Seminář – Zvýšení kvality a snižování nákladů u procesů pájení

Přední dodavatel SMT technologií v regionu střední Evropy – společnost Amtest Czech Republic, s.r.o. – pořádala v úterý 24. dubna ve Sport V Hotelu v Hrotovicích u Třebíče odborný seminář na téma „Zvýšení kvality a snižování nákladů u procesu pájení vlnou“. Přednášejícím byl pan Han Raetsen z firmy Balver Zinn/Cobar a všechny přednášky byly tlumočeny do českého jazyka.

Seminář, kterého se zúčastnilo více než 30 účastníků, byl určen pro firmy, které používají proces pájení vlnou nebo proces selektivního pájení. Stručný popis prezentací uvedených na tomto semináři je uveden níže.

Během přestávek i během prezentací bylo vzneseno velké množství dotazů a příkladů z praxe. Přednášky ze semináře jsou na základě vyžádání k dispozici u pořadatele (info@amtest.cz). Rovněž vzorky cínů, pájecích drátů a tavidel od firmy Balver Zinn/Cobar jsou na vyžádání k dispozici v kanceláři firmy Amtest Czech Republic.

Přehled používaných bezolovnatých slitin

Tato přednáška byla věnována popisu většiny používaných bezolovnatých slitin a jejich vlastnostem (tabulka 1).

Přednáška se rovněž zaobírala vlivy mikro a makro příměsí v bezolovnaté slitině. Mezi základní makropříměsi v bezolovnaté slitině patří stříbro, které snižuje teplotu tavení, má vliv na tečení slitiny, ale zvyšuje agresivitu slitiny vůči nerezovým materiálům a v neposlední řadě významně zvyšuje pořizovací náklady. Druhou nejčastěji používanou makropříměsí je měď, která má rovněž vliv na teplotu tavení a její vyšší koncentrace má negativní vliv na zatékání slitiny a zvyšuje její náchylnost k tvorbě zkratů mezi vývody.

V oblasti mikropříměsí byl rozebrán vliv niklu na krystalickou strukturu slitiny, pozitivní vliv na minimalizaci rozpouštění mědi a zlepšení zatékání slitiny. Velmi významným přínosem niklu ve slitině je stabilizace intermetalické vrstvy v čase. Dalším prvkem, kterému byla věnována pozornost, bylo germanium, které se používá jako antioxidant a jeho přítomnost ve správné koncentraci má pozitivní vliv na minimalizaci tvorby strusky.

Problematika udržování pájecí lázně

Druhá přednáška byla věnována problematice udržování pájecí lázně ve správném chemickém složení, a to jak u standardních pájecích vln, tak i selektivních pájecích vln. Problematickým jevem v bezolovnaté pájecí slitině většinou bývá vysoký obsah mědi, který má za následek zvyšování teploty tavení, nebo kontaminace olovem. Pokud jeho obsah překročí 1%, tak slitina již neodpovídá RoHS direktivě.

Další problematickým prvkem je železo v lázni. Železo se do lázně většinou dostává z eroze pájecí vany a dalších komponent pájecí vlny (čerpadlo, kanálky apod.). Železo poté tvoří v lázni shluky malých jehliček (obr. 2), které mohou vytvářet mezivývodové zkraty.

Obr. 1 Pájecí vlna

Obr. 2 Shluk FeSn2 jehliček

Obr. 3 FeSn2 jehlička na DPS

Obr. 4 Vzorek pro analýzu

U procesu pájení vlnou se doporučuje provádění rozborů pájecí lázně z počátku jednou za měsíc, a pokud se chemické složení stabilizuje, tak následně minimálně jednou za 6 měsíců.

U technologie selektivního pájení jsou požadavky na provádění rozborů lázně ještě přísnější, protože se zde pájí při vyšších teplotách, a tudíž i rozpouštění mědi je zde mnohem rychlejší. Toto, spolu s malým obsahem pájecí lázně, může vést k rychlému nárůstu obsahu mědi v lázni, zvýšení teploty tavení a výsledkem pak jsou špatně zapájené spoje. Firma Balver Zinn jako službu svým zákazníkům provádí rozbory pájecí lázně zdarma.

Tavidla pro pájení vlnou

Tavidlo se u pájení vlnou používá zejména z těchto důvodů:

• snížení množství oxidů na pájeném povrchu,
• snížení povrchového napětí roztavené pájky,
• prevence reoxidace povrchu v průběhu pájení,
• zamezení tvorby kuliček.

Všeobecně je znám způsob klasifikace tavidel na základě činidel, a to na VOC, LowVOC a VOCfree.

Druhým kritériem pro klasifikaci je dělení dle základní složky na:

• pryskyřicové (na bázi kalafuny nebo syntetické pryskyřice),
• organické (rozpustné nebo nerozpustné ve vodě),
• anorganické (soli, kyseliny, zásady).

Dalším kritériem je aktivace tavidla, která se zpravidla provádí pomocí halidů.

Co se týče klasifikace NoClean, tak se nejedná o tavidla, kde nejsou zbytky, ale jedná se o tavidla, u kterých při správně nastaveném procesu nezůstávají aktivní zbytky, které by vyžadovaly mytí desek.

Na výběr správného tavidla můžeme nahlížet ze dvou pohledů:

• flexibilní výroba – výběr tavidla je kompromisní volbou,
• velkosériová výroba – výběr tavidla vede k úplné optimalizaci procesu.

Obr. 5 Výsledek analýzy lázně

Tavidla pro selektivní pájení

Problematika celého procesu selektivního pájení je výrazně komplikovanější, a to jak z důvodu nanášení tavidla a jeho následné aktivace, tak hlavně jejich zbytků.

Z tohoto důvodu jsou požadavky na tavidla pro selektivní pájení výrazně odlišné oproti tavidlům pro standardní pájení vlnou.

Vyjma samozřejmého požadavku na spolehlivost jsou požadavky na tavidlo pro selektivní pájení následující:

• malé roztékání,
• dobré kapilární vlastnosti (vyplňování otvorů),
• vynikající tepelná stabilita (vyšší teplota na předehřevu, vyšší teplota pájení, dlouhý čas pájení),
• kompatibilita s laky pro selektivní lakování.

Tavidla používaná pro selektivní pájení musí být netečná, i když nedošlo k jejich řádné aktivaci.

Pro minimalizaci rizika u selektivního pájení bychom se měli zaměřit zejména na:

• tavidla na bázi RO a RE a vyhnout se OR,
• preferovat Low VOC tavidla (z důvodu roztékání),
• při aktivaci tavidla prohřát sestavu na 150 °C, aby došlo k řádné aktivaci tavidla a nezůstaly na desce aktivní zbytky.