Spájkované spoje v automobilovom priemysle

E-booky zdarma	Školení v oblasti pájení	ESD inspekce

Robotické spájkovacie systémy našli svoje uplatnenie v automobilovom priemysle, ďalej vo výrobe domácej elektroniky, smartfónov, zdravotníckych prístrojov atď. Robotické systémy sú vysoko výkonné, môžu pracovať 24 hodín denne, ľahko reagujú na neustále sa vyvíjajúci trh. Ako technológia elektronických zariadení postupuje, výrobky sa zmenšujú a zostavy sú hustejšie. Ochrana životného prostredia sa dostáva do popredia a vedie to k vydaniu rôznych environmentálnych predpisov (napr. smernice RoHS), ktoré je nutné vo výrobnom procese dodržiavať. To znamená, že spájkovacie systémy musia pracovať v súlade s požiadavkami na pevnosť, spoľahlivosť, náklady a použitie.

Automatizované spájkovacie procesy sú aplikované tromi technologickými metódami:

• metóda kontaktného spájkovania,
• metóda spájkovania laserom,
• metóda spájkovania ultrazvukom.

Metóda kontaktného spájkovania

Medzi všetkými spájkovacími metódami je kontaktné spájkovanie hrotom metódou s najdlhšou históriou a súčasne technicky najlepšie zavedenou. Vykonávala sa hlavne ručne, avšak spájkovacie roboty sa v posledných rokoch začali rýchlo presadzovať v automatizácii a racionalizácii. Proces vytvárania spojov spájkovaním začal v čase, keď sa tavivo používalo na odstraňovanie vrstvy oxidov zo substrátu. Spoj sa potom vytváral „zmáčaním“, „roztavením“ a „rozliatím“ po rozhraní medzi substrátom a spájkou. Roztavená spájka sa rozleje po kovovom povrchu, z ktorého bola odstránená vrstva oxidov, a kov substrátu sa rozpustí do materiálu spájky. V procese tavenia kovového materiálu vznikne kovová zliatina zo vzájomnej migrácie atómov ako z materiálu spájky, tak zo substrátu. Procesy tavenia a rozliatia majú za následok vytvorenie intermetalického spoja v spájke.

Cín, hlavná zložka spájkovacej zliatiny, demonštruje svoj silný sklon k rozpúšťaniu iných kovov, s ktorými príde do styku. Bezolovnatá spájka s vysokým podielom cínu má sklon rozpúšťať (alebo pri namáčaní DPS počas spájkovania vlnou) kov substrátu, meď koroduje a zateká do spájky. Úroveň nečistôt v každom prípade môže ľahko narastať.

Prednosti kontaktného spájkovania:

• Zaisťuje najlepšiu kvalitu spájkovania čo do pevnosti a spoľahlivosti.
• Spájka v prevádzke je stopercentne úplne nová.
• Poškodenie teplom je nepatrné. Možno použiť na spájkovanie elektronických súčiastok citlivých na teplo.
• Zariadenie je kompaktné a cenovo veľmi priaznivé.

Najväčšia prednosť kontaktného spájkovania železným hrotom spočíva v dosahovaní najvyššej kvality. Kvalita spájkovania je určovaná dvoma faktormi: pevnosťou spoja a spoľahlivosťou. Pri spájkovaní hrotom sa neustále privádza nová a rýdza spájka. Pri spájkovaní vlnou sa kov substrátu rozpúšťa do roztavenej spájky, ktorej vlastnosti sa tak menia. Prívod nečistôt sa považuje za hlavnú príčinu zníženej pevnosti spoja. Pri spájkovaní hrotom je súčiastka vystavená vplyvu tepla krátku dobu, všeobecne do 2 sekúnd. Elektronické súčiastky je možné pripájať bez obmedzenia ich funkčnosti, a to vďaka malému prenosu tepla. Kontaktný bod je 1−5 mm v porovnaní so spájkovaním pretavením, kedy sa teplo privádza na celú zostavu. Množstvo prenášaného tepla je veľmi malé, takže nemá žiadny vplyv.

Kontaktné spájkovanie má najdlhšiu históriu zo všetkých metód spájkovania a vyznačuje sa najlepšou pevnosťou a spoľahlivosťou, nedokáže však ľahko spracovávať niektoré nové úlohy vyplývajúce z najmodernejšej technológie. Aby bolo možné vyhovieť novým požiadavkám, je nutné zavádzať nové metódy, plne pochopiť teóriu spájkovania a špeciálne charakteristiky novej metódy využívať vhodným spôsobom.

Ďalšie metódy spájkovania

A) Metóda spájkovania laserom

Spájkovanie laserom je úplne nová metóda spájkovania a je to metóda budúcnosti. Pracovný postup spájkovania sa skladá z predohrevu spájkovacieho bodu, privedenie tepla na zdroj spájky, tvarovanie spájky a povrchové úpravy. Tento proces je vždy rovnaký, ale líši sa spôsobom privádzania tepla k zdroju spájky.

Pri procese spájkovania laserom je postup nasledujúci:

• Laser osvieti spájkovací bod.
• Osvetlená plocha emituje teplo (vyžarovanie povrchového tepla).
• Teplo sa prenáša do okolitej oblasti a stúpa až k teplote tavenia.
• Nanáša sa spájka.

Stav kompozície spájky sa mení v závislosti na stúpajúcej alebo klesajúcej teplote, a pokiaľ nie je teplota správna, nie je možné zaistiť optimálnu pevnosť a spoľahlivosť. Správna spájkovacia teplota je taká, pri ktorej sa vnútorná kompozícia spájky prakticky nezmení v porovnaní so stavom pred zahrievaním. V prípade privedenia nadmerného tepla sa zníži ako pevnosť, tak spoľahlivosť v dôsledku zmien kompozície. Tavivo tiež tečie pri rôznych teplotách odlišne; ak má privádzané teplo správnu hodnotu, tavivo najskôr natečie do pozície spájky, odstráni vrstvu povrchových oxidov a nečistôt a zlepší tesnosť spájky.

Prednosti laserového spájkovania:

1. Ide o bezkontaktný proces, tj nezaťažuje DPS.
2. Účinne privádza teplo a zdroj spájky umožňuje stabilnú automatizáciu spájkovania.
3. Umožňuje spájkovanie v úzkych miestach zostavy s vysokou hustotou montáže.
4. Veľké obmedzenie údržby.

Spájkovanie laserom nie je náhradou kontaktného spájkovania. Je dôležité vyhodnotiť každú aplikáciu a určiť, ktorú metódu použiť.

B) Metóda spájkovania ultrazvukom

Táto metóda je prevratná v tom, že umožní spojiť nespojiteľné materiály pomocou ultrazvukovej vlny. Umožňuje spájkovanie na materiáloch, ktoré boli pôvodne takmer nepájiteľné, ako je hliník alebo nerezová oceľ, a ďalej na úplne nepájitelných nekovových povrchoch, ako je sklo, keramika a alunit. Princípy pripojenia sa však pri každom z týchto materiálov podstatne líšia.

Spájkovanie ultrazvukom využíva kavitačný jav. Kavitácia je jav, kedy pri aplikácii vibrácií ultrazvukovej vlny na kvapalinu sa v dôsledku rozdielov tlaku vo vnútri prúdu vytvárajú drobné dutiny vo forme bublín. Tieto dutiny zaniknú vplyvom atmosférického tlaku. Počas tejto 1/50 000 sekundy sa uvoľní veľké množstvo energie. Ultrazvukové spájkovanie využíva kavitačnú energiu na odstránenie vrstvy oxidov. Je tomu tak preto, že využíva tento mechanizmus odstraňujúci potrebu taviva v spájkovacom procese.

Čistiaci účinok kavitačných implózií (na kove)

V systéme spájkovania ultrazvukom sa spájkovanie vykonáva zahriatym spájkovacím hrotom, ktorý súčasne emituje ultrazvukové vibrácie. Ultrazvukové vlny generované oscilátorom sa prenášajú na spájkovací hrot prostredníctvom lievika produkujúceho kavitačné bubliny na rozhraní medzi substrátom a roztavenou spájkou. Implózna energia kavitácie mení povrch oxidu a odstraňuje vrstvu nečistoty a oxidu. Súčasne sa vplyvom tavenia a rozliatia vytvára vrstva zliatiny.

Pripájanie prostredníctvom kyslíka (nekovové)

Sklo a keramika sú samé oxidy a nemôžu byť pripájané konvenčnými spájkovacími mechanizmami. Kyslík sa zaradí počas súčasného uvoľnenia tepelnej energie v okamihu, keď zaniknú ultrazvukové kavitačné bubliny. Bolo odporúčané, aby kovové zložky roztavenej spájky so svojou silnou chemickou afinitou ku kyslíku túto energiu využili a zaradili kyslík ako médium, prostredníctvom ktorého sa vytvorí zdieľaný spoj s povrchom skla alebo podobného materiálu. Spájka roztavená vplyvom ultrazvukových vibrácií je dostatočne premiešaná, takže spájka na spájanom povrchu je ochotnejšia na zaradenie kyslíka a na vytvorenie silnejšieho zdieľaného spoja.

Výsledné geometrické vlastnosti, chemické vlastnosti a pevnosť spoja nie sú horšie ako pri bežnej spájke. Možnosti využitia spájkovania ultrazvukom sú napr. pripájanie elektród ku sklu v solárnych paneloch, spájkovanie hliníka v riadiacich jednotkách, ktoré tvoria „mozog“ automobilu, cievok s hliníkovým drôtom v motorových cievkach a prevodovkách atď.

Prednosti ultrazvukového spájkovania

1. Princíp pripájania, ktorý využíva kavitačný jav.
2. Silné vrstvy oxidov je možné odstraňovať bez taviva.
3. Nekovové spájkovanie je možné vďaka kyslíku.