Pájení

Měkké pájky jsou slitiny „měkkých kovů“ s různým poměrem složek, kterým se dosahují jejich požadované vlastnosti, především teplota tavení. Pro pájení elektroniky se dlouho používala eutektická slitina s 37 % olova a 63 % cínu. Její teplota tání je 183 °C. Výhodou eutektické slitiny je hlavně to, že tuhne bez přechodových fází, ve kterých v neeutektických slitinách v jistém rozmezí teplot vedle sebe existují jak pevná fáze tak i tekutá. To má někdy nežádoucí důsledky. Existuje řada měkkých pájek s dalšími kovy jako je např.kadmium nebo zinek, vhodných pro teploty do 400 °C. Velkou skupinu tvoří tzv. cínové pájky s obsahem více složek jako je Sn,Pb, Sb, Zn, které pokrývají rozsah teplot od 185 do asi 260 °C. „Super měkké“ slitiny Pb+Sn+Cd+Bi vhodné pro pájení se vyznačují teplotou tání v mezích od 65 do 100 °C. Jsou označovány jako: Roseův kov, Lipowitzův kov a Woodův kov.

Tzv. "měkká" pájka je slitina dvou nebo více kovů s nízkou teplotou tavení. Měkké pájky (s teplotou tání nižší než 400 °C) jsou slitiny kovů jako Pb, Sn, Cd, Zn, Ag aj. Dříve používané slitiny s olovem jsou podle směrnice RoHS od r. 2006 zakázány a jsou proto nahrazeny slitinami Sn, Cd, Zn aj., (např. pájka 220, s Cd82Zn16Ag2). (Výjimky se tolerují pro oblast lékařství, vojenství, částečně automobilové techniky a letectví/kosmonautiky.) Jejich vlastnosti jsou však v porovnání s olovnatými méně výhodné, např. mají horší smáčivost a vyšší teplotu tavení, což má nepříznivé důsledky (vyšší tepelné zatížení pájených součástek, zkrácení životnosti pájecího hrotu aj. Bod tavení bezolovnaté pájky je obecně o 20 až 45 °C vyšší, než u konvenční olovnaté eutektické pájky. Bohužel většina bezolovnatých slitin není eutektická. Pro ruční pájení v elektronice se pájky dodávají v podobě "dutého" drátu (trubičky) vyplněné tavidlem. Tavidlem pro pájení v elektronice je nejčastěji speciální kalafuna.

V České republice platí pro měkké pájky norma: ČSN EN ISO 9453 Slitiny pro měkké pájení – Chemické složení a tvary

Pro tvrdé pájení je velký výběr slitin i čistých kovů, a to jak pro pájení pod tavidlem, tak i ve vakuu nebo v redukční atmosféře.

Čisté kovy se používají spíš jen výjimečně. Může to být stříbro, měď, zlato a paladium. Dobře se hodí pro kapilární pájení ve vakuu.

Pro tvrdé pájení v atmosféře se vyrábí velký počet slitin různých kovů s vyšší teplotou tavení. Jsou to např. slitiny stříbra, mědi, kadmia, niklu a zinku v nejrůznějších kombinacích. Většina z nich obsahuje zinek, který má vysokou tenzi par a nemůže být proto použit pro pájení ve vakuu, kde se prudce odpařuje (sublimuje). Používají se také slitiny drahých kovů, např. Au-Ag, Au-Pd, Au-Cu, Au-Ni,

Zvláštní skupinu pájek tvoří tzv, aktivní pájky s malým obsahem titanu nebo vanadu, které jsou použitelné i pro pájení kovů na keramiku nebo grafit.

Zvláštní pájky a tavidla jsou nutné také pro pájení hliníku a jeho slitin. Osvědčily se zde zinkové pájky a složitější slitiny (Al, Cu, Sn, Cd).

Metody pájení můžeme rozlišovat především podle způsobu ohřevu pájených součástí a pájky. To může být lokální nebo celoobjemové.

Lokální ohřev při měkkém pájení se dá uskutečnit dotekem horkého tělíska, které je součástí tzv. páječky. Nejčastěji je ohříváno elektricky, buď přímým průchodem elektrického proudu u transformátorové páječky nebo nepřímo elektrickým topným tělesem. Moderní elektrické páječky využívají možnost nastavení teploty pájecího hrotu a elektronické stabilizace nastavené hodnoty. Uplatňují se hlavně při ruční malovýrobě elektronických zařízení. Ve hromadné výrobě se pájí součástky k deskám plošných spojů metodou pájení vlnou nebo přetavením.

Ve větším rozsahu ohříváme pájené předměty a pájku proudem horkého plynu nebo plamenem. Pro měkké pájení stačí plamen zemního plynu se vzduchem, pro tvrdé pájení je nutný teplejší plamen kyslíko-acetylenový nebo kyslíko-vodíkový. Proces pájení plamenem je většinou „ruční“, takže výsledek je silně závislý na zkušenostech a zručnosti pracovníka.

Při celoobjemovém zahřívání v peci jsou ruční zásahy do procesu vyloučeny. Kvalita výsledku pak závisí hlavně na dokonalosti nutné přípravy pájených předmětů (například na kvalitě použitých přípravků pro ustavení dílů a na kvalitě očištění ploch). Při pájení v peci je teplo předáváno sáláním z topného tělesa (ve vakuu) nebo i vedením plynem (v peci s redukční atmosférou).

Pro pájení je možné použít i indukční ohřev a to jak lokální, tak celkový. Tato metoda má vyšší produktivitu, ale také vyšší pořizovací náklady, neboť musí být k dispozici tvarově odpovídající induktor a je nutné při ní použít tavidlo. Velikost pájených předmětů je limitována výkonností zařízení a kvalitou tavidla.

Nejdokonalejší způsob je pájení ve vysokém vakuu. Je použitelný jen pro tvrdé pájení různých kovů s vyšší teplotou tání, s výjimkou slitin obsahujících zinek, který má vysokou tenzi par a ve vakuu prudce sublimuje. Pro pájení ve vakuu se vyrábějí pájky také v podobě prášku, např. ze slitiny Ni-Cr s teplotou tání cca 950 °C. Tato pájka dobře smáčí nerezavějící ocel, Po ztuhnutí je velmi tvrdá (nesnadno obrobitelná), ale velmi pevná. Zdrojem tepla je ve vakuových pecích „klec“ z molybdenového drátu zahřívaná elektrickým proudem. Navenek je izolována stíněním z molybdenového plechu a vodou chlazeným pláštěm. Pájeným předmětům se teplo předává výlučně sáláním. Tímto způsobem lze dosáhnout teploty kolem 1400 °C. Roztavená pájka působením povrchového napětí zatéká do spáry mezi spojovanými součástkami. Dosahuje se tím dokonale těsného a mechaniky pevného spojení.

Pájení v elektronice může být prováděno ručně, postupně spoj za spojem, nebo hromadně na deskách plošných spojů (DPS).

Pájení

Ruční pájení se uskutečňuje nejčastěji dotykem kovového hrotu páječky ohřívaného zevnitř elektrickým topným tělískem. Moderní páječky umožňují nastavení teploty hrotu (v mezích např. 200–450 °C) a automaticky udržují nastavenou teplotu. Jsou dodávány s vyměnitelnými hroty různých tvarů, vyrobenými nejčastěji z mědi. Protože měď snadno oxiduje a je rozpouštěna cínovou pájkou, jsou na vnějším povrchu chráněny pokovením. Základní vrstva bývá z niklu, který může být ještě pokryt vrstvou železa. Část povrchu, která nemá být smočitelná pájkou, je ještě chromována. Tvar a rozměry pájecího hrotu určují účinnost předávání tepla. Pro pájení rozměrnějších spojů je vhodné použít hroty větších rozměrů. Ostré hroty je ovšem nutné použít při pájení úzkých vývodů součástek hustě umístěných vedle sebe.

Je také důležité o pájecí hroty náležitě pečovat. Pokovené hroty se nesmí čistit nebo upravovat jejich tvar pilováním nebo broušením. Doporučuje se při prvním ohřátí hrotu jej pokrýt vrstvičkou pájky. která jej ochrání před oxidací a usnadní převod tepla při pájení. Je-li pájení přerušováno dlouhými (hodinovými) přestávkami, je třeba hrot čistit a nanášet čerstvou pájku, protože zoxidovaná pájka brání dobrému smáčení spoje. Čistit se má jen vlhkou speciální "houbou", dodávanou výrobci páječek a pájek.

Kvalitu výsledků ručního pájení lze zvýšit trvalou péčí o používaný pájecí hrot. Doporučuje se udržovat pracovní plochu hrotu čistou a obnovovat častěji pokrytí čerstvou pájkou. Trubičková pájka malého průměru nemusí obsahovat pro tento účel dostatek tavidla, které je pak nutno dodat z jiného zdroje. Používání silněji aktivované pryskyřice životnost hrotu snižuje.

Na výsledek ručního pájení má podstatný vliv pracovník, který pájení provádí, např. volbou pájecího hrotu, jeho teploty, místa a způsobu přiložení hrotu, volbou doby zahřívání, volbou pájky a tavidla a dalších faktorů. Zkušenosti a zručnost jsou zde proto rozhodující.

Hromadné pájení vlnou je tradiční metoda pájení v elektronice. Používá se pro pájení desek plošných spojů, osazených konvenčními součástkami s vývody ve formě drátů, kolíčků, planžet nebo taky bezvývodových (SMD) součástek, fixovaných lepidlem. Součástky s vývody se v tomto případě osazují všechny ze stejné (horní) strany desky (DPS) a můžou být zajištěny předtvarováním vývodů proti vypadnutí. Bezvývodové součástky se lepí na spodní, pájenou stranu. U desek může být použita kombinace osazování jak vývodových součástek (seshora) a bezvývodových součástek SMD (zespodu – fixované lepidlem) najednou. SMD součástky musí ovšem odolávat pájecím teplotám, protože jsou přímo smáčeny roztavenou pájecí slitinou.

Nejobvyklejší zařízení pro pájení vlnou je známé pod názvem "cínová vlna". Název je odvozen od cínových pájek, které se zde užívají. Základem hromadného pájecího zařízení je dopravník desek, který unáší DPS mezi jednotlivými sekcemi stroje. Na první sekci je na stranu pájení naneseno tavidlo. Tavidlo je roztok kalafuny v alkoholu nebo směs organických kyselin. Nanáší se z pěny nebo postřikem. Po nanesení tavidla veze dopravník desku dále předehřívací zónou. Tady se odpaří část rozpouštědla z tavidla. DPS i součástky se zahřejí na teplotu blízkou teplotě tekuté pájky. DPS následně projíždějí vlastní cínovou vlnou. Ta vypadá jako voda tekoucí přes jez. Pájené DPS protahuje dopravník vrcholem vlny. Proud roztaveného kovu musí smočit všechny kovové povrchy, ale musí s sebou odnést všechnu přebytečnou pájku. To se zajišťuje například zvláštním tvarem vlny. Existuje několik různých provedení pájecích vln – jednoduché, dvojité (nejčastěji bezprostředně za sebou jdoucí vlna vířivá, turbulentní a za ni vlna klidná, laminární), vlna protiběžná (reflexní), atd. Některé stroje (celkem vzácně) jsou hned za výjezdem z vlny vybaveny lištou (štěrbinou) s tlakovým horkým vzduchem nebo (řídčeji) dusíkem (tzv. vzduchovým nožem), který strhává nadbytečnou pájku – eliminuje tvorbu zkratových můstků. Po průjezdu cínovou vlnou pokračují DPS do zásobníku nebo myčky desek s následným sušením.

Velkého zlepšení kvality pájení se dosahuje pájením v atmosféře z inertních plynů (nejčastěji dusík (levnější), řidčeji argon (menší spotřeba)), které se realizuje zavedením inertní atmosféry přímo do lázně (lázní), nebo (výhodněji, ale pracněji) zakrytováním pájecích van (řidčeji – včetně sekce předehřevu(ů)). Aby se ale účinek inertního plynu projevil dostatečně důrazně, musí být vytěsnění kyslíku velké (kyslík musí být maximálně na hranici 0,1% (1000 ppm) nebo méně). Zvýšené náklady na inertní plyn jsou pak z větší části eliminovány úsporou pájecí slitiny – tvoří se podstatně méně strusky (odpadu, který se soustřeďuje na povrchu lázní, musí se ze stroje pravidelně sbírat ale lze ho recyklovat) a zvýší se kvalita pájení – zlepší se roztékavost slitiny a tím je menší výskyt zkratovacích můstků (vyšší spolehlivost, nižší náklady na opravy špatně zapájených spojů). Též na pájených místech je proto menší vrstva pájky (t. j. v globálu vzniká další úspora pájky). Ve většině případů je možné taky o maličko snížit teplotu pájecí lázně (úspora energie).

Pletenec z měděných drátků pro odsátí pájky

Pístová odsávačka při použití

Odpájení je soubor metod používaných k šetrnému oddělení součástek spojených pájením. Využívá se především při vývojových pracích na elektrotechnických zařízeních a při opravách. Jednodušší, často užívané metody mohou být:

• Odsátí pájky pletencem z tenkých měděných drátků – zapájený spoj se ohřívá páječkou (nejlépe tělískovou, transformátorová není vhodná) a současně je ke spoji přiložen konec pletence. Po roztavení se pájka kapilárními silami nasaje (navzlíná) do pletence z drátků. Před dalším odsáváním pájky je třeba část pletence zaplněnou pájkou odstřihnout.
• S pomocí ruční, pístové odsávačky – vlastní odsávačka je tvořena pístem se špičkou z materiálu, ke kterému pájka nepřilne. Píst se stlačí proti odporu vložené pružiny. Zapájený spoj se ohřívá páječkou a ke spoji se přiloží i špička odsávačky. V okamžiku roztavení pájky se uvolní píst a ten „nasaje“ roztavenou pájku, která ve formě drobounkých kuliček zůstane uvnitř odsávačky.
• Odpájecí soupravou – často součást pájecí stanice, kde jedním nástrojem je i páječka s regulací teploty. Odsávačka je samostatná hlavice tvořená vyhřívanou dutou špičkou s hadicí napojenou na membránový kompresor. Vnější část hlavice ohřívá pájku až do roztavení, současně kompresor odsává vzduch z místa ohřevu. Jakmile je pájka dostatečně ohřátá, je stržena proudem vzduchu do zásobníku u kompresoru.

Pro odpájení integrovaných obvodů se užívají jiná, náročnější zařízení.

• RUŽA, V.: Pájení. SNTL, Praha, 1988.
• SOUTOR, Z. – ŠAVEL, J. – ŽŮREK, J.: Hybridní integrované obvody. SNTL, Praha, 1982.
• ABEL, M. – CIMBUREK, V.: Bezolovnaté pájení v legislativě i praxi. Abetec, 2005, ISBN 80-903597-0-1.
• ZÁHLAVA, V.: Návrh a konstrukce desek plošných spojů. BEN - technická literatura, Praha, 2010, ISBN 978-80-7300-266-4.
• ŠANDERA, J.: Návrh plošných spojů pro povrchovou montáž. BEN - technická literatura, Praha, 2006, ISBN 80-7300-181-0.
• SZENDIUCH, I.: Technologie elektronických obvodů a systémů. VUTIUM, Brno, 2002, ISBN 80-214-2072-3.
• ČSN EN ISO 9453 Slitiny pro měkké pájení – Chemické složení a tvary
• Espe, Werner: Hmoty pro elektrotechniku. SNTL Praha, 1950 (velmi obsáhlý přehled pájek a tavidel)
• Rakesh R. Kapoor: Brazing Alloy Design for Metal/Ceramic Joints. Ceram. Eng. Sci. Proc. 10[11-12], 1989
• Jelínek, J., Málek, Z.: Kryogenní technika. SNTL Praha, 1982, str. 277
• Zobač, L., Základy vakuové techniky. SNTL Praha, 1954, str. 192
• Ruža, Viliam: Pájení. SNTL Praha, 1988
• Soutor, Z.; Šavel, J.; Žůrek, J.: Hybridní integrované obvody. SNTL Praha, 1982
• Šandera Josef: Návrh plošných spojů pro povrchovou montáž. BEN - technická literatura, 2006, ISBN 80-7300-181-0
• Abel Martin: Bezolovnaté pájení v legislativě a praxi. ABETEC 2005, ISBN 80-903597-0-1
• Rahn, Armin: "1.1 Introduction". The Basics of Soldering. John Wiley & Sons, 1993, ISBN 0471584711.
• Brady, George et al.: Materials Handbook. McGraw Hill, 1996, str. 768–770. ISBN 0070070849.

• Pájka
• Odpájení
• Osazování plošných spojů
• Dmuchavka

• Obrázky, zvuky či videa k tématu pájení na Wikimedia Commons
• Encyklopedické heslo Pájení v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích