Publikované https://www.sos.sk

Praktické rady pre kvalitné a efektívne ručné spájkovanie

Poškodené súčiastky od vysokej teploty alebo naopak nedostatočne prehriate spoje, krátka životnosť hrotov a spájkovacích rúčiek, slabé rozlievanie spájky, atď, atď. Poznáte to? Aj my, a preto vám prinášame odpovede na najčastejšie otázky a ťažkosti pri ručnom spájkovaní.

Ručné spájkovanie je v podstate jednoduchá činnosť – aspoň na prvý pohľad. Je pravdou, že pekné a dobré spoje dokáže po krátkom zácviku urobiť aj človek, ktorý nikdy predtým nedržal spájkovačku v ruke. Ale vy, ktorí spájkujete rôzne veľké spoje, súčiastky a materiály viete, že častokrát je to takmer majstrovstvo dosiahnuť spoľahlivý a vzhľadný spoj.

Či sa jedná o prototypy, predprodukčné série alebo zabehnutú výrobu, spoľahlivý spoj je kľúčovým vo všetkých fázach projektu.

Čo je to spájkovaný spoj?

Je to elektricky vodivé spojenie dvoch drôtov, povrchov, vývodov, atď. pomocou roztaveného kovu. Toto spojenie má v drvivej väčšine prípadov aj kotviacu funkciu, kedy mechanicky upevní súčiastku alebo vodič, a preto okrem aplikácií pracujúcich pri veľkých vibráciách už súčiastky väčšinou nepotrebujú dodatočnú oporu.

Bez hlbokého vnárania sa do chémie, metalurgie a skúmania vlastností kovov môžeme konštatovať, že roztavená spájka (hovorovo cín) vytvára intermetalickú prechodovú vrstvu, ktorá obsahuje prvky samotnej spájky, ako aj prvky obsiahnuté v spájkovanom povrchu, najčastejšie meď.

Spájka

Spájky delíme na tzv. mäkké a tvrdé. Nejde tu však o mechanickú tvrdosť alebo mäkkosť, ale o teplotu tavenia danej spájky. Mäkké spájky majú teplotu tavenia cca pod 500 °C a v elektronike používame takmer výlučne len mäkké spájkovanie.

Mäkké spájky sú prakticky vždy tvorené dvomi až tromi hlavnými kovmi a prísadami. Vo veľmi malom pomere obsahujú aj rôzne mikrolegujúce prísady, ktorých zloženie výrobca obyčajne tají, nakoľko sú súčasťou výrobného “know-how” a častokrát majú značný vplyv na chovanie spájky.

Historicky hrala prím po dlhé desaťročia spájka na báze cínu a olova (SnPb), najčastejšie v pomere 60:40, prípadne Sn63Pb37 a pod., a malý obsah prídavných kovov ako meď a iné mikrolegujúce prísady.

Olovo má však jednu zásadnú a veľmi známu nevýhodu – je to toxický ťažký kov, kumulujúci sa v organizme, atakujúci nervovú sústavu, ale aj reprodukčné orgány atď. A tak sme sa po prijatí smernice, známej ako RoHS, olova v elektronike vzdali (okrem niekoľkých segmentov ako medicína, vojenská technika a automotive).

Aj keď prechod na ”bezolovo” priniesol technologické komplikácie, predsa len celkovo to bol veľmi dobrý environmentálny krok.

Prečo komplikácie s „bezolovom“?

Týmto prechodom sme sa zrazu dostali na pracovné teploty o cca 20-30 °C vyššie. Zároveň, mechanické a optické vlastnosti spojov neboli zo začiatku vždy ideálne. Technologické vlastnosti bezolovnatých spájok sa však za posledné desaťročie výrazne zlepšili, a tak spoľahlivosť aj vzhľad spojov sú väčšinou na veľmi dobrej úrovni. Najväčším technologickým mínusom, ktorý sa zrejme nepodarí tak skoro prekonať, ostáva vyššia teplota tavenia, a teda aj vyššie teplotné namáhanie súčiastok počas spájkovania.

Ako je to s teplotou tavenia a prečo ju majú spájky na báze cínu, ale bez olova, obyčajne vyššiu?

Nuž je to veľmi zaujímavé. Vari najzaujímavejším je fakt, že niektoré zliatiny používané na spájkovanie majú nižšiu teplotu tavenia, než samotné prvky, z ktorých je zliatina zložená. Tak napríklad, čisté olovo má teplotu tavenia 328 °C a cín 231,9 °C. Napriek tomu, zliatina Sn63Pb37 má teplotu tavenia len 183 °C (!).

Bežná a známa bezolovnatá zliatina Sn96.5Ag3Cu0.5 (tzv. SAC305) má teplotu tavenia 217-218 °C, zjavne tu teda chýba pozitívny vplyv olova v zliatine ohľadom zníženia teploty tavenia. Pre záujemcov hľadajúcich vysvetlenie tohto javu odporúčame vo vyhľadávači zadať slová „eutektikum“ a tiež „fázový diagram kovov“.

Prečo je teplota tavenia niekedy uvádzaná ako interval a nie ako jedna konkrétna hodnota?

Opäť pomerne zaujímavá vec. Ak totiž v tabuľke nájdeme napr. pre zliatinu Sn60Pb40 teplotu tavenia 183-190 °C, znamená to, že už pri teplote tesne nad 183 °C sa javí byť kov tekutý, ale je tu jedno veľké ALE – je v ňom ešte značný podiel nerozpustených kryštálov. Až po zohriatí nad 190 °C je celý kov rozpustený, a v podstate je to minimálna teplota, ktorú by mal spájkovaný spoj dosiahnuť, aby mal výsledný spoj požadovanú kvalitu. Špecialisti na metalurgiu, nech mi prosím prepáčia, toto je samozrejme veľmi zjednodušený, ale verím, že pre objasnenie dostačujúci výklad.

Len pri tzv. Eutektickej zliatine (pomere kovov) je tento interval taký úzky, že je to v podstate jedna teplota.

Tavidlo alebo prečo spájka pri spájkovaní dymí …

Možno ste sa niekedy dostali (zvlášť tí skôr narodení) ku spájkovaciemu drôtu bez obsahu tavidla. Ak ste s ním skúsili spájkovať, výsledok bol zrejme viac než zlý …

Na povrchu kovov je totiž takmer vždy aspoň mikroskopická zoxidovaná vrstva, ktorá bráni dobrému rozliatiu spájky. Aj keby bol spoj akokoľvek dokonale čistý, pri teplotách, pri akých sa bežne spájkuje, sa vytvorí tenká vrstva oxidu takmer okamžite. Zároveň sa oxiduje aj spájka, pričom vzniká struska, ktorá ďalej zhoršuje vlastnosti spoja.

Odstrániť drobnú vrstvu oxidu, zabrániť oxidácii počas spájkovania a zabezpečiť čo najlepšiu zmáčavosť, teda rozliatie spájky, to sú hlavné úlohy tavidla, ktoré je dnes obsiahnuté v takmer každom spájkovacom drôte.

Historicky, medzi prvé a dodnes často používané hlavné zložky tavidla patrí kolofónia (angl. Rosin), teda látka získaná zo živice ihličnatých drevín.

Kolofónia je teda prírodná surovina, navyše s relatívne príjemnou (pre niektorých elektronikov až omamnou) vôňou. Zbytky po spájkovaní kolofóniou nie sú korozívne a môžu ostať na DPS. Počas spájkovania však kolofónia pomerne značne dymí a jej rezíduá sú neškodné len v relatívne suchom prostredí. Vo vlhkom prostredí podliehajú hydrolýze a vedia byť mierne korozívne.

Výrobcovia prišli postupne s mnohými ďalšími tavidlami na báze modifikovanej kolofónie, ale aj na báze rôznych živíc, či plne syntetických zlúčenín. Tavidlá na báze kolofónie sú stále populárne a majú svoje miesto, ale je potrebné podotknúť, že na trhu sú aj mnohé syntetické tavidlá, ktoré prekonávajú vlastnosti typov na báze kolofónie.

Presnú špecifikáciu tavidla vždy nájdeme v technickom liste tavidla alebo spájkovacieho drôtu, ktorý tavidlo obsahuje a je prakticky vždy popísané buď podľa normy DIN EN 29454-1 (napr. typ 1.1.2), J-STD-004 (napr. ROM1) alebo podľa normy DIN 8517 (napr. F-SW26). V tomto príklade typ 1.1.2. zhruba odpovedá typu ROM1 alebo tiež F-SW26.

Kde všade sa stretneme s tavidlami?

Tavidlá sú teda bežne obsiahnuté v spájkovacom drôte v rozmedzí cca 1-3,5%. Samozrejme, sú dostupné aj samostatne v kvapalnej forme a v menšom rozsahu, ale aj v gélovitej/pastovitej forme vhodnej hlavne pre opravy.

Vo veľkom rozsahu sú kvapalné tavidlá používané najmä pri spájkovaní vlnou. Pri bežnom ručnom dopĺňaní niekoľkých THT súčiastok na dosku už osadenú SMD súčiastkami tavidlo väčšinou nie je potrebné aplikovať, keďže už je obsiahnuté v spájkovacom drôte.

Za zmienku stojí fakt, že mnohé tavidlá obsahujú aj halogenidy, zvlášť typy určené na spájkovanie nie úplne čistých povrchov a pre spájkovanie hrubších spojov (napr. vývody motorov, alternátorov atď). Halogenidy majú značnú “čistiacu” a zmáčaciu schopnosť, ale vo vyšších koncentráciách vedia byť korozívne, preto obsah halogenidov je vždy ľahko identifikovateľný z klasifikácie daného tavidla.

Tavidlá majú pre lepšie odlíšenie a zapamätanie si bežne rôzne trhové mená napr. HS10, KRISTALL 400, TELECORE HF 850 atď. Z hľadiska účinku aj z hľadiska procesných vlastností môžu byť značné rozdiely aj medzi tavidlami rovnakej klasifikácie ale od rôznych výrobcov. Viac o tavidlách a ich značení sa dočítate na našom webe v článku “Nájdite si ten správny cin”.

Ako sa premietne informácia o tavidle do názvu spájky?

Po prečítaní týchto riadkov je zrejmé, že úplný názov spájkovacieho drôtu vždy pozostáva z (obchodného) názvu tavidla a zo zloženia zliatiny, pripadne aj percentuálneho obsahu tavidla, napríklad KRISTALL 400 Sn96.5Ag3Cu0.5, 2.2%

Prskajú všetky spájkovacie drôty rovnako?

Ako vieme, doska po ručnom spájkovaní je obyčajne znečistená rezíduami po tavidle obsiahnutom v spájkovacom drôte, pričom mnohé tavidlá značne „prskajú“ do okolia niekoľkých cm okolo spoja. Na trhu sú však už aj rôzne typy s tavidlami s nízkym rozstrekom, tzv. „low spatter“, nízkou dymivosťou, a tiež s malým množstvo priesvitných a nelepivých rezíduí.Známe sú napr. Kristall 400, Kristall 511, Trilence, Telecore HF 850 a iné.

Máme teda vhodnú spájku, poďme spájkovať…

Mať vhodnú spájku a čisté (nezoxidované) povrchy (vývody súčiastok) sú základnými predpokladmi dobrých spojov. Pochopiteľne, je tu ešte technologické „minimum“, ktoré by sme mali dodržať, ak má byť výsledok perfektný.

Spájkovacia stanica

V zásade “iba” stačí, aby sa dalo spoľahnúť, že hrot má naozaj teplotu, akú sme nastavili a s čo najmenšou odchýlkou. Zároveň je potrebné, aby bol prechod tepla z vyhrievacieho telesa na hrot čo najlepší. Tieto zdanlivo jednoduché požiadavky v praxi väčšinou spĺňajú len kvalitné spájkovačky od renomovaných výrobcov. Hlavne – čo najlepší prestup tepla na hrot a následne na spájkovaný spoj je skutočne výzvou.

Prečo je často také ťažké dobre prehriať spoj, keď na displeji svieti 380 °C, čo je cca o 150 °C viac, než teplota tavenia bezolovnatej spájky?

Odpoveď asi poznáte – pre malý výkon, alebo ešte častejšie – pre nedostatočný prestup tepla z vyhrievacieho telesa na hrot a následne spoj. Medená plocha okolo spoja, prekovené otvory, materiál DPS, vývody súčiastok, to všetko je hmota, ktorú musí hrot prehriať nad teplotu tavenia spájky a navyše, sú to akoby miniatúrne chladiče, s celkom slušným odvodom tepla počas spájkovania.

Prestup tepla z vyhrievacieho telesa na hrot veľmi neovplyvníme, pomôcť nám však môže vhodný výber spájkovacej stanice a rúčky. Každý seriózny výrobca, ako napríklad u nás overený Weller, ponúka porovnanie svojich modelov a tabuľku vhodnosti podľa veľkosti spojov.

Čo však vieme ovplyvniť, je výber vhodného hrotu. V zásade má byť hrot zhruba taký veľký, ako je spájkovaný spoj. Inými slovami, má byť čo najväčší, aký vieme použiť na daný spoj. Čím lepší bude prevod tepla z vyhrievacieho telesa na hrot, tým nižšiu teplotu môžeme použiť. A to je veľká výhoda, ako si ukážeme nižšie… Z fyzikálneho hľadiska má najlepšie teplovodivé vlastnosti krátky a hrubý hrot. Samotný koniec môže byť samozrejme pomerne tenký, takže je bez problémov použiteľný napr. na 0603 alebo 0402 SMD súčiastky.

To je azda najdôležitejšie pravidlo pri výbere spájkovacieho hrotu. Prax ukazuje, že obyčajne najlepšou voľbou je krátky kónicky hrot s relatívne tenkou plochou špičkou (chisel shaped). Príkladom takého hrotu je napríklad typ LT A.

Prečo je výhodné „nevypekať” hrot?

Ako isto viete, aj rovnako veľké spoje majú výrazne odlišnú potrebu tepla. Obyčajne najhoršie sú na tom zemné (ground) spoje s veľkou medenou plochou okolo, s prekoveným otvorom, zvlášť u viacvrstvových dosiek.

Tenký a dlhý hrot v takýchto prípadoch obyčajne nepomôže, nakoľko nedokáže priviesť dostatok tepla pre náročné spoje. Preto si operátor často „pomôže“ nastavením vysokej teploty na stanici. Za vysokú teplotu pre dlhodobé spájkovanie možno označiť cca nad 380-400 °C. Pri týchto teplotách hrot a spájka na hrote veľmi rýchlo oxiduje, treba ho pomerne často čistiť a životnosť hrotu, ako aj vyhrievacieho telesa v rúčke, sa výrazne skracujú.

Zároveň, ak si chce operátor “uľahčiť život a zvýšiť produktivitu”, a s takýmto hrotom spájkuje v jednom procese väčšie THT spoje a zároveň aj miniatúrne SMD súčiastky bez zmeny teploty hrotu, malé spoje s malou potrebou tepla dostávajú zbytočne veľký teplotný šok.

Naproti tomu, čím hrubší a kratší hrot, spolu s dobrou technológiou prestupu tepla z vyhrievacieho telesa na hrot, umožňujú použiť na tie isté spoje kľudne aj teplotu povedzme 330-360 °C (niekedy aj nižšiu), pri ktorej je životnosť hrotov a vyhrievacieho telesa výrazne vyššia. Hrot tak rýchlo neoxiduje, a teda ho nemusíme každú chvíľu čistiť a súčiastky zažívajú menší teplotný šok. A navyše, ako bonus máme aj nižšiu dymivosť a rozstrek tavidla zo spájky.

Prečo potrebujeme čistiť spájkovacie hroty?

Ak máme hrot nový a dotkneme sa ním spájkovacieho drôtu, obyčajne sa spájka krásne rozleje po celej špičke. Po nejakom čase spájkovania sa časť hrotu, ktorou sa nedotýkame spojov, obyčajne pokryje vrstvou oxidov a rezíduí z tavidiel a zároveň plocha, na ktorej „drží“ spájka, je stále menšia.

V extrémnom prípade, keď už je celý hrot zoxidovaný, nedokážeme na takom hrote udržať spájku. Je síce schopný spájku roztaviť, ale odskakuje od neho akoby bol naimpregnovaný…

Musíme teda hrot očistiť. Najprv len jemne, najlepšie suchou cestou v mosadznej vlne, ktorá je obyčajne súčasťou držiakov spájkovacích rúčok. Prípadne len vo veľmi jemne navlhčenej hubke.

Ak to nestačí, veľkým pomocníkom sú tzv. regenerátory hrotov, napr. Weller tip activator, ktoré hrot očistia a zároveň pocínujú v jednom kroku.

Aj tie však fungujú len do určitého stupňa znečistenia. Ak je hrot veľmi znečistený, pomôže len jemné a opatrné mechanické očistenie (existujú aj špeciálne jemné kefy a brúsne kamienky, napr. Weller sada WDC 2 ).

Jadrom hrotu je obyčajne meď a na nej vrstva železa a potom niklu. Ak zistíme narušenie povrchovej vrstvy, alebo snáď až miniatúrnu vyhĺbeninu v hrote, nepomôže mu už nič a je nutné ho vymeniť.

Na tomto mieste stojí za zmienku, že hrúbka vrstvy niklu a konštrukcia hrotu nie sú u všetkých výrobcov zďaleka rovnaké a v drvivej väčšine prípadov majú najdlhšiu životnosť originálne hroty od výrobcu.

Môžeme zabrániť oxidácii hrotu?

Úplne jej zabrániť v podstate nie je možné, ale dá sa to výrazne zredukovať. Jednoduchou a veľmi účinnou metódou je stále udržiavať na hrote trochu spájky. To znamená pri akejkoľvek prestávke v spájkovaní, keď odkladáme rúčku do stojanu, ale nevypíname spájku alebo neprepíname do standby módu, je dobré na hrot naniesť kúsok spájky. Táto spájka sa v priebehu pár minút znehodnotí, ale vykoná svoju službu v podobe ochrany hrotu. Pred ďalším spájkovaním teda stačí hrot otrieť v mosadznej vlne a máme čistý hrot s dobrou zmáčavosťou.

Mať čistý hrot je veľkým plusom aj s ohľadom na vyššie spomínaný prestup tepla, nakoľko špinavý hrot, na ktorom drží spájka len na malej ploche na špičke, má podstatne menšiu styčnú plochu pre prestup tepla z hrotu na spoj.

Ako dlho je potrebné nahrievať spoj na doske?

Začiatočníkovi a amatérovi je to obyčajne takmer jedno a nemá problém spájkovať jeden spoj aj 5-10 sekúnd. Samozrejme, to je už dosť dlho. Na opačnom konci obyčajne nájdeme operátora plateného za výkon, alias za počet dokončených dosiek za daný čas, a títo majú tendenciu skrátiť si čas na minimum, kľudne aj pod 1 sekundu, obyčajne za cenu veľmi vysokej pracovnej teploty, skrátenej životnosti hrotov a spájkovačiek, ale aj veľkého teplotného šoku na súčiastky. Na koniec však taký spoj má nižšiu kvalitu aj z hľadiska technologického.

Profesionáli už majú svoj zabehnutý postup a medzi vami, čitateľmi, sa isto nájde aj technológ z EMS firmy, ktorý má túto problematiku zvládnutú do posledného detailu. Pre tých menej skúsených môžeme povedať, že odporúčaná doba, počas ktorej sa má hrot dotýkať spoja, je cca 1,5-3 sekundy.
Ak treba nahrievať spoj výrazne dlhšie, obyčajne je na príčine nízka nastavená teplota, alebo ešte pravdepodobnejšie nevhodný hrot/ výkon pre daný spoj.

Ak si pozrieme typický graf teplota/ čas pre spájkovanie pretavením v peci, zistíme, že SMD súčiastky vydržia naozaj veľa. A ak robíme hlavne s SMD súčiastkami, môžeme povedať, že im vie viac uškodiť teplotný šok od príliš horúceho hrotu (extrémne prudký nárast teploty súčiastky za krátky čas), než o niečo dlhšie spájkovanie pri rozumnej teplote.

Čo v prípade, keď ani s krátkym a hrubým hrotom nedokážeme spoj dostatočne prehriať?

Logicky, v tomto prípade zjavne teplo dodané z danej spájkovacej rúčky/ stanice nestačí, inými slovami potrebujem výkonnejšiu stanicu/rúčku.

V praxi je napríklad dosť veľký rozdiel medzi typickými 80W rúčkami (ako napr. Weller WSP80) a 120/150W rúčkami ako napr. WXP120.

Je tu však ešte jedna známa pomôcka – spodný podohrev. Vďaka vyhrievacej platničke môžeme celú DPS vyhriať na určitú, pre súčiastky bezpečnú, teplotu a následne výrazne klesá potreba výkonu spájkovacej rúčky.

Ak vyhrejeme dosku len na úplne bezpečných 100-120 °C zistíme, že zrazu dokážeme bez problémov zaspájkovať aj zemné spoje s veľkou plochou medi v okolí.

Spodný podohrev navyše zmenšuje teplotný šok súčiastok, takže je to veľmi vhodný doplnok pre ručné spájkovanie.

Môžeme urobiť ešte niečo pre životnosť hrotov a spájkovačky?

Áno. Ak to spájkovačka umožňuje, odporúčame využívať akýkoľvek úsporný režim (režim zníženia teploty) počas doby, keď práve nespájkujeme.

Keď napr. znížime teplotu hrotu počas prestávky na 150 °C, prakticky tým eliminujeme tvorbu oxidov počas nečinnosti spájky, a zároveň si udržíme dostatočne vysokú teplotu na to, že nábeh na pracovných cca 350 °C bude citeľne rýchlejší, než keby sme začínali od izbovej teploty.Niektoré spájkovačky používajú na prechod do úsporného režimu monitorovanie výkonu, niektoré majú stojan s mikrospínačom (alebo sa dá takýto stojan dokúpiť, napr. WDH10T) a najmodernejšie obsahujú pohybový senzor v samotnej rúčke (napr. celá séria rúčiek WX a rúčka WTP90 od Welleru).

Na záver môžeme zhrnúť, že ak pri spájkovaní dodržíme nasledujúce základné pravidlá, tak sme na dobrej ceste dosiahnuť spoľahlivé spájkované spoje:

vybrať si vhodnú spájku, čo do metalického zloženia, aj čo do obsahu a typu tavidla – spájkovať len čisté a nezoxidované povrchy/vývody
ak spájkovaný povrch nie je ideálny, je možné použiť agresívnejšie tavidlo, pričom ale s veľkou pravdepodobnosťou bude treba zbytky opláchnuť z DPS
použiť kvalitnú spájkovaciu stanicu so spoľahlivým meraním teploty a dobrým prenosom tepla z vyhrievacieho telesa na hrot
použiť čo najväčší a najkratší hrot aký daný typ spojov umožňuje
v mnohých prípadoch je vyhrievacia platnička (spodný podohrev) zázračnou pomôckou pre spájkovanie problematických spojov náročných na teplo
originálne hroty výrobcu sú v drvivej väčšine prípadov lepšie a vo výsledku aj ekonomickejšie vďaka ich dlhšej životnosti
nepoužívať prehnane vysoké spájkovacie teploty na kompenzáciu nie ideálnej voľby hrotu
udržiavať hrot čistý a stále pocínovaný

Veríme, že naše postrehy vám pomôžu spájkovať ešte lepšie než doteraz. Ak máte aj ďalšie otázky, ktoré sme v článku nespomínali, radi vám poradíme na info@soselectronic.com alebo zaškolíme aj priamo u vás ako v prípade týchto našich zákazníkov.

„Školením sme získali reálny prehľad informácií ako sú previazané jednotlivé činnosti ručného cínovania. Názorné ukážky – čo spôsobuje príliš vysoká teplota, čo príliš nízka teplota spájky počas cínovania boli dobrými ukážkami pre našich zamestnancov a to aj napriek naším dlhodobým skúsenostiam v oblasti cínovania. Poskytli ste nám iný uhol pohľadu na cínovanie a preto dúfame vďaka tomuto školeniu aj v zlepšenie nášho procesu.“ Qess s.r.o.

„Operátori boli s formou aj obsahom školenia spokojní. Vďaka školeniu sa nám podarilo skalibrovať všetkých zamestnancov v oblasti „know how“ spájkovania, obsluhy a údržby spájkovacích staníc. V našich prehľadoch sme zaznamenali pokles scrapu v dôsledku studených spojov a skratov. Od vašej návštevy sme prijali veľa nových zamestnancov a zvažujeme, že by sme nadviazali na toto školenie, aby sme opäť mali celý tím na jednom štandarde.“ GE Energy Slovakia s.r.o.

Efektívne spájkovanie