Bod tání pájky: V jakém teplotním rozmezí se pájka taví? | SMTtech News

Elektronický průmysl dnes vzkvétá díky vynálezu a vývoji, mimo jiné, technologie povrchové montáže (SMT). Jedna z nejdůležitějších rolí v této technologii je připisována pájení reflow.

V tomto článku se podíváme na některé aspekty technologie pájení reflow a nastavení teplotního profilu.

Profil teploty pájení se skládá ze čtyř fází:

• předehřívací fáze
• fáze stabilizace
• fáze tání
• fáze chlazení

Je běžné rozlišovat mezi tradičním (Ramp-Soak-Spike – RSS) a lineárním (Ramp-To-Spike – RTS) profilem pájení. Zásadní rozdíly mezi tradičním a lineárním profilem spočívají v delší době trvání předehřívací fáze a absenci stabilizační fáze v lineárním profilu, což vede k nižší rychlosti ohřevu součástek. Pojďme se na každý profil podívat podrobněji.

Stupeň předehřívání

Tato fáze je nezbytná pro snížení tepelného šoku na elektronické součástky a desky plošných spojů. V této fázi se rozpouštědlo z pájecí pasty odpařuje. Teplota předehřevu je v rozmezí 95–130 °C, rychlost změny teploty pro tradiční pájecí profil je 2,0–4,0 °C/s, pro nový pájecí profil – 0,6–1,8 °C/s. Vysoká rychlost předehřevu může vést k poškození součástek, rozstřikování pájecích kuliček a tvorbě můstků. Pokud je však rychlost předehřevu nízká, může dojít k oxidaci kontaktních povrchů a částic pájky.

Stabilizační fáze

Tato fáze, nazývaná také „fáze vyrovnání teploty“, zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty po celé desce. Nárůst teploty je v této fázi velmi pomalý. Maximální aktivace tavidla nastává při teplotě okolo 150 °C. Doporučená doba stabilizace pro tradiční profil je 90–150 s (maximálně 5 min). Pro nový typ profilu se za dostatečnou považuje doba stabilizace 30 s. Na konci stabilizační zóny teplota obvykle dosahuje 150–170 °C.

Fáze přetavení

Aby se zabránilo nadměrnému růstu intermetalické sloučeniny, teplota pájení by neměla překročit bod tání pájecí pasty o více než 30-40 °C. Například u nejběžnějších slitin obsahujících olovo Sn62/Pb36/Ag2 a Sn63/Pb37 by se teplota pájení měla pohybovat v rozmezí 205-225 °C. Nízká teplota pájení (195-205 °C) zajišťuje špatnou smáčivost, zejména u součástek se špatnou pájitelností, proto se teplota ve fázi přetavování nastavuje o něco vyšší – v rozmezí 215-225 °C, s rychlostí zvyšování teploty 2-4 °C. Doporučená doba nad bodem tání je 30-60 s. U masivních desek lze dobu nad bodem tání prodloužit na 90-120 s. Vysoká teplota (240-250 °C) a doba pájení (více než 120 s) přispívají k růstu intermetalické sloučeniny. Nadměrný růst intermetalické sloučeniny zvyšuje křehkost pájeného spoje a zhoršuje jeho vzhled.

Stupeň chlazení

Pro zajištění maximální pevnosti pájených spojů by měla být rychlost ochlazování maximální. Zároveň může vysoká rychlost ochlazování způsobit tepelný šok u elektronických součástek. Na druhou stranu pomalé ochlazování může vést k intenzivnímu růstu intermetalické sloučeniny, čímž se pájený spoj stává tvrdším, ale křehkým. Doporučuje se ochlazovat rychlostí 3-4 °C/s na teplotu pod 130 °C. Pod 130 °C může být rychlost ochlazování nižší, protože již neovlivňuje kvalitu pájených spojů ani elektronických součástek.

Konečný výběr režimů tedy provádí technolog na základě konstrukce a materiálu desky plošných spojů, typu a velikosti součástek, počtu a hustoty umístění součástek na desce plošných spojů a typu pájecí pasty. Při výběru pájecího profilu je třeba vzít v úvahu, že skutečná teplota na desce během pájení bude nižší než nastavená teplota v peci. Rozdíl mezi skutečnou a nastavenou teplotou v peci závisí na konstrukci pece, počtu vrstev a velikosti desky, velikosti a hustotě umístění součástek.

Bod tání pájky je bod, při kterém se mění z pevné látky na kapalinu. Jedná se o jeden z nejdůležitějších parametrů při výrobě elektronických produktů, ovlivňující fázi pájení. Příliš vysoká teplota může způsobit slabý pájený spoj a také poškození samotné desky plošných spojů nebo elektronických součástek. V tomto článku se podíváme na teplotní rozsah, ve kterém se pájka taví, a také na to, jaké faktory tento proces ovlivňují.

Teplota tání pájky: Rozsah

Neškolenému člověku se může zdát, že k tavení pájky dochází současně. V praxi se jedná o složitější a postupný proces. Nejlépe je to vidět na stavových diagramech, kde vynikají dvě čáry:

• Solidus (z pevného – pevného) – to je čára, na které mizí poslední kapky taveniny. Jinými slovy, ukazuje teplotu, při které se taví nejtavitelnější složka pájky. Pod ním látka zcela přechází do pevné fáze.
• Liquidus (odtekutina–kapalný) – to je linie úplného roztavení všech pevných fází, které tvoří pájku. Nad touto teplotou se látka stává zcela tekutou.

Ve skutečnosti proces tavení pájky probíhá přesně mezi těmito čarami, počínaje teplotou solidu a končící teplotou likvidu.

Faktory ovlivňující tavení pájky

Pájka se při zahřívání roztaví; tento proces je ovlivněn mnoha faktory, které je třeba vzít v úvahu při pájení. Mezi nejdůležitější z nich patří:

Teplota. Jedná se o nejdůležitější parametr pájení, na kterém závisí kvalita a spolehlivost spojení. Při zahřátí se složky, které tvoří pájku, stanou tekutými a vzájemně se smíchají. Navlhčí vývod součástky a desku desky, a když ztvrdnou, vytvoří díky povrchovému napětí úhledný konkávní zaoblení. Při nedostatečném ohřevu nedochází ke zkapalnění pájky úplně, její složky nejsou dostatečně promíchány a v důsledku toho dochází ke slabému pájenému spoji (pájení za studena). Přehřátí může způsobit, že pájený spoj bude porézní a praskne.

Přítomnost toku. Tavidlo je navrženo tak, aby odstranilo oxidy z pájených povrchů, snížilo povrchové napětí a chránilo zahřátý kov před oxidací během procesu pájení. V nepřítomnosti tavidla začnou vlivem vysoké teploty složky pájecí směsi oxidovat, to znamená přeměňovat se na oxidy, které se vyznačují nižší mechanickou pevností, elektrickou vodivostí atd. Proto, aby se pájka účinně přetavila a vytvořit pevné spojení, je nutné zvolit správné tavidlo.

Velikost pájeného spoje. Čím větší je „spoj“ mezi podložkou a vývodem elektronické součástky, tím více pájky bude potřeba k vytvoření pevného a spolehlivého spojení. Je důležité, aby elektronická součástka těsně a přesně přiléhala ke kontaktním ploškám desky, protože pak bude k jejich spojení potřeba méně pájky, a tudíž menší vystavení teplotě k jejímu roztavení.

Faktory prostředí. Jedná se především o vlhkost a teplotu v místnosti, kde dochází k pájení. Je zřejmé, že čím vyšší jsou, tím teplejší bude zpočátku pájka a kontaktní povrchy. V souladu s tím bude k roztavení pájecí směsi zapotřebí méně zahřívání. Naopak, čím nižší je teplota a vlhkost v místnosti, tím více je potřeba pájku zahřát, aby se roztavila rovnoměrně a vytvořila spolehlivé spojení. Bohužel ne vždy je možné přesně řídit faktory prostředí, zejména mimo tovární prostředí – například při opravě desky plošných spojů nebo montáži jednotlivých výrobků v prostorách k tomu nevhodných.

Jaký je bod tání pájky?

Pokud vyloučíme výše popsané faktory, pak teplota tavení pájky přímo závisí na jejím složení – tedy typu a množství jejích složek, které mohou být více či méně tavitelné. Podle tohoto parametru se pájky obvykle dělí do dvou hlavních skupin:

• Měkký. Jejich bod tání je až 300°C. Patří sem slitiny na bázi cínu a olova bez přísad nebo s přídavkem kadmia, zinku, ale i bezolovnaté pájky. Dělí se také na zvláště nízkotající, jejichž bod tání nepřesahuje 145 ℃, a jednoduše nízkotající, tající při teplotách od 145 ℃ do 300 ᵒC.
• Pevný. Jejich bod tání je více než 300ᵒС. Do této kategorie patří pájky na bázi mědi (s přídavkem zinku, fosforu nebo niklu), ale i stříbra. Dále se dělí na střednětající (do 1100 ℃) a vysokotavné (bod tání v rozmezí 1100-1850 ℃). Existuje také více žáruvzdorných sloučenin, které se používají hlavně jako přísady.

Také v elektronice a elektrotechnice lze použít nízkotavitelné slitiny na bázi rtuti, cesia, alkalických kovů atd., které mají velmi nízké (i negativní) teploty tavení. Ve skutečnosti to nejsou pájky, ale lze je použít pro pájení zvláště citlivých elektronických součástek. Zároveň je vzhledem k jejich vysoké chemické aktivitě jejich použití omezené.

Co se stane, když se pájka přehřeje?

Pájecí hmota se může při pájení přehřát, pokud nejsou dodrženy tepelné podmínky a doba výdrže při daných tepelných podmínkách. V tomto případě jsou možné následující důsledky:

• Vady pájených spojů. Přehřátí způsobuje vyhoření tavidla a reoxidaci pájených povrchů. Oxidy kovů jsou méně odolné vůči mechanickému zatížení, a proto tvoří nespolehlivá spojení, která jsou rozbitá mírnými vibracemi a náhodnými nárazy.
• Otrava. Mnohé pájky obsahují olovo, jehož výpary jsou pro člověka toxické. Čím vyšší je teplota, tím větší je uvolňování par a tím i riziko otravy. Proto je při pájení důležité zajistit dobré větrání místnosti, používat ochranné pomůcky a kontrolovat proces tavení.
• Poškození součástí. Moderní elektronické součástky, jako jsou mikroobvody, odpory a kondenzátory, jsou vysoce citlivé na teplotu. Zvýšení teploty nad přípustnou mez je může při pájení poškodit. Může také způsobit poškození samotné desky plošných spojů.

Aby nedošlo k přehřátí nebo nedohřátí pájky při pájení elektronických součástek, je nutné nejprve prostudovat její vlastnosti uvedené ve specifikacích od výrobce. Během provozu musíte sledovat teplotu páječky pomocí infračerveného teploměru nebo termočlánku. Pokud pájení probíhá v průmyslovém podniku, pak mají pájecí instalace systém pro udržování teploty na dané hodnotě, což tento úkol usnadňuje.