Pájecí slitiny

Jsou to slitiny vhodných kovů určené pro spojení pájených materiálů. Nazývají se tak směsi kovů v roztaveném nebo tuhém stavu. Přechodný stav při ochlazování se nazývá tuhnutí. Je to krystalizační pochod a výsledkem je krystalická struktura. Přechodný stav při ohřevu krystalické struktury se nazývá tání, jeho výsledkem je tavenina. Taveniny (roztavené slitiny) jsou roztoky kovů, které mohou obsahovat i roztavené sloučeniny. Tuhé slitiny jsou polykrystalické látky.

Pájecí slitina (pájka) musí zajistit:

  • mechanickou fixaci součástky na desce s plošnými spoji (DPS)

  • spolehlivé elektrické propojení

  • odvod ztrátového tepla

  • funkci povrchové úpravy – ochrana povrchu před oxidací a zlepšení pájitelnosti

Volba pájecí slitiny hraje velmi důležitou roli ve spolehlivosti pájených spojů, smáčecích charakteristikách, toxicitě i ceně. Důležitými parametry slitiny jsou:

  • teplotní rozsah (teplota mezi začátkem a koncem procesu tavení), znalost teplotního průběhu solidus-liquidus (viz fázový diagram),

  • stav pájeného povrchu, kvalita pájeného spoje, lesklost spoje,

  • spolehlivost a pevnost spoje, tvorba prasklin v pájeném spoji,

  • opravitelnost a opracovatelnost,

  • smáčivost (smáčecí doba, smáčecí síla, smáčecí stres, roztečení při smáčení), smáčivost je ovlivněna viskozitou, hustotou, povrchovým napětím).

Pájecí slitina SnPb

Přestože od 1.7.2006 elektrotechnický průmysl v Evropě přechází na bezolovnaté pájení, stále ještě jsou hojně používány pájky olovnaté. V elektrotechnice se používá nejčastěji pájka skládající se z podílu 60 – 63 hmotnostních % cínu Sn a 40 – 37 hmotnostních % olova Pb díky svým specifickým vlastnostem:

  • teplota tavení slitiny (183 – 189)oC vyhovuje z hlediska návrhu technologického procesu i běžných pracovních teplot elektronických zařízení,

  • cín vykazuje velmi dobré smáčecí charakteristiky, oxidy cínu lze odstranit relativně málo aktivovanými tavidly,

  • pájecí slitina nevytváří křehké intermetalické fáze,

  • příznivá cena.

Fázový diagram PbSn:

 

 

Na svislé ose je vynesena teplota slitiny, na vodorovné ose je vynesen hmotnostní poměr kovů tvořících slitinu. Cín má teplotu tání 232oC, olovo 327oC, teplota tání slitiny je závislá na hmotnostním poměru obou kovů. Slitina tuhne mezi 183oC až asi 250oC (rozmezí křivek solidus a liquidus). Při poměru Sn/Pb 63/37 je teplota tání slitiny jednoznačně dána (183oC – eutektický bod) a je nejnižší. Slitina přechází při ohřevu přímo ze stavu tuhého do stavu kapalného. Při ochlazování tavenina chládne velmi rychle bez pastovité konzistence a nemá dostatek času na vytvoření velkých zrn. Vytvoří se jemnozrnná směs krystalitů obou složek. Slitina tohoto poměru se nazývá eutektická a zajišťuje i nejvyšší pevnost spoje i korozní odolnost.

Bezolovnaté slitiny

Byly zkoušeny pro pájení jako náhrada slitiny Sn63Pb37 nejen z důvodu toxicity, ale i pevnosti pájeného spoje. Zásadní je u nich ale rozdíl v bodě tavení pájkové slitiny, který je obyjně vyšší než u Pb pájek. Zatímco Sn/Pb pájky dosahují tekutého stavu při teplotě 183 st.C, u převážné

většiny bezolovnatých pájek je tento stav dosažitelný v rozmezí teplot 195 - 227 st.C, v závislosti na jejich složení. Zvýšený bod tání je dán převažujícím obsahem cínu ve slitinách. Některé jejich typy mají větší tendenci k oxidaci i teoreticky lepší smáčecí charakteristiky.

Obr.: Rozdělení smáčivosti povrchů podle velikosti smáčecího úhlu

Odpovídající smáčecí charakteristiky se ale uplatní pouze v dusíkové atmosféře. Bezolovnaté pájky snáze vytvářejí kuličku pájky, hůře se roztékají oproti eutektické SnPb. Příčina je v rozdílných povrchových napětích a rovnováze mezifázových napětí smáčecích ploch, úrovni oxidace, reakci s podkladovým materiálem. Příměsi v bezolovnatých pájkách vykazují špatné smáčecí charakteristiky. Smáčecí úhly pro bezolovnaté pájecí slitiny na Cu substrátu (plošném spoji) jsou ve srovnání s Sn63Pb37 vyšší.

Pro měkké pájení se nejvíce používají systémy Sn-Ag-Cu (SAC) složení:

Sn-(3,4-4,1)Ag-(0,45-0,9)Cu.

Tento systém zahrnuje čtyři nejčastěji používané pájky s teplotou tavení 217oC - 219oC:

Sn-4Ag-0,5Cu

Sn-3,8Ag-0,7Cu

Sn-3,6Ag-0,5Cu

Sn-3,5Ag-0,7Cu

V ostatním průmyslu je také široce využívána ternární eutektická slitina Sn-3,0Ag-0,5Cu (SAC 305) jak z důvodu spolehlivosti, tak i možnosti aplikace v hromadné výrobě.

Obr.: Ternární diagram Sn-Ag-Cu

SAC slitiny mají výrazně větší povrchovou energii ve srovnání s Sn/Pb a proto je smáčení rozdílných kovových povrchů kritičtější. Aby se překonal tento fyzikální nedostatek, je nutno zvýšit teplotu a čas a tímto způsobem zlepšit proces smáčení.

Pájka s různým podílem složek se dodává ve formě trubiček, drátů, kuliček, tyčí, fólií.

  • Trubičkové pájky se dodávají pro ruční pájení. Zpravidla mají jedno či více jader, která jsou vyplněna tavidlem. Pro pájení povrchově montovaných prvků se používají pájky s obsahem Ag. Vykazují větší pevnost v pájených spojích. Pro pájení měděných lanek se preferuje pájka s obsahem Cu.

  • Kuličky pájky se používají do pájecích past.

  • Tyče pájky jsou určeny pro strojní pájení. Někdy se zpracovávají ve vakuu – při vakuovém přetavování klesá viskozita a zlepšují se smáčecí schopnosti.

  • Fólie pájky definované tloušťky se používají pro speciální aplikace. Často se také plní tavidlem.

Výběr slitiny pájky závisí na spojovaných materiálech a jejich povrchové úpravě, požadovaných mechanických vlastnostech, požadované teplotě tavení slitiny a technice zpracování.


Naposledy změněno: neděle, 24. listopadu 2019, 01.33