Pájecí pasta, směs jemných částic kovové slitiny suspendovaných v tavivovém médiu, vykazuje spíše selektivní metalurgickou kompatibilitu než univerzální použitelnost. Předpoklad, že jakéhokoli pájeného spoje lze dosáhnout pomocí standardních přípravků Sn-Ag-Cu nebo Sn{3}}Pb, zásadně špatně chápe elektrochemická a termodynamická omezení, kterými se řídí tvorba intermetalických vazeb.
Krátká odpověď je ne-, ale to je sotva poškrábání povrchu
Tady je ta věc. Když jsem poprvé začal pracovat s montáží elektroniky, udělal jsem začátečnickou chybu, když jsem předpokládal, že pájecí pasta je nějaké magické lepidlo na kovy. Pokusil se lepit hliníkové chladiče přímo. Hotová katastrofa. Pasta se jen nalila a seděla tam jako voda na navoskovaném autě.
Skutečnost? Možná 40 % běžných kovů funguje poměrně dobře s běžnou pájecí pastou--. Ostatní? Bojujete s fyzikou.
Co se vlastně děje na molekulární úrovni
Úhel smáčení určuje vše. Když se roztavená pájka dotkne kovového povrchu, mohou se stát tři věci:
Pájka se rozprostírá naplocho a tenká (θ pod 30 stupňů)-získáte pevný spoj. Měď to dělá krásně. Stejně tak zlato, stříbro a většina slitin mosazi.
Nebo se pájka sbalí, odmítá téci (θ nad 90 stupňů). Hliník. Pokaždé.
Tato střední zóna kolem 60-70 stupňů je místo, kde se věci stávají nepředvídatelnými. Tady bydlí nikl. Někdy funguje, někdy ne. Závisí na dni, aktivitě toku, zda je Merkur v retrográdní poloze.
Oxidové filmy: neviditelný nepřítel
Hliník mě přivádí k šílenství.
Samotný kov se taví při 660 stupních. Oxidová vrstva, která to pokrývá? 2072 stupňů. Takže máte tuto mikroskopicky tenkou keramickou skořápku, která se po vyjmutí zformuje doslova během několika sekund. Standardní kalafunové tavidlo se toho nemůže dotknout. Agresivní kyselé toky se toho nemohou dotknout. Oxid se vašim pokusům jen směje.
Titan má stejný trik. Nerezová ocel také, ačkoli vrstva oxidu chromu je o něco lépe zvládnutelná pomocí specializovaných tavidel s hodnocením H (vysoká aktivita) podle IPC J-STD-004.
| Kov | Oxidová bariéra | Praktický výsledek |
|---|---|---|
| Měď | Cu₂O, minimální | Vynikající smáčení |
| Hliník | Al₂O₃, houževnatý | Vyžaduje nejprve poniklování |
| Titan | TiO₂, okamžitě regeneruje | Pouze vakuové pájení |
| Nerez | Pasivní fólie Cr₂O₃ | Možná speciální tavidlo |
Kovy, které prostě fungují
Měď. Cín. Vést. Stříbro. Zlato (s výhradami). Mosaz. Bronz.
To jsou vaši přátelé. Standardní pasta SAC305, standardní profil přetavení, standardní výsledky. Povrchové energie se vyrovnávají. Tavidlo dělá svou práci. Intermetalické sloučeniny se tvoří na rozhraní-Cu₆Sn₅ a Cu₃Sn v měděných spojích-a získáte spolehlivé mechanické a elektrické spoje.
Zlato je ale zajímavé. Příliš mnoho zlata v kloubu způsobuje křehnutí. Cín-zlato intermetalické AuSn₄ je křehké jako sklo. To je důvod, proč povrchové úpravy ENIG udržují zlatou vrstvu tenkou-obvykle 0,05 až 0,1 mikrometru. Ztloustněte a vaše klouby praskají pod tepelným cyklem.
Pak je tu nemožný seznam
Wolfram. Molybden. Tantal.
Body tání jsou tak vysoké, že konvenční pájecí pasta má ve srovnání v podstatě materiál pokojové{0}}teploty. Wolfram sedí na 3422 stupních. Váš typický tekutý-bezolovnatý pasta má teplotu kolem 220 stupňů . Matematika nefunguje. Potřebovali byste aktivní pájecí slitiny obsahující titan nebo zirkonium, vakuové pece, řízenou atmosféru.
Neděje se na standardní lince SMT.
Žáruvzdorné kovy vyžadují zcela odlišné přístupy
Nebudu předstírat, že jsem odborník na vakuové pájení,-je to úplně jiná disciplína. Princip však zahrnuje aktivní prvky, které chemicky redukují vrstvu oxidu in situ, zatímco pájecí slitina smáčí a teče. Teplota se pohybuje od 800 stupňů do více než 1000 stupňů. Náklady na vybavení jsou astronomické.
Pro amatérské účely, pokud se v projektu setkáte s wolframem nebo molybdenem, jsou vaší reálnou možností mechanické upevnění nebo vodivá lepidla.
Poznámka k hořčíku
Hořčík si zaslouží vlastní varování. Kromě problému s oxidem (který je vážný) je hořčík hořlavý. Použití tepla v přítomnosti sloučenin tavidel obsahujících halogeny vytváří skutečně nebezpečné podmínky. Většina zařízení přímo zakazuje pájení na hořčíku.
Prostě ne.
Povrchové úpravy mění rovnici
Zde to začíná být zajímavé pro praktické aplikace. Hliník nelze pájet přímo,-ale pokovit ho niklem a najednou pracujete s niklovým povrchem. Standardní pasta funguje dobře.
Polovodičový průmysl toho neustále využívá. Křemík nelze pájet. Ani keramické substráty. Ale naneste tenké-vrstvy pokovení filmu-titanovou adhezní vrstvu, niklovou bariéru, zlatou povrchovou úpravu-a vytvořili jste pájitelný povrch na přirozeně nepájivém materiálu.
Běžné povlaky, které umožňují pájení:
- Bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG)
- Organický konzervační prostředek na pájitelnost (OSP) na mědi
- Vyrovnání horkovzdušnou pájkou (HASL)
- Imerzní stříbro
- Ponořovací plech
Na úrovních aktivity toku záleží více, než si lidé uvědomují
Klasifikační systém IPC J-STD-004 rozděluje tok do tří úrovní aktivity. Většina lidí bez přemýšlení popadne vše, co je v zásuvce.
Nízká aktivita (označení L) funguje pro čistou měď s čerstvými povrchy. Střední (M) zvládá lehkou oxidaci a většinu výrobních scénářů. High (H) napadá těžší oxidy, ale zanechává korozivní zbytky vyžadující důkladné čištění.
U okrajově pájitelných kovů-nikl, některé druhy nerezu, letitá měď-vyskočení do vysoce-aktivního toku někdy znamená rozdíl mezi úspěchem a neúspěchem. Ale potom musíte bezpodmínečně vyčistit. Tyto zbytky jsou hygroskopické. Budou absorbovat vlhkost a pomalu korodovat váš kloub zevnitř.
Teplota vytváří svá vlastní omezení
Pasta bez{0}}olova vyžaduje vyšší teploty přetavení než tradiční cín-olovo. Špičkové teploty obvykle dosahují 240-250 stupňů, někdy vyšší u slitin SAC.
To způsobuje problémy s:
Zinek (taje při 419 stupních, ale špatně se deformuje při teplotách pájení)
Některé polymerní substráty
Součásti citlivé na teplotu-v okolí
A druhým extrémem jsou kovy s nízkou teplotou tání, jako jsou pájky na bázi india-pro přesně tyto scénáře-, ale obětují mechanickou pevnost a nejsou kompatibilní ani se všemi obecnými kovy.
Mé upřímné hodnocení praktické práce
Pokud provádíte montáž PCB se standardními měděnými stopami a běžnými koncovkami součástek, pájecí pasta funguje přesně podle očekávání. Nepřemýšlej o tom.
Pokud se pouštíte do konstrukčních hliníkových spojů, sestav z nerezové oceli nebo exotických slitin-zastavte se a nejprve prozkoumejte konkrétní metalurgickou kombinaci. Datasheet výrobce pasty vám neřekne vše. Možná budete potřebovat předběžné-cínování, specializovaná tavidla, bariérové pokovení nebo zcela odlišné procesy spojování.
A když vám někdo podá wolframovou elektrodu s žádostí o připájení k měděné sběrnici, řekněte ne.
Širší princip
Pájení je v podstatě nízkoteplotní metalurgický proces spojování optimalizovaný pro úzký rozsah kompatibilních materiálů. Vyvíjel se vedle výroby elektroniky, která historicky používala téměř výhradně měď, cín, olovo a příbuzné slitiny. Proces nikdy nepotřeboval přijímat žáruvzdorné kovy nebo reaktivní kovy nebo kovy s houževnatými oxidovými bariérami.
Tyto materiály vyžadují zcela odlišné procesy: pájení, svařování, difúzní spojování, mechanické upevnění. Každá má své místo. Pájecí pasta má také své místo,-jen omezenější, než by naznačovaly marketingové materiály.
