Připojování součástek v elektronice

Základní princip připojování elektronických součástek do obvodů se od počátků elektronické výroby zásadně nezměnil. Provádí se stále měkkým pájením slitinami Sn-Pb, které vytváří pevný a dobře vodivý spoj, jehož základem jsou intermetalické slitiny Sn-Cu mezi vývodem součástky a připojovacím místem obvodu. Jedná se v podstatě o fyzikálně-chemické pochody, které lze zjednodušeně schematizovat dle interakcí mezi zúčastněnými kovy při procesu pájení.

Vznik těchto mezivrstev (i.v.) z intermetalických slitin je základním předpokladem pro utvoření dokonalého pájeného spoje, který zaručuje dlouhodobou mechanickou pevnost a elektrickou vodivost.

Takovýto spoj je utvářen ve dvou nezávislých krocích :

• části, které mají být vzájemně spojeny se nejprve pocínují, resp. opatří vrstvou pájky (dojde k utvoření intermetalických vrstev )
• spojované povrchy se následně prohřejí nad teplotu tání použité pájky, která vzájemným slitím s přídavkem pájky z vnějšku vytvoří po ochlazení pevné spojení dvou nebo i více částí.

Dalším neméně důležitým faktorem při pájení je teplota, za které proces probíhá. Vrstvy intermetalických slitin mají krystalickou strukturu, jejíž jemnost závisí na velikosti teploty při pájení i době trvání tepelného procesu a to tak, že při vyšších teplotách a kratším působení tepla se vytváří jemnější struktury. Při dlouhodobé aplikaci tepla na spoj ( > 10 -20sec.) velikost zrn vzrůstá, čímž klesá jeho mechanická pevnost zejména ve střihu. Tato okolnost je zvlášť významná v technice SMT, kde střihová napětí výrazně převažují nad tahovými.

Protože růst i.v. je závislý na teplotě, proces i když velmi pomalu pokračuje i za ambientní taploty a protože silné i.v. ( > 0,5 - 0,7µm ) zhioršují pájitelnost, opatřují se povrchy základního kovu, což bývá obvykle měď nebo mosaz mohutnějším ovrstvením SnPb máčením s procesem HAL (hot air leveling) pro odstranění přebytků pájky. Takto opatřené DPS mohou být skladovány za snížené teploty po relativně dlouhou dobu (i týdny ) se zachováním pájitelnosti. Na rozdíl od tohoto, DPS cínované chemicky musí přijít do pájecího procesu téměř okamžitě po pocínování, vzhledem k tomu, že vrstva dosáhne síly max. µm. Z tohoto důvodu je chem. cínování vhodné pouze v prototypové výrobě nebo v amatérské praxi, kde lze okamžité zapájení uskutečnit bez problémů.

Pájitelnost :

Pájitelností je nazvána míra schopnosti povrchu kovu, který má být pájen, být smočen pájkou a to bez ohledu na to jestli se jedná o základní kov nebo o povrch, který již byl nějak metalurgicky zpracován ( např. pozlacen, kadmiován, niklován a p. ). Různé kovy totiž mají rozdílnou schopnost vytvářet se slitinami SnPb intermetalické vrstvy z čehož zákonitě vyplývá i jejich rozdílná pájitelnost. Pro SnPb slitiny se pájitelnost zhoršuje s následujícím pořadím kovů : Au, Ag, Cu, Pa, Ni a Pt, která je již téměř nepájitelná. Dalším důležitým předpokladem dobré pájitelnosti jsou čisté a neoxidované povrchy ( i toto je jedním z důvodů proč je zlato výborně pájitelné i v nejnepříznivějších podmínkách ). Jak již bylo zmíněno, opatřují se povrchy zákl. kovů kromě zlata ochrannou antioxidační vrstvou Sn, resp. SnPb.

Povrchové napětí pájky a smáčitelnost :

Jestliže kulička tekuté pájky přijde do styku s povrchem jiného kovu, začnou na ni působit dva druhy sil. Kohesivní síly, které se ji snaží udržet v původním stavu,tj.s co nejmenším povrchem při daném objemu a adhesivní síly s tendencí rozšířit kontakt obou kovů na plochu. Velikost této plochy styku je potom mírou pájitelnosti tohoto kovu, jak již bylo uvedeno. Označme: Eo = povrch. energii, Ea = adhesivní energii, q = kontaktní úhel

Pomocné prostředky zlepšující pájitelnost :

Různá znečištění povrchu, který má být pájen, z nichž nejčastější je vytvoření vrstvy oxidu, mají za následek výrazné zhoršení smáčitelnosti vlivem poklesu adhesivních sil. Kontaminované povrchy jsou na pohled matné a jsou složeny ze dvou rozdílně utvářených vrstev :

K překonání těchto barier používáme tavidla ( flux ), která v procesu pájení účinkují několikerými způsoby :

• rozpouštějí absorpční vrstvu
• odstraňují oxidy, sulfidy i jiné reakční produkty
• tím, že vnikají mezi povrchové molekuly zákl. kovu, podporují vznik i.v.
• zlepšují smáčitelnost
• zabraňují reoxidaci povrchu při zvýšené teplotě v procesu pájení

Schema složení moderních tavidel

Přesná klasifikace tavidel kvůli jejich komplexnímu působení v procesu pájení je velmi obtížná. V průběhu doby se však obecně ustálilo jejich rozdělení do čtyřech základních skupin. Toto rozdělení vychází v podstatě z normy DIN 8511.

Obecně lze říci, že v současné elektronické výrobě není nutné používat aktivovaná tavidla, protože desky ploš. spojů i součástky se vyznačují dobrou pájitelností. Avšak i vzhledem k ekologickým aspektům dnešní doby je žádoucí volba takových technologických postupů, aby se procesy mytí a čištení na bázi organ. rozpouštědel a halogenidových sloučenin zcela vyloučily. Z těchto důvodů je doporučováno výhradně používání neaktivovaných tavidel, pouze v případech nutnosti zrychlit pájecí proces a omezit tím případný teplotní šok některých citlivých součástek lze použít tavidel typu RMA. Tento typ tavidel se používá také při opravách a výměně vadných součástek.( RMA-7 Alfa-Metals ).

Zatímco principy pájení v elektrotechnice zůstávají neměnné, metody pájení se od minulosti k dnešku vyvíjely tak, aby stačily uspokojovat rostoucí nároky průmyslového vývoje.

Dnes jsou na trhu nejrozmanitější zařízení pro osazování a pájení, ať se již jedná o zařízení ruční nebo plně automatizované průmyslové linky. Viz ZDE.

Rozpustnost kovů

Pájitelné povrchy se rozdělují na pokovené a nepokovené. Nepokovené jsou tedy přímo základní kovy, nejčastěji Cu, ale také mosaz,Fe, Al a podobně. Pokovení základního kovu může být buď tavitelné nebo rozpustné

Rozpustnost kovů v tekuté pájce SnPb klesá dle stejné řady jako v případě již uvedené pájitelnosti. Mezi oběma jevy je vzájemná závislost. V následujícím grafu je znázorněna rychlost rozpouštění vybraných kovů v klidné lázni SnPb na teplotě lázně.

Z uvedeného grafu je patrné, že drahé kovy zlato a stříbro se při obvyklé pracovní teplotě pájecí lázně ( cca 260 0C ) velmi rychle rozpouštějí již i při krátkém styku s roztaveným kovem - pájkou. v trvání kolem 5 s.

Lze odvodit, že pokovení zlatem o síle 20µm v lázni SnPb teploty 260 0C po pětisekundovém průchodu zcela zmizí. Fenomen rozpustnosti je je i příčinou známého ubývání měděných hrotů pájedel. U profesionálních výrobků jsou hroty vždy povrchově upraveny tak, aby byly vůči pájce rezistentní. Nutno však poznamenat, že v tomto ohledu nepříznivá vlastnost rozpustnosti kovů je bezvýznamná v případě pájení v technice povrchové montáže metodami "reflow " ( přetavení), u kterých se používá zanedbatelných množství pájecího prostředku nejčastěji ve formě pájecí pasty a pájený kov se tak "nemá v čem" rozpouštět. Rozpustnost specifického kovu může být snížena také přídavkem téhož do slitiny pájky. Používá se tak na př. pájka Sn62Ag1Pb pro pájení součástek s vývody pokovenými AgPd.

Pájecí pasty :

Pájecí pasty jsou používány výhradně pro SMT při pájení přetavením. Svým složením - kovová slitina pájky ve formě jemného prášku dokonale homogenizovaná s vhodným typem tavidla - musí splňovat několik základních požadavků, z nichž uvádíme nejdůležitější :

- sférický tvar kovových částeček - nesmí obsahovat podlouhlé tvary - povrch částic musí být hladký - největší průměr částic Ł 40 µm - nejmenší průměr částic > 8 µm - max. přípustný obssah oxidů 250 ppm - po nanesení musí udržet původní tvar nesmí se roztékat do plochy (tixotropie)

• použité tavidlo nesmí způsobovat oxidaci v místě nanesení se kterým je pasta po aplikaci v kontaktu i několik hodin.Toto riziko koroze má být před použitím pasty testováno t.zv.testem měděného zrcadla ( navyleštěnou Cu desku se nechá působit vzorek zkoumané pasty po definovanou dobu a hodnotí se zanechaná stopa v místě styku ).
• po vytavení se musí slévat do jednolitého tvaru bez nebo s minimálním vznikem doprovodných kuliček přetavené pájky. Zkoumá se testem zrnění, angl. "balling test". Vzhledem k tomu, že pájecí pasta je velmi delikátní substance nezanedbatelné ceny, lze pro její používání a skladování doporučit dodržování ověřených pravidel :

1. kladovat na čistém a suchém místě se sníženou teplotou kol 5 0C a v originálním obalu. Pájecí pasta se skládá z různých složek s velmi rozdílnou specifickou hmotností, takže má značnou tendenci k t.zv. "separaci". tj. rozvrstvení jednotlivých složek dle spec. hmotnosti. Takto "separované" pastě již nelze vrátit původní vlastnosti a je tedy nepoužitelná i po opětovném promíchání. Přinejmenším ztratí svoji původní tixotropičnost, která je jednou z nejdůležitějších vlastností pasty. Při snížené teplotě se zvýší viskozita tekutých složek a těžká kovová zrnka jsou fixována.
2. Po vyjmutí z chladu je nutné temperovat pastu v uzavřeném obalu na teplotu okolí nejméně 24 hod. Zamezí se tím vysrážení okolní vlhkosti na povrchu pasty a tím i její kontaminace H2O.
3. Pro odebrání pracovní dávky pasty použít čistou lžíci z inertního materiálu (polyethylen, Teflon a p.). Kovové předměty nesmí s pastou příjít do styku.
4. Zásobní balení ihned po odebrání pasty těsně uzavřít a uložit zpět do chladu.
5. Při nanášení pasty sítem či šablonou používat pro stěr nejmenší možné množství pasty. Při několikrát opakovaném stěru téže dávky pasta ztrácí tixotropičnost.
6. Přebytečnou pastu ze síta nikdy nevracet k původnímu obsahu.
7. Ztuhlou a přestárlou pastu nelze ničím rozředit. Je nepoužitelná. Skladujte vždy jen takové množství, aby nebyla překročena doba expirace uvedená na obalu. Při nákupu se přesvědčte o čerstvosti zboží. Nakupujte výhradně ve velkoobchodu, kde je větší odbyt a rychlejší obrat zásob.
8. Desky s aplikovanou pájecí pastou před procesem pájení neskladujte v chladničce, ale na suchém místě při pokojové teplotě.
9. Výrobci past udávají instrukce pro t.zv. zasušení pasty , která pak vykazuje lepší výsledky při procesu pájení.
10. Při přejímce většího množství pasty se doporučuje vstupní kontrola vč. odpovídajících testů kvality ( mirror test, balling test a j.).

Pro dosažení optimálních výsledků při pájení musí být použit odpovídající typ pájecí pasty. Třem základním způsobům aplikace pasty , což je sítotisk či šablonový tisk, nanášení jehlou dávkovače a přenos špičkou ( pin transfer ) odpovídají i různé typy složení a viskozity past.

Ve všech aplikacích však kvalitní pájecí pasta musí mít dobrou přilnavost k povrchu kovu, dostatečnou kapilaritu v tekutém stavu a tvarovou stálost po nanesení.

Pevnost pájeného spoje :

Pájené spoje vystavené trvalému mechanickému napětí mají tendenci k plastické deformaci, t.zv. tečení materiálu. Výsledná mechanická deformace spoje je pak kombinací tvárné a pružné deformace materiálu spoje a jejich poměru mechan. napětí a teploty. Plastické deformace tudíž uvolňují napětí v čerstvě zatuhlém spoji, které jsou obvykle způsobeny opětovným smrštěním materiálu součástky po jejím ochladnutí.

Při pájení SMD je spoj nejvíce namáhán střihem a nejslabším článkem tohoto spoje se stává křehká i.v., obzvláště je-li vytvořena velkými zrny krystalů kovu při dlouhém pájení za relat. nízké teploty. Jak již bylo zmíněno, tyto vrstvy narůstají i za pokojové teploty, i když velmi pozvolna, nicméně při zvýšených pracovních teplotách zařízení ( 60 - 80 0C ) je to již okolnost nezanedbatelná. Při trvalém střihovém napětí u špatně formovaného spoje pak křehká i.v. vrstva toto napětí neudrží a spoj praskne. Pokud však součástka u dobře formovaného spoje "plave" na vmezeřené vrstvě pájky o síle min. 0,1 mm ( až 0,3 mm u větších plošek ) eliminuje se střihové napětí v poměrně krátké době po zatuhnutí plastickou deformací této mezivrstvy a tím vymizí i střihové namáhání intermetal. vrstev a spoj vykazuje trvalou kvalitu i při zvýšené teplotě okolí.

Odolnost pájeného spoje proti střihovému namáhání je kromě uvedeného závislá také na množství nečistot, které vstupují do pájecího procesu

Příčný řez integrovaným obvodem. U vývodu vpravo lze pozorovat dostatečné množství vmezeřené pájky

Dobrý spoj

Nedostatečně zapájený spoj a nedopájený spoj se zbytky pasty

NEKVALITNÍ PASTA dělá kuličky