Pájení a způsoby pájení

Pájení je způsob spojování součástí roztaveným pomocným materiálem, tzv. pájky s nižší teplotou tavení, než mají spojované součásti, které se při tom neroztaví. Je zvykem rozlišovat pájení na tzv. měkké a tvrdé, podle teploty tavení pájky (odpovídající výrazy v angličtině jsou „soldering“ a „brazing“). Pájky s teplotou tavení do cca 450 °C jsou označovány jako měkké, nad touto teplotou jako tvrdé.

Tavidla

Podmínkou pevného a těsného spojení pájením je mj. dobrá „smáčivost“ základního materiálu roztavenou pájkou. Ta je (kromě na metalurgických vlastnostech) závislá na čistotě povrchu při teplotě pájení. Potřebná čistota se dosahuje při pájení v běžné atmosféře použitím tzv. tavidel nebo pájením v prostředí, které povrchové vrstvy bránící dobrému smáčení odstraňují (vysoké vakuum, redukční plynná atmosféra, solná lázeň).

Inzerce

Tavidla jako čisticí prostředky působí především chemicky a proto musí být voleny podle vlastností základního materiálu, teploty pájení a druhu pájky, a někdy též podle chemických a elektrických vlastností jejich zbytků po pájení.

Pro měkké pájení má většina tavidel podobu kapaliny s obsahem chemicky účinné látky, většinou kyseliny solné nebo fosforečné. Jejich zbytky po pájení je proto vhodné odstranit (omytím vodou nebo lihem). Pro měkké pájení součástí z nerezavějící oceli se velmi dobře hodí směs kyseliny fosforečné, lihu a vody (v poměru po 1/3). Pro pájení elektrických spojů se dobře hodí pryskyřice (kalafuna). Má schopnost rozrušit nečistoty za 1–2 s. Je také obsažena v tzv. trubičkové pájce nejčastěji používané v elektronice.

Pro tvrdé pájení se používají tavidla v podobě pasty, kapaliny nebo prášku. Někdy jsou naneseny jako pevný obal na tyčinky (dráty) vyrobené z materiálu příslušné pájky. Pro tvrdé, tzv. kapilární pájení ve vakuu nebo redukční atmosféře (vodíku) nejsou zapotřebí žádná tavidla, protože potřebné čistoty styčných ploch se dosáhne ve vysokém vakuu odpařením nečistot vysokou teplotou, nebo chemickou redukcí vodíkem v redukčních pecích.

Pájky

Měkké pájky

Měkké pájky jsou slitiny „měkkých kovů“ s různým poměrem složek, kterým se dosahují jejich požadované vlastnosti, především teplota tavení. Pro pájení elektroniky se používá eutektická slitina s 37 % olova a 63 % cínu. Její teplota tání je 183 °C. Výhodou eutektické slitiny je hlavně to, že tuhne bez přechodových fází, ve kterých v neeutektických slitinách v jistém rozmezí teplot vedle sebe existují jak pevná fáze tak i tekutá. To má někdy nežádoucí důsledky.

Existuje řada měkkých pájek s dalšími kovy jako je např. kadmium nebo zinek, vhodných pro teploty do 400 °C. Velkou skupinu tvoří tzv. cínové pájky s obsahem více složek jako je Sn, Sb, Zn, které pokrývají rozsah teplot od 185 do asi 260 °C.

„Super měkké“ slitiny Pb+Sn+Cd+Bi vhodné pro pájení se vyznačují teplotou tání v mezích od 165 do 64 °C. Jsou označovány jako Roseův kov, Lipowitzův kov a Woodův kov.

Pro aplikace v elektronice se měkké pájky dodávají ve formě trubičky vyplněné tuhým tavidlem, obvykle na bázi kalafuny.

Používání pájek s obsahem olova a kadmia ve velkovýrobě je od července 2006 zakázáno Evropskou směrnicí 2002/95/ES (RoHS).

Tvrdé pájky

Pro tvrdé pájení je velký výběr slitin i čistých kovů, a to jak pro pájení pod tavidlem, tak i ve vakuu nebo v redukční atmosféře.

Čisté kovy se používají spíš jen výjimečně. Může to být stříbro, měď, zlato a palladium. Dobře se hodí pro kapilární pájení ve vakuu.

Pro tvrdé pájení v atmosféře se vyrábí velký počet slitin různých kovů s vyšší teplotou tavení. Jsou to např. slitiny stříbra, mědi, kadmia, niklu a zinku v nejrůznějších kombinacích. Většina z nich obsahuje zinek, který má vysokou tenzi par a nemůže být proto použit pro pájení ve vakuu, kde se prudce odpařuje (sublimuje). Používají se také slitiny drahých kovů, např. Au-Ag, Au-Pd, Au-Cu, Au-Ni,

Zvláštní skupinu pájek tvoří tzv. aktivní pájky s malým obsahem titanu nebo vanadu, které jsou použitelné i pro pájení kovů na keramiku nebo grafit.

Zvláštní pájky a tavidla jsou nutné také pro pájení hliníku a jeho slitin. Osvědčily se zde zinkové pájky a složitější slitiny (Al, Cu, Sn, Cd).

Metody pájení

Pájení v atmosféře

Metody pájení můžeme rozlišovat především podle způsobu ohřevu pájených součástí a pájky. To může být lokální nebo celoobjemové.

Lokální ohřev při měkkém pájení se dá uskutečnit dotekem horkého tělíska, které je součástí tzv. páječky. Nejčastěji je ohříváno elektricky, buď přímým průchodem elektrického proudu u transformátorové páječky nebo nepřímo elektrickým topným tělesem. Moderní elektrické páječky využívají možnost nastavení teploty pájecího hrotu a elektronické stabilizace nastavené hodnoty. Uplatňují se hlavně při ruční malovýrobě elektronických zařízení. Ve hromadné výrobě se pájí součástky k deskám plošných spojů metodou pájení vlnou nebo přetavením.

Ve větším rozsahu ohříváme pájené předměty a pájku proudem horkého plynu nebo plamenem. Pro měkké pájení stačí plamen zemního plynu se vzduchem, pro tvrdé pájení je nutný teplejší plamen kyslíko-acetylenový nebo kyslíko-vodíkový. Proces pájení plamenem je většinou „ruční“, takže výsledek je silně závislý na zkušenostech a zručnosti pracovníka.

Při celoobjemovém zahřívání v peci jsou ruční zásahy do procesu vyloučeny. Kvalita výsledku pak závisí hlavně na dokonalosti nutné přípravy pájených předmětů (například na kvalitě použitých přípravků pro ustavení dílů a na kvalitě očištění ploch). Při pájení v peci je teplo předáváno sáláním z topného tělesa (ve vakuu) nebo i vedením plynem (v peci s redukční atmosférou).

Pro pájení je možné použít i indukční ohřev a to jak lokální, tak celkový. Tato metoda má vyšší produktivitu, ale také vyšší pořizovací náklady, neboť musí být k dispozici tvarově odpovídající induktor a je nutné při ní použít tavidlo. Velikost pájených předmětů je limitována výkonností zařízení a kvalitou tavidla.

Vakuové pájení

Nejdokonalejší způsob je pájení ve vysokém vakuu. Je použitelný jen pro tvrdé pájení různých kovů s vyšší teplotou tání, s výjimkou slitin obsahujících zinek, který má vysokou tenzi par a ve vakuu prudce sublimuje. Pro pájení ve vakuu se vyrábějí pájky také v podobě prášku, např. ze slitiny Ni-Cr s teplotou tání cca 950 °C. Tato pájka dobře smáčí nerezavějící ocel, Po ztuhnutí je velmi tvrdá (nesnadno obrobitelná), ale velmi pevná. Zdrojem tepla je ve vakuových pecích „klec“ z molybdenového drátu zahřívaná elektrickým proudem. Navenek je izolována stíněním z molybdenového plechu a vodou chlazeným pláštěm. Pájeným předmětům se teplo předává výlučně sáláním. Tímto způsobem lze dosáhnout teploty kolem 1400 °C. Roztavená pájka působením povrchového napětí zatéká do spáry mezi spojovanými součástkami. Dosahuje se tím dokonale těsného a mechaniky pevného spojení.

Pájení keramiky

Zvláštní pozornost si zaslouží problém spojování kovových součástí s keramickými. Základním problémem je v tomto případě to, že jen některé kovy smáčí povrch keramiky, jmenovitě titan a některé vzácné kovy. Nejčastěji se postupuje tak, že se na plochu, která má být smočena pájkou při vlastním pájení, pokryje tenkou vrstvou titanu nebo slitiny titan obsahující. Toho se dosáhne napařením takové vrstvy ve vakuu nebo častěji nanesením práškové pasty, která se pak roztaví ve vakuové peci. Na takto připravenou (pokovenou) plochu se pak pájí různými pájkami, jak měkkými tak ve vakuové peci tvrdými.

Související články

• Pájka
• Pájení – tento článek je o pájení převážně v oblasti elektrotechniky
• Metalurgie
• Tavidlo