---

Základnou úlohou spájky je roztaviť sa a po roztavení spojiť mechanicky a elektricky dve alebo viac elektrických súčiastok. Spájka obsahuje desiatky zliatin s teplotami tavenia v rozmedzí od 90 °C do 450 °C. Výber konkrétnej zliatiny spájky pre danú aplikáciu je preto založený na teplote tavenia, alebo "Melting point" danej spájky a jej správny, alebo nesprávny výber je predzvesťou buď úspechu a fungovania zariadenia, alebo neúspechu v podobe studených spojov a zbytočných problémov.

Na úvod sa opýtame

Teplota tavenia akéhokoľvek materiálu je definovaná ako teplota, pri ktorej sa pevná látka mení na kvapalinu.  Z technického hľadiska táto teplota určuje, ktoré materiály možno použiť na dané aplikácie v reálnom svete.  Vo väčšine aplikácií sa materiály vyberajú tak, aby sa používali v pevnej forme bez možnosti roztavenia.

Spájky sú iné.  Úlohou spájok je roztaviť sa a po roztavení spojiť dve alebo viac elektrických súčiastok.  Spájky obsahujú desiatky zliatin s teplotami tavenia od 90 °C do 450 °C.  Výber konkrétnej zliatiny spájky pre danú aplikáciu je založený na teplote topenia danej spájky.  Napríklad, ak je aplikácia taká, že zariadenie bude fungovať v prostredí s vysokou teplotou, vybraná spájka bude musieť mať teplotu topenia vyššiu ako je prevádzková teplota.

V komerčnom použití možno spájky charakterizovať do jednej z dvoch kategórií:

1. Eutektické
2. Neeutektické

Slovo "eutektický" pochádza z gréckeho "eútēktos", čo znamená ľahko taviteľný.  V praxi sa eutektikum vzťahuje na zliatinu, ktorá sa taví pri jednej teplote a po ochladení tuhne pri jednej danej teplote.  Táto schopnosť je dôležitá v určitých výrobných procesoch.

Neeutektická zliatina je teda zliatina, ktorá sa netaví pri jednej teplote.  Tieto zliatiny majú tzv. rozsah tavenia.  Zliatina sa začína topiť pri určitej teplote, potom pokračuje v topení, keď sa teplota zvyšuje, až kým sa nedosiahne konečná teplota a zliatina nie je úplne tekutá.  Rozdiel medzi teplotami začiatku a konca tavenia sa označuje ako rozsah tavenia. Niektoré zliatiny majú rozsah tavenia len 3 °C, zatiaľ čo iné majú rozsah tavenia až 75 °C.

Ktorú spájku použiť?

Výber konkrétnej zliatiny spájky je založený na viacerých faktoroch, ale dve základné kritériá sú:

1. teplota topenia spájky v danom procese
2. všetky následné tepelné procesy.

Možno nastanú situácie, kedy sa vyžaduje spájka s vysokou teplotou tavenia, pretože výrobca bude vykonávať následné tepelné procesy a nechce pretavovať prvú spájku.  Vysokoteplotná spájka mu umožňuje slobodne vykonať viac ako jeden tepelný proces bez narušenia integrity zariadenia.  Alebo je možno potrebná nízkoteplotná spájka, pretože výrobca má tepelne citlivé komponenty a nechce ich poškodiť vystavením vysokým teplotám.

Výrobca môže spájkovať súčiastku alebo súčiastky napríklad pomocou zliatiny spájky s vysokým obsahom olova (Pb).  Tieto zliatiny sa topia v rozsahu 300 °C.  Potom môže vykonať sekundárne spájkovanie pomocou cínovej striebornej spájky (SnAg), ktorá sa taví v rozsahu 220 °C.  Nakoniec, ak je to potrebné, môže vykonať tretie pretavenie spájky pomocou spájky na báze india s teplotou topenia v rozsahu 150 °C. Táto technika postupného spájkovania, ktorá začína vysokoteplotnou spájkou, poskytuje výrobcovi značnú flexibilitu procesu.

 

Tabuľka parametrov vybraných spájok

 

Prečo je vhodné používať eutektickú zliatinu namiesto neeutektickej zliatiny?

Metalurgia eutektickej zliatiny umožňuje jej tavenie a tuhnutie pri jednej teplote.  To znamená rýchle pretavenie a ochladenie.  Rýchlejší proces je nákladovo efektívnejší.  Keď sa spájka rýchlo roztaví a zamrzne, kvalita spájkovaného spoja je optimálna.  Akékoľvek špecializované upevnenie na udržanie komponentov na mieste počas pretavovania môže byť vo všeobecnosti menej zložité.  Výber eutektickej zliatiny má preto mnoho výhod a väčšina výrobcov uprednostňuje použitie eutektickej zliatiny, keď môže.

Počet komerčne dostupných eutektických zliatin je však pomerne obmedzený, zatiaľ čo počet rôznych aplikácií spájkovania je obrovský.  Najčastejšie sa stáva, že proces diktuje, že vybraná zliatina bude neeutektická.  Použitie neeutektických zliatin by sa nemalo považovať za škodu; jednoducho to znamená, že výrobca bude musieť venovať osobitný dôraz optimalizácii svojho procesu pretavovania.  Tam, kde môže byť proces eutektickej zliatiny rýchly, prejde neeutektická zliatina počas tuhnutia obdobím, keď je čiastočne pevná a čiastočne kvapalná. Počas tohto obdobia, keď je zmes tuhej a kvapalnej látky, je spájkovaný spoj náchylný na jav nazývaný "praskanie za tepla". Typickou príčinou vzniku trhlín za tepla je posun dielov počas pretavovania a prerušenie procesu pretavovania; tieto trhliny sa ťažko zisťujú pri bežnej kontrole kvality. S dlhším časom procesu sa zvyšujú možnosti pre menej ako optimálne pretavenie spájky.  Navyše, akékoľvek špecializované nástroje môžu byť zložitejšie na dosiahnutie rovnakého konečného výsledku.

Prečo je vhodné používať spájku zo zliatiny zlata namiesto spájky zo zliatiny olova?

Mäkké spájkovacie zliatiny, konkrétne zliatiny na báze olova, cínu a/alebo india, začínajú strácať svoju pevnosť pri teplotách nad 75 % bodu topenia. V prípade zliatiny Pb s teplotou topenia 327 °C sa zliatina stáva mäkšou pri teplote nad 245 °C. V prípade Sn je to 175 °C. Mäkkosť týchto spájok predstavuje problém, keď sa používajú na výrobu súčiastok a/alebo podzostáv, ktoré budú prechádzať konečným montážnym procesom, ako je spájkovanie pretavením alebo spájkovanie vlnou v rozsahu 250 - 260 °C.  Zlaté spájkovacie zliatiny ako AuSn pozostávajú z homogénnej zmesi atómov Au a intermetalických prvkov AuSn. Vďaka tejto zmesi sú tieto zliatiny veľmi pevné, takže v blízkosti bodu tavenia takmer nestrácajú pevnosť. Výsledkom je, že Au80Sn20 s teplotou tavenia 280 °C je zliatina, ktorá sa volí na spájkovanie/uzatváranie podskupín, ktoré sú hermeticky uzavreté a musia vydržať konečné montážne spracovanie. Vysoká teplotná pevnosť Au80Sn20 zabezpečuje integritu obalu, aj keď sa vyžaduje, aby vydržal nežiaduce prerušenia konečnej montáže a s tým spojené problémy s prehriatím.

Spájkovacie zliatiny sa môžu vyrábať v mnohých formách a tvaroch. Môžu byť tvarované do predlisku. Toto je hlavný spôsob, akým sa spájky používajú v polovodičovom priemysle, v ktorom sa spájkovacia predforma stáva súčasťou elektronického obvodu. Predlisok spájky používaný pri automatizovanom spájkovaní si vyžaduje konzistenciu jednotlivých dávok.

K dispozícii sú desiatky spájkovacích zliatin, niektoré sú eutektické, iné nie; niektoré majú úzky rozsah tavenia, iné široký rozsah tavenia.  Zliatiny môžu byť okrem iného na báze olova (Pb), zlata (Au), cínu (Sn) alebo india (In).  Môžu sa používať v aplikáciách od mobilných telefónov až po satelitné systémy. 

Ako zistiť bod tavenia spájky?

Teplota tavenia spájky závisí od konkrétneho typu spájky, pretože na spájkovanie sa používa mnoho rôznych zliatin s rôznym rozsahom teplôt tavenia. Najbežnejšie zliatiny na spájkovanie sú:

• Cín - Bizmut (Sn-Bi) - Táto zliatina má relatívne nízku teplotu tavenia, približne 138 °C (281 °F) až 138,5 °C (281,3 °F).
• Cín - Olovo (Sn-Pb) - V minulosti to bola najbežnejšia zliatina na spájkovanie, ale v mnohých aplikáciách bola nahradená kvôli obmedzeniam používania olova. Teplota tavenia tejto zliatiny sa pohybuje od približne 183 °C (361 °F) do 188 °C (370 °F) v závislosti od pomeru cínu a olova.
• Cín - Striebro (Sn-Ag) - má teplotu topenia približne 221 °C (430 °F).
• Cín-olovo-striebro (Sn-Pb-Ag) - Kombinuje vlastnosti cínu, olova a striebra. Teplota topenia závisí od konkrétneho zloženia.
• Bezolovnaté zliatiny - V mnohých moderných aplikáciách sa používajú bezolovnaté zliatiny, ktoré majú teplotu tavenia nad 220 °C (428 °F), čo sa približuje kvalite cínu a striebra.

Informácie o teplote topenia konkrétnej spájky, ak nie sú uvedené na obale alebo v dokumentácii, možno nájsť v niekoľkých zdrojoch:

• Ak viete, od ktorého výrobcu spájka pochádza, môžete si pozrieť jeho oficiálnu webovú stránku alebo kontaktné informácie, kde by mali byť uvedené technické údaje vrátane teploty topenia.
• Technická dokumentácia výrobcov spájok poskytuje k svojim výrobkom technické údaje alebo technické listy. Tieto dokumenty obsahujú podrobnosti o zložení, vlastnostiach a teplote topenia spájky.
• Online databázy: Existujú online zdroje, ktoré zhromažďujú technické údaje o rôznych materiáloch vrátane teploty topenia spájky. Datasheet konkrétneho výrobcu, môže poskytnúť potrebné informácie.
• Ak máte konkrétnu šaržu alebo dávku spájky a nie ste si istí jej teplotou topenia, môžete sa obrátiť na svojho dodávateľa alebo predajcu, u ktorého ste ju zakúpili. Môžu vám poskytnúť technické údaje o výrobku.
• Meranie teploty tavenia. Ak nemáte žiadne informácie o spájke a potrebujete určiť jej teplotu topenia, môžete použiť teplomer, ako je opísané nižšie. Týmto spôsobom môžete určiť teplotu topenia konkrétnej vzorky spájky.

Meranie teploty tavenia spájky

Pre určenie teploty tavenia konkrétnej spájky môžete použiť jednoduchý, no pomerne presný spôsob overenia. Postupujte nasledovne:

• Pripravte si vzorku spájky. Majte na pamäti, že teplota topenia sa môže líšiť v závislosti od toho, ako rýchlo sa spájka zahrieva, preto je dôležité mať pripravenú vzorku na rýchly test.
• Použitie teplomera: Na meranie teploty použite teplomer. Ideálne je použiť teplomer s hrotom, ktorý možno umiestniť priamo na spájku.
• Zahrievanie vzorky: Pomaly zahrievajte vzorku spájky, napríklad pomocou spájkovačky. Sledujte teplotu na teplomere. Bod topenia spájky sa zobrazí ako teplota, pri ktorej sa spájka začne taviť a stane sa tekutou.
• Zaznamenajte bod tavenia: Keď sa spájka začne topiť, zaznamenajte teplotu uvedenú na teplomere. Toto je teplota topenia spájky.

Nezabudnite, že bod topenia spájky môže byť ovplyvnený ďalšími faktormi, ako je špecifické zloženie zliatiny, čistota spájky a rýchlosť zahrievania.

Čo nastane, ak sa použije k práci spájka s nesprávnym bodom tavenia?

Ak je bod tavenia spájky príliš vysoký vzhľadom k požadovanému procesu spájkovania, môže sa stať, že spájka sa nebude správne taviť a spojenie bude neúplné. To môže viesť k nespojitým alebo slabým spojom, ktoré sú nestabilné a môžu sa ľahko rozpadnúť. Naopak, ak je bod tavenia spájky príliš nízky vzhľadom k teplotám, ktoré sú súčasťou procesu, môže dôjsť k prehriatiu elektronických komponentov. To môže spôsobiť ich poškodenie, degradáciu alebo dokonca zlyhanie. Použitie spájky s nesprávnym bodom tavenia môže spôsobiť, že spoje budú nestabilné, s vysokým rizikom oxidácie, zlomenia, či vzniku studeného spoja. To môže viesť k nesprávnej funkčnosti alebo poruchám v elektronických zariadeniach. Častou chybou a to najmä v domácich podmienkach je neznalosť bodu tavenia spájky a vysoká teplota spájkovacej stanice. Pri určitých typoch spájok s vysokým bodom tavenia by sa nemuselo jednať až o tak závažný problém, avšak pri spájkach s nízkym bodom tavenia to už problém je, nakoľko nastane situácia, že tavidlo obsiahnuté v spájke zahorí, čím sa chemicky aktivuje a spájka samotná sa pretaví natoľko, že zmení svoj vzhľad (vytvorí sa pieskový granulát), mechanické, elektrické a aj chemické vlastnosti.

 

Záver

Bod tavenia spájky priamo ovplyvňuje kvalitu spojov. Nesprávna spájka môže vytvoriť hrboľaté alebo neestetické spoje, ktoré nie sú vhodné pre niektoré aplikácie, napríklad v prípade, keď je vyžadovaný vizuálny efekt alebo spoj musí byť hermeticky uzavretý, preto konečný výber správnej spájkovacej zliatiny pre konkrétnu aplikáciu je podmienený znalosťou prostredia, v ktorom sa bude používať.  Preto prvé otázky, ktoré si je nutné položiť ešte pred začatím práce, by mali byť: "Aká je potrebná teplota tavenia" a "Aké procesy bude musieť spájka vydržať"?

---

---

---