Po vydání článku a videa o pájení SMD součástek metodou přetavení v domácích podmínkách mi přišlo více reakcí, než obvykle. Je vidět, že je to téma, které bastlíře zajímá. Nejzajímavější e-mail mi přišel od Milana OK2IMH, který se pájení věnuje profesionálně. S jeho svolením jsem jeho mail upravil do podoby článku na web. Je to hodně textu, ale doporučuji si to přečíst. Jarda, ok1hdu

Text (e-mail) od OK2IMH:

Dovolím si přidat k tomu několik informací. Mě pájecí technika živí už 25 let.

Pájecí profil, tedy průběh teploty v závislosti na čase určuje výrobce pájecí pasty. Ty tolerance času a teplot jsou zpravidla docela široké, vlastní proces se pak dělá podle součástek. Aby ty velké se zapájely a ty malé nespálily. Takže příprava profilu probíhá tak, že se hotová deska napreparuje termočlánky, zpravidla u největší a nejmenší součástky, k tomu teplota vlastní desky a někdy i čidlo, které snímá teplotu vzduchu v té které zóně pájecí pece. Tím se dá poměrně hezky graficky rozlišit, ve které zóně se co děje (i když to jde, samozřejmě, i z času spočítaného podle rychlosti transportu).

Někdy se konstruktéři zblázní a chtějí zapájet třeba velké relé a vedle něj 0402. To už bývá oříšek, protože to relé musíš fest ohřívat, ale tu malou součástku bys mohl přílišným teplem poškodit. Dělal jsem osobně testy pro BMW, kdy taková situace byla. Mezi relé a 0402 byl teplotní rozdíl (delta T) 20,5°C. Když si vezmeš max. dovolené teploty pro daný proces, je tzv. procesní okno (dovolený rozsah teplot) setsakra malé. Relé se sotva zapájí, 0402 vedle "potí krev", bo je na hranici svých fyzikálních možností.

Řešením bylo pájení v parách, což je docela speciální technologie, kdy se teplo přenáší za pomoci (kondenzací) par Galdenu (chemicky perfluorpolyetheru), který "vaří" při 240°C. Ta pára Galdenu se "vysráží" na výrobku, čímž ho ohřívá. Po velkých součástkách to stéká, čili je ohřívá intenzivněji než malé, kde to nemá kde téct. Tím se srovnají teploty malých a velkých součástek, což je asi největší výhoda toho proccesu. Další výhodou je nepřekročitelná max. teplota, daná bodem varu té které frakce galdenu (může být např. 215, 230 nebo 240°C).

Ovšem - Evropská unie, jakmile slyší cosi o fluorované sloučenině, už vymýšlí, že to zakáže. Při rychlosti úředníků to tak do 15 let zakázané opravdu bude. Náhrada v dané chvíli není.

Ale zpět k pájení konvekcí a kondukcí.

Dalším problémovým prvkem elektroniky bývají kondenzátory - mají uvnitř elektrolyt, který má bod varu někde kolem 220 - 230°C - z toho potom plynou známé problémy s vyschnutými kondíky. Existují studie, které prokázaly 3 - 5% ztrátu kapacity po průchodu přes pájecí pec. Záleží potom na kvalitě utěsnění toho kondenzátoru. On si jakoby "odfoukne", což není až tak strašné. Pokud ale to těsnění se nevrátí do původního stavu, kondík je jakoby "pootevřený" a pokud ho ještě konstruktér umístí ke zdroji tepla (stabilizátor, výkonový prvek) - tak je na problém zaděláno, pojem kurvítko jsi určitě slyšel. Jedno z nich je "aktivováno" právě už při pájení. K dalším poškozením přispívá m.j. impulzní zatížení elyt. kondíků a je hotovo (např. chybějící malá kapacita paralelně s elytem - výrobce trošku ušetří a zároveň si zajistí další výrobu do budoucna, bo ta elektronika už tolik nevydrží).

Ale zpátky k pájení

Důležité je:

Gradient ohřevu (strmost ohřevu) - u olovnaté pájky nemá překročit 5 K (°C)/s, u bezolovnatých pájek 3 K/s. To je důležité kvůli možné vlhkosti v pouzdře součástek (ty se řadí do "tříd" podle MSL (moisture sensitivity level), aby měla čas "odejít" (jinak hrozí, že součástka samou radostí vyskočí z pouzdra) a také se postupně aktivuje tavidlo, které má za úkol odstranit oxidy na součástce a DPS. Zpravidla se drží tzv. sedlový profil (tvar teplotního průběhu připomíná trochu sedlo koně :-) ), tzn. teplota se dostane na 150 - 170°C, to se nějakou dobu podrží - tavidlo vykoná svou práci. Potom tavíme.

Někdy se používá tzv. lineární profil, který nemá tu část s ustálenou teplotou předehřevu a jde od "pokojové" teploty až k přetavení lineárně, čili furt dopředu (resp. nahoru).

Vlastní přetavení, neboli přechod přes liquidus dané pasty, následuje po předehřevu. Je nutné určité přehřátí, aby pasta byla "tekutější" a navzlínala co nejlépe na vývody součástek. Tady se zpravidla uvažuje s 5% přehřátím, ovšem počítáno od nula K(elvinů). Takže pro olovnatou pájku se teplota na součástce v pájecí peci pohybuje kolem 215 - 220 °C.

U bezolovnatých pájek (fuj) je to celé teplotně výše. Teplota tavení se totiž pohybuje kolem 217 - 221°C (podle slitiny), tzn. výsledná teplota při pájecím procesu se pohybuje v rozmezí 235 - 245°C. Abys dosáhl takové teploty, musíš v pájecí peci topit samozřejmě o cosi víc, je tam teplotní spád mezi zdrojem tepla a vlastní deskou.

Pokud deska pořád jede, problém není. Horší je, když se zasekne a stojí v peci. Tady je nutné už dávat pozor, protože u "obyčejné FR4" (nejběžnější materiál na plošné spoje) nastává při cca 260°C delaminace a celé to docela smrdí, bo se uvolňují dioxiny a furany. Jak smrdí spálený plošňák asi víš, že?

Ochlazování - opět by měla být zachováno určitá rychlost chlazení, udává se 2 - 6 K (°C)/s, čím rychleji ochlazuješ, tím jemnější krystalická struktura v pájeném bodě vzniká. Je velmi důležitý materiál, na kterém součástky jsou umístěné, např. keramika je mnohem citlivější než sklolaminátová FR4.

Někdy se používají i pájecí pasty s nízkou teplotou tavení, tím myslím např. +- 138°C, zpravidla pájky obsahující vizmut (SnBi). Po zahájení, resp. příkazu Unie používat bezolovnaté pájky, si třeba Volvo vyřvalo výjimku a ještě několik roků po začátku té šílenosti (od 2006) si nechávalo pájet elektroniku olovnatou pájkou.

Elektronika pro military a space použití se i dnes pájí olovnatou slitinou. Automotive používá dnes už vpodstatě bez výjimek bezolovo, elektronika se už ve fázi vývoje navrhuje s životností cca 8 roků a nebo 300t km. Ona ta bezolovnatá slitina obsahuje přes 90% cínu a ten, jak známo, může být "napaden" tzv. cínovým morem, kdy kujný, lesklý kov se mění na šedý prášek (odborně se to nazývá přechod z beta struktury do alfa struktury).

Pojem cínový mor je znám z doby dávno minulé, kdysi se píšťaly varhan dělaly z cínu, ovšem zima v kostele vedla k onomu negativnímu jevu. To vedlo m.j. k vývoji slitin cínu, které tím netrpěly. Zkus si někdy dát na Youtube heslo "tin pest" a uvidíš.

U elektroniky pájené bezolovnatou slitinou se objevuje ještě jeden velmi negativní jev - tzv. whiskers, čili vousy. Zjednodušeně řečeno jde o dendrity, které začnou růst z pájeného spoje (dokonce už 6 hodin po zapájení) a které mohou dosahovat (a dosahují) délky třeba 0,5 - 0,6 mm, což může vést k tomu, že se ulomí a jakmile spojí vývody procesoru, nastává problém. Rozteč vývodů 0,4 - 0,5 mm není žádná zvláštnost, to ale jistě víš sám i beze mě, hi.

Ještě krátce k nanášení pasty na desku spojů

Buď sítotisk, resp. šablonový tisk, nebo dispenzer.
Šablona je (zjednodušeně) nerezový plech a mívá nejčastěji tloušťku 120 - 150um, laserem jsou vypálené apertury (otvory) pro pájecí plošky a tou tloušťkou je daná výška vrstvy pasty na desce spojů. Jsou speciální případy, kdy šablona je stupňovitá (různě "tlustá" u některých součástek), tzn. podle typu součástky se může měnit množství pasty, která se pod ni nanese.

Pasta může být nanesena max. 8 hodin, pak musí být přetavena. Ona vykazuje určitou lepivost, takže drží součástky (jak jsi správně napsal, jsou součástky vtlačeny definovanou silou do pasty).

Jako poslední malou poznámku ke Tvému povzdechu nad třesoucíma se starýma rukama při osazování součástek. Ono je to, samozřejmě k nas--štvání, když není ruka klidná, ale i tady nám fyzika pomáhá. U součástek, především dvouvývodových, ale i u procesoru s BGA kuličkama, funguje tzv. samostředicí efekt - jakmile je pájka tekutá, kapilární síly tu součástku vystředí, osazení s přesahem 30% to v pohodě srovná. Onehdá jsem doma pájel velká QFN (32) pouzdra a nádherně to fungovalo. Samozřejmě, když je součástka úplně mimo, tak to nefunguje, malé odchylky to ale srovná. Ale i u velkých BGA apod. součástek ten samostředicí efekt v určítém rozsahu krásně funguje. Jen je důležité mít správně nastavený pájecí proces. Tavidlo není třeba připomínat, že, hi?

To, co Ty jsi použil (ta topná deska) je kombinace kondukce (přenos tepla sdílením, vedením) a konvekce - přenos proudícím médiem (vzduchem), v tomto případě volná konvekce, nikoliv vynucená, kdy horký plyn (vzduch nebo dusík) se žene na DPS pomocí ventilátorů.

Topné desky se používají v průmyslové praxi spíš na vývojové záležitosti, ev. speciality (hybridní technologie), kdy se výrobek zahřeje např. až na 400°C (např.) a do uzavřeného prostoru se vhání určité plyny, které v dané teplotě způsobí určité technologické kroky na vlastním výrobku (čipu).

Poslední dobou se velmi intenzivně pracuje na procesu pájení s využitím kyseliny mravenčí, cílem je pájet bez tavidel, tedy čistější proces. Oxidy mědi se zredukují na čistou měď a vznikne pár molekul CO2.
Následně se při teplotě tavení kyselina mravenčí tepelně rozloží a odchází odsáváním pryč z pájecího zařízení, na výrobku ani v zařízení nezůstávají tedy žádné korozi spouštějící sloučeniny.
Výrobci pájecích past mají z toho tak trochu bolavé hlavy, protože musí vyrobit pastu, která jde tisknout a zároveň se vše, kromě pájecí slitiny, musí odpařit a nebýt škodlivé.
Koncentrace té kyseliny také nesmí překročit uvnitř zařízení cca 5%, protože potom má snahu naleptávat hliník a jeho slitiny, které jsou hojně využité uvnitř pájecích pecí, např. na profily, vedoucí transportní řetězy apod.

Určité speciální procesy používají pájení pod vodíkovou atmosférou. To už je ale docela dost potřeba hlídat, koncentrace vodíku může být max. 5 - 7%, aby nehrozilo nebezpečí prudkého sloučení se vzdušným kyslíkem, nazývané někdy výbuchem, hi.

Tak to by bylo z mé strany vše, snad jsi zvládl to přečíst až sem, za což máš můj obdiv, hi.

Zdravím z Příbora!

73! de Milan, OK2IMH