž součástek pro povrchovou montáž na desky plošných spojů pomocí pastovité pájky a pájením přetavením horkým vzduchem. d) Vizuální hodnocení kvality pájených spojů pomocí binokulární lupy. 3.POZNÁMKY K REALIZACI ÚKOLU ad a) Drátové spojky budou připravovány z holého Cu drátu v počtu pěti kusů (= deset pájených spojů). Na polovinu pájených spojů bude naneseno před pájením po kapkách přídavné tavidlo. Předmětem hodnocení pájených spojů je i posouzení vlivu tohoto tavidla na celý proces. ad b) Před odsáváním pájky ze spoje je třeba docílit rovnoměrný ohřev (i sání) jak pájecí plošky a pokovené díry, tak i vývodu součástky. Toho docílíme krouživým pohybem dutého hrotu (v případě vyhřívané odsávačky) kolem vývodu, na který je nasazen, při ohřevu (asi 5 s) i sání (asi 3 s). Pozor na deformované (zahnuté} vývody - ty musí být vyrovnány do osy díry.při použití nevyhřívané (mechanické,pružinové) odsávačky se ohřev místa spoje provede hrotem páječky. ad c) Pastovitá pájka se nanese na pájecí plošky tak, aby každý student mohl na desku vsadit 3 kusy rezistorů v orientaci a umístění, jak je vyznačeno na obr. 4 šrafováním. Destička s rezistory se před pájením musí vysušit v pícce vyhřáté na 110 C po dobu 5 min. ad d) Při vizuálním hodnocení se sleduje tvar spoje, množství a rozdělení pájky ve spoji, povrch pájky, znečištění okolí spoje, úplnost a celistvost smočení pájených povrchů pájkou, smáčecí úhel.