Technológia ručného spájkovania s krytím inertným plynom (pod atmosférou)

E-booky zdarma	Školení v oblasti pájení	ESD inspekce

Pri výrobe elektrického zariadenia, respektíve dosiek plošných spojov (DPS), sa určite budeme musieť stretávať s problematikou technológie spájkovania. V elektrotechnickom priemysle sa používa tzv. „mäkké spájkovanie“, čo je inak povedané metalurgické spájanie dvoch kovov pomocou spájky (zliatin cínu s ďalšími kovmi) za použitia teplôt do 500 °C.

Kvalita zapájania DPS je vo výslednej kvalite produktu jedným z najviac určujúcich aspektov, ale zároveň aj najnáročnejším, pretože nám ho ovplyvňuje niekoľko nepriaznivých činiteľov spôsobujúcich predovšetkým oxidáciu, znečistenie, porézny povrch a ďalšie sťažujúce vplyvy. V dnešnej dobe sa už nepoužíva na spájkovanie olovnatá spájka dôvodu toxicity olova.

Ako náhrada za olovo je použité minoritných podielov prímesí, najčastejšie medi a striebra. Na prvý pohľad je zrejmé, že rozdiel bude v cene za túto spájku, zvýšenie teplôt (viď obr. 1), odolnosti spájkovacích nástrojov, pretože cín sa chová ako rozpúšťadlo pre kovy, z ktorých sú konštruované hroty spájkovadiel (viď obr. 2), ďalej väčšej krehkosti zliatiny, horšej priľnavosti, roztekavosti, pórovitosti povrchu a matného vzhľadu spoja.

Tento problém bezolovnatého spájkovania sa týka všetkých technologických postupov, akými sú napríklad metódy zmáčania, pretavením, spájkovanie vlnou a ďalšie, ale aj metódy ručného spájkovania, ktorým sa tu budeme v ďalšom texte zaoberať.

Ručné spájkovanie

Týka sa hlavne správnej voľby hrotu, teploty a taviva. Pri potrebe väčšieho odovzdania tepelnej energie teda použijeme hrot s väčšou plochou, špecifickým tvarom alebo minivlnou. Bod topenia bezolovnatej spájky sa pohybuje okolo 220 °C a viac podľa pomeru obsahu prímesí, oproti tomu teplota predtým používanej eutektickej zliatiny olova a cínu v pomere Sn 62 % a Pb 38 % bola 183 °C.

Z toho vyplýva ďalšia požiadavka aj na spájkovaciu stanicu, ktorá by mala zaistiť stabilný výdaj vyššej tepelnej energie ako doteraz, a to aj pri väčšom odvode tepla do objemnejších častí spájkovaného objektu. Tavivo nám ďalej poslúži pre lepšiu priľnavosť a roztekavosť na spájkovaný materiál. Účinnosť taviva je daná jeho číslom kyslosti súvisiacim s percentuálnym vyjadrením obsahu pevných častíc.

Ako ďalší stále prítomný nežiaduci efekt je už vyššie spomínaná oxidácia. Vďaka oxidácii sa znehodnocuje spájkovacia zliatina, a to tým rýchlejšie, čím vyššou spájkujeme teplotou. Veľmi viditeľne potom môžeme pozorovať horšiu roztekavosť (viď obr. 3) a zmáčavosť (viď obr. 4). Zlepšenie týchto parametrov docielime krytím spájkovacej zliatiny v čase jej roztavenia. Ochranu spájky je možné pri ručnom spájkovaní dôsledne realizovať iba inertným plynom, ktorým býva najčastejšie dusík.

Princíp spočíva v nasmerovaní sústredeného prúdu dusíka na miesto spájkovania, čím zabránime prístupu kyslíka. Tým sa zníži povrchové napätie v mieste spájkovania a povrch roztavenej spájky takmer neoxiduje, následne sa lepšie roztečie a priľne k cieľovému spájkovanému materiálu. Túto vlastnosť predovšetkým oceníme pri spájkovaní veľkých plôch, zoxidovaných povrchov alebo kontaktov s veľmi malým rozstupom (viď obr. 6).

Obr. 6 Porovnanie spájkovania kontaktov veľmi malých rozstupov
v dusíkovej atmosfére a bez dusíkovej atmosféry

Vlastnosti spájkovania sa potom blížia olovnatému spájkovaniu. Dusíková atmosféra je najvyššia technologická úroveň pre ručné spájkovanie. Celú problematiku Pb-free (bezolovnatého) spájkovania úspešne rieši japonský výrobca HAKKO, ktorý sa s technológiami spájkovania stretáva už od roku 1952. Vyriešil ako prvý veľmi efektívne otázku dusíkového krytia pri ručnom spájkovaní.

Výrobca spájkovacích a odpájacích technológií HAKKO ponúka okrem skutočne veľmi rozsiahleho sortimentu aj zostavy opravárenských pracovísk, ktoré sú vybavené práve aj systémom na spájkovanie pod krytím dusíkovou atmosférou. Vyššie popísané problémy bezolovnatého spájkovania (zvýšenie spájkovacích teplôt, dostatočne výkonovo dimenzované spájkovacie stanice, odolnosť hrotov proti cínu) a dusíkového krytia rieši zariadenie HAKKO.

Spájkovacie stanice spolupracujú s kompaktnými hrotmi pre rýchlu obnovu tepla a zároveň výkonovo dorovnávajú tepelnú energiu pri jej stálom vysokom odvode. Priebeh výkonového dorovnávania a rýchlej obnovy tepla je zrejmý z obr. 8, kde je v grafe zobrazený simulujúci pokles a následná rýchla obnova tepla „rozkmitaným“ priebehom. Výsledkom je stredná tepelná hodnota, na ktorej sa následne reálne pohybujeme pri procese spájkovania. Tento rozkmit je technologicky prípustný s ±40 °C.

V našom prípade však dokážeme dosiahnuť ešte menšie rozkmity. Kompaktné spájkovacie hroty totiž obsahujú okrem vykurovacieho telieska aj termočlánok umiestnený na konci hrotu, ktorý môže poskytnúť informáciu o skutočnej teplote a vytvoriť tak dokonalú spätnú väzbu pre spájkovaciu stanicu, s ktorou komunikuje v reálnom čase (viď obr. 9).

Dusíkový systém tvorí vyvíjač dusíka HAKKO FX-780 s maximálnou koncentráciou 99,9 % N2. Na tento vyvíjač sa pripojí kompresor, z ktorého je ideálne vzduch vedený cez sušičku vzduchu, kde sa kondenzujú tekuté zložky. Ďalej je prefiltrovaný cez vzduchový filter o nečistoty a nakoniec cez „najužší“ vodný filter. Vyvíjač dusíka FX-780 funguje na podobnom princípe sústavy filtrov, kde sa filtruje vzduch cez rad filtrov, až sa dostane na posledný plynný filter, cez ktorý prejdú už len atómy dusíka, pretože sú menšie ako atómy kyslíkové.

Ďalej je dusík vedený cez regulátor FX-791, kde je možné nastaviť prietok v l/min. Z tohto regulátora je už dusík vedený priamo na spájkovaciu rúčku uspôsobenú pre vedenie prúdu dusíka, ktorá je napájaná zo spájkovacej stanice. Výhodou dusíkovej rúčky je, že využíva kompaktné hroty, ktoré sú duté, a dusík je privedený na koniec hrotu. Potom dusík prechádza okolo vykurovacieho telesa a na konci hrotu je prúd dusíka sústredený nástavcom priamo na špičku, kde už konečne spájkujeme (viď obr. 5 a obr.10).

Nesmieme zabudnúť na fakt, že dusík sa priechodom cez vykurovacie teleso ohreje a pri prúdení na miesto spájkovania tak vytvára predohrev, ktorý napomáha dokonalému spájkovaniu. Dôvodom je postupný ohrev zliatiny, pri ktorom nedochádza tak rýchlo k oxidácii. Schématické zapojenie dusíkového systému je zrejmé z obr. 11. Na spájkovanie s krytím dusíkom sú vhodné spájkovacie stanice HAKKO napríklad FX-888D a FX-838.

Obr. 11 Bloková schéma dusíkového systému
 

Kategórie produktov

	Spájkovacie stanice
	Spájkovacie rúčky, kliešte a pištole
	Systém krytia dusíkom