Väčšina technicky menej zdatných ľudí si často neuvedomuje, že spájkovanie elektronických komponentov je pomerne zložitá činnosť spájajúca v sebe komplikované tepelné a chemické procesy, ktoré prebiehajú na veľmi malom priestore. Ak sa však budete riadiť niektorými základnými pravidlami, vyhnete sa mnohým problémom.

Spájkovaný spoj by mal poskytovať viac než len dobrý kontakt - mal by byť aj mechanicky pevný a nemal by oxidovať. Okrem toho by nemal obsahovať chemické zvyšky, napríklad tavidlo, pretože tavidlo môže poškodiť okolité kovové povrchy, ako aj plasty. Spájky sa vo všeobecnosti delia do troch kategórií: spotrebiteľské, priemyselné a tie, ktoré sú určené pre špeciálne použitie. Posledné menované sa používajú v oblastiach, ako sú napr. letecký priemysel, NASA, armáda alebo prostredie, kde ide o život alebo zdravie.

Stará dobrá olovntá spájka

Olovnatá spájka bola technologickým štandardom po mnoho rokov. Má veľmi dobrú zmáčavosť a a relatívne nízku teplotu topenia, ktorá sa pohybuje okolo 183°C. Podľa pravidla, že pracovná teplota na spájkovacom hrote sa rovná teplote topenia teplote tavenia zliatiny plus 120 °C, to zodpovedá teplote spájkovania približne 300°C. Tavidlo v spájkovacom drôte je určené na rozpúšťanie oxidov na spájkovacom spoji a na zlepšenie jej priľnavosti. Cín v spájke sa amalgamuje s meďou (alebo inou kovovou prísadou) a vytvára intermetalickú difúznu zónu pozostávajúcu zo zliatiny oboch kovov. To zvyčajne vedie k dobre vytvorenému spájkovanému spoju, ktorý je odolný a s dobrými mechanickými vlastnosťami a samozrejme pevnosťou.

Obrázok 1: Studený spájkovaný spoj.

Bohužiaľ, nie vždy je to tak - niekedy sa stáva, že studený spájkovaný spoj (obrázok 1). Studené spájkované spoje sú spôsobené vysoko oxidovanými kovovými vrstvami, nečistotami, nesprávnou teplotou, alebo predčasným tuhnutím počas procesu tavenia. Studené spoje majú nadmerný odpor spoja a môžu dokonca spôsobiť  odpadávanie komponentov od dosky plošného spoja. Snímky z elektrónového mikroskopu v Obrázok 2 ukazujú nedostatky spájkovaného spoja za studena v porovnaní v porovnaní s dobrým spájkovaným spojom.

Obrázok 2: Snímky studeného  spoja (vľavo) a dobrého spoja (vpravo) z elektrónového mikroskopu (zdroj: Infineon).

V časoch olovnatej spájky boli studené spoje jasne rozpoznateľné vďaka ich matnému matnému povrchu namiesto lesklého povrchu dobrého spájkovaného spoja. Bohužiaľ to už neplatí v prípade Bezolovnatéj spájky. Pri nových zliatinách majú spájkované spoje zvyčajne matný povrch v závislosti od konkrétneho zloženia, takže optický vzhľad či sa jedná o studený alebo dobrý spoj je neúčinná (pozri obrázok 3).

Obrázok 3: Rozdielny vzhľad: bezolovnatý spájkovaný spoj (vľavo) a
olovnatý spájkovaný spoj (vpravo).

Bezolovnaté výrobky v novom tisícročí

Zavedenie bezolovnatej spájky v roku 2006 spôsobilo, že sa ručné spájkovanie stalo o niečo ťažším. Nové spájky sa označujú ako RoHS-kompatibilné, čo znamená, že sú v súlade so smernicou EÚ o obmedzení určitých nebezpečných látok. Bezolovnaté spájky nesmú obsahovať viac ako 0,1 % obsahu olova. Cieľom tohto opatrenia je najmä zabrániť vdychovaniu toxických výparov, ale toto riziko je v skutočnosti pomerne nízke, pretože sú dostupné vhodné odsávacie systémy ktoré toto riziko značne eliminujú (za predpokladu, že sa používajú). V dávnych časoch by napríklad profesionálny pisár v priebehu niekoľkých rokov prišiel o všetky zuby kvôli olovu. Spájkovacie hroty majú teraz oveľa vyššiu teplotu a každý, kto pracuje s bezolovnatou spájkou po prvýkrát si hneď všimne, že nová spájka potrebuje výrazne vyššiu teplotu a má iné charakteristiky toku. Mnoho elektronických komponentov nemá rado takú vysokú teplotu, preto sa ich výrobcovia snažia čeliť vysokým teplotám pomocou inovatívnych tavidiel a kratším časom spájkovania. To všetko spôsobuje to, že bezolovnatá spájka vychádza cenovo oveľa drahšie než jej náprotivok na báze olova.

Rovnako by ste sa mali mať v dnešnej dobe na pozore pred obzvlášť lacnými bezolovnatým spájkami, ktoré často nie sú tým, za čo sa vydávajú. Ak pracujete s príliš vysokou teplotou, môžete ľahko poškodiť citlivý komponent alebo, čo je horšie, rýchlo oddeliť spájkovaciu plôšku od dosky plošnými spojmi. Pokiaľ máte elektroniku ako hobby máte stále povolené používať olovnaté spájky, pokiaľ svoje výrobky nevyrábate na komerčné účely. To znamená, že predaj relatívne veľkého množstva vecí ktoré si vyrobíte v domácom laboratóriu, nie je povolený. Obrázok 4 ukazuje, že popri spájkach spĺňajúcich požiadavky RoHS "výrobcovia" stále používajú a aj vyrábajú olovnaté spájky.

Obrázok 4: Olovnatá a bezolovnatá spájka.

Čo je v spájke?

Väčšina v súčasnosti bežne používaných bezolovnatých zliatin má výrazne vyšší obsah cínu. Predtým to bolo približne 63 %, ale teraz je to približne 95 %, v závislosti od výrobcu. Toto zvyšuje teplotu tavenia zliatiny na 217 °C až 227 °C. Predtým bol cín v spájke zložkou, ktorá tvorila intermetalickú zónu a bol schopný amalgamovať zo spájkovateľnými kovovými povrchmi. Olovo bolo vždy neaktívnou zložkou zliatiny, pričom výhodnou, nakoľko zlacňovala spájkovací drôt a znižovala teplotu tavenia cínu z 232 °C na 183 °C. S vyšším obsahom cínu spolu s vyššou teplotou spájkovania  teraz musíte chtiac nechtiac venovať trochu viac pozornosti svojmu vybaveniu a komponentom, pretože bezolovnatá spájka sa nielenže rýchlejšie zlučuje s meďou ale aj ju rýchlejšie odstraňuje z povrchu, čím trpia najmä drahé spájkovacie hroty.

Prečo je bezolovnatá spájka drahšia?

Pri štandardných bezolovnatých zliatinách sa už spomínaná teplota tavenia 217 °C, čo je jedna z najnižších možných teplôt tavenia teplôt tavenia, sa dá dosiahnuť len pri bežnom zložení so zliatinou pozostávajúcou z 95,5 % cínu, 0,7 % medi a približne 3,8 % striebra. Výhodou tejto zliatiny sú relatívne nízke teploty tavenia, ale nevýhodou je, že ak je obsah striebra 4 % môže ľahko stať, že cena spájky môže byť dvakrát vyššia.
Táto zliatina obsahujúca striebro môže byť v podstate lacnejšia ak by sa obsah striebra znížil na 3 %. Potom táto zliatina bude mať teplotu tavenia v rozmedzí 217-223 °C, čo nie je výrazná zmena pre spájkovanie alebo pre životnosť spájkovaného spoja áno. Úspornejšie zliatiny pozostávajú napríklad z 99,3 % cínu a 0,7 % medi, čo vedie k definovanej teplote tavenia 227 °C. Pre tieto zliatiny je preto bezpodmienečne nutné zvýšiť teplotu spájkovacieho hrotu o 10 °C v porovnaní so zliatinou obsahujúcou striebro (obrázok 5).

Obrázok 5: Teploty spájkovacieho hrotu pre bezolovnaté spájky.

Teplotné limity by sa mali dodržiavať

Teoreticky by mala byť teplota spájkovačky nastavená na 350 °C pre bezolovnatú spájku. Ak potrebujete pridať viac ako 10 až 20 °C  určitého množstva tepla v krátkom čase, je to určite možné, ale teploty nad 380 °C avšak navýšenie tejto teploty zvyčajne poškodzuje dosku plošného spoja a komponenty oveľa viac, než by bolo nápomocné pri spájkovaní. Tavidlo v jadre spájky tiež horí podstatne rýchlejšie a svoju prácu môže vykonávať len určitý obmedzený čas pri určitej teplote. Každé zvýšenie teploty o 10 °C znižuje aktívnu životnosť tavidla na polovicu; čím sa významne skrcuje aj čas, ktorý je k dispozícii na odstránenie oxidov a v určitom okamihu už nie je dostatočný. Uvedené zliatiny sa prirodzene líšia medzi rôznymi výrobcami a určite môžu obsahovať ďalšie zložky.

Z dôvodov súvisiacich s patentmi výrobcovia zvyčajne tieto informácie nezverejňujú. Technológia mäkkého spájkovania v sebe vždy zahŕňa vloženie požadovaného množstva energie a dosiahnutie určitej minimálnej teploty. Spájka musí byť tekutá a musí mať určitú teplotu nad teplotou bodu tavenia. To umožňuje spájanie kovových vrstiev a vytvorenie pevnáho spájkovaného spoja. Veľmi zhruba povedané, spájky obsahujúce striebro sú oveľa vhodnejšie na použitie so silnejším teplotným cyklom, ktorý je často sprevádzaný trvalým mechanickým namáhaním alebo vibráciami.

Spájka by mala dobre tiecť

Spájkovací drôt sa skladá nielen zo zliatín kovov, ale aj z predtým spomínaného tavidla. V úplných začiatkoch neexistoval spájkovací drôt s jadrom, ktoré by obsahovalo tavidlo, takže ľudia si museli vystačilť z rôznymi tavidlami na báze kolofonie alebo dokonca podomácky vyrobeným tavidlami. Bežný recept na tavidlo v tej dobe pozostával zo zmesy  trichlóretylénu zmiešaného s kolofóniou.

Tok spájky by mal trvať čo najdlhšie, aby vzniklo čo najdlhšie časové okno pre spájkovanie. V dnešnej dobe rozlišujeme sa medzi halogénovanými a nehalogénovanými tavidlami. Oba typy odstraňujú oxidy pomocou reakcie kyseliny a oxidu kovu. Pri bezolovnatých spájkach musí táto reakcia prebiehať pri vyšších teplotách a musí byť aktívna dlhšie pri vyšších teplotách spájkovacích teplotách. Tavidlo musí byť schopné prúdiť v dostatočnom množstve, odstrániť oxidy, preniesť vzniknuté soli od spájky a zanechať tekutú spájku s pekným, čistým, čisto kovovým povrchom. Na druhej strane nesmie byť prítomné príliš veľké množstvo tavidla, aby sa nadmerné zvyšky nemuseli dodatočne odstraňovať. Ztuhnuté tavidlo nie je len nepekné, ale (na rozdiel od všeobecného názoru) zvyčajne zostáva za určitých okolností aj chemicky aktívne, takže by ste mali jeho zvyšky vždy odstrániť.

Bezolovnatá spájka potrebuje viac energie

Na spájkovanie pomocou bezolovnatej spájky je potrebné väčšie množstvo energie ako pri bežnom spájkovaní pomocou olovnatej spájky. Keďže potrebné množstvo energie je vyššie, mali by ste prenos tepla do spájkovaného spoja považovať za za dôležitý aspekt spájkovania. Každá úloha pri ktorej sa vyžaduje spájkovanie si zároveň vyžaduje aj spájkovací hrot s vhodným povrchom na prenos tepla, aby sa vyššia energia potrebná na roztavenie bezolovnatej spájky nemusel dosiahovať iba zvýšením pracovnej teploty. Výber správneho spájkovacieho hrotu (obrázok 6) je preto dôležitým faktorom, rovnako ako priebežné čistenie hrotu počas spájkovania, pretože pri vysokých teplotách spájkovací hrot oxiduje a pokrýva sa vrstvou spáleného tavidla a oxidov. Kontaktný povrch spájkovacieho hrotu má tiež tendenciu sa po dlhom používaní deformovať, čím sa výrazne znižuje účinnosť prenosu tepla.

Obrázok 6: Rôzne spájkovacie hroty.

Štúdie ukázali, že pri používaní bezolovnatých zliatin sa zvýšenie teploty napríklad z 360 °C na 410 °C má takmer nulový účinok, čo má exponenciálny vplyv na opotrebovanie spájkovacieho hrotu a výrazne skracuje životnosť spájkovacieho hrotu. Z tohto dôvodu sa vo všeobecnosti odporúča použiť o niečo dlhší čas spájkovania alebo udržanie dlhšieho kontaktu hrotu a spájkovaného miesta namiesto zvyšovania pracovnej teploty spájkovacieho hrotu. Rovnako sa pri nákupe vyvarujte nákupu spájkovcej stanice z nízkym výkonom, pretože nikdy nedosiahnete kvalitné pretavenie spájky, akurát budete vyrábať studené spoje. Spájkovacia stanica s výkonom 80 W alebo vyšším je preto vždy správna voľba.

Zhrnutie

Bezolovnaté spájkovanie nie je o nič zložitejšie, je len tak trocha iné. V prvom rade sa musíte oboznámiť s inými bodmi tavenia a zmáčacími vlastnosťami bezolovnatej spájky. Potrebujete tiež o niečo dlhší čas pre spájkovanie, aby ste sa vyhli zbytočnému zvýšovaniu teploty, ktorá je viac na škodu než k úžitku. V skutočnosti sa toho až tak veľa nezmenilo. Odporúča sa vždy vyskúšať si niekoľko rôznych spájok, aby ste našli tú správnu, ktorá vám najlepšie sadne. Všeobecne platí, že spájky s relatívne vysokou obsahom striebra sú vhodnejšie, aj keď stoja viac. A čo sa týka výparov olova, tak skutočným nebezpečenstvom sú viac výpary pochádzajúce z tavidla nakoľko nikto presne nevie, čo sa v tavidle nachádza. Zariadenie na odsávanie výparov počas spájkovania je preto dobrou investíciou.

Elektror 2022. Článok bol preložený a redakčne upravený.