MONTÁŽ SMT A THT

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