Ručné spájkovanie, známe aj ako cínovanie, letovanie alebo slangovo pájkovanie, sa na prvý pohľad javí ako jednoduchá činnosť. Avšak, dosiahnutie spoľahlivého a estetického spoja si vyžaduje určité zručnosti a vedomosti, najmä pri práci s rôznymi materiálmi a súčiastkami. Tento článok sa zameriava na rozdiely medzi cínovaním a ponzinkovaním plechu, ako aj na najčastejšie otázky a ťažkosti pri ručnom spájkovaní.
Čo je spájkovaný spoj?
Spájkovaný spoj predstavuje elektricky vodivé spojenie dvoch drôtov, povrchov alebo vývodov pomocou roztaveného kovu, spájky. Okrem elektrickej vodivosti plní spoj aj kotviacu funkciu, mechanicky upevňuje súčiastku alebo vodič. Vďaka tomu súčiastky väčšinou nepotrebujú dodatočnú oporu, s výnimkou aplikácií, ktoré pracujú pri veľkých vibráciách.
Roztavená spájka vytvára intermetalickú prechodovú vrstvu, ktorá obsahuje prvky samotnej spájky a prvky obsiahnuté v spájkovanom povrchu, najčastejšie meď. Spájky sa delia na mäkké a tvrdé, pričom toto delenie sa týka teploty tavenia, nie mechanickej tvrdosti. Mäkké spájky sú zvyčajne tvorené dvomi až tromi hlavnými kovmi a prísadami.
Rozdiely medzi cínovaním a ponzinkovaním
Cínovanie a ponzinkovanie sú dve rôzne metódy povrchovej úpravy kovov, ktoré sa používajú na ochranu pred koróziou. Hlavný rozdiel spočíva v použitom materiáli:
- Cínovanie: Používa sa cín, ktorý vytvára na povrchu kovu tenkú vrstvu. Cín je mäkký, dobre spájkovateľný a odolný voči korózii v bežných atmosférických podmienkach.
- Ponzinkovanie: Používa sa zinok, ktorý vytvára na povrchu kovu vrstvu. Zinok je lacnejší ako cín a poskytuje dobrú ochranu proti korózii, pretože sa obetuje a koroduje namiesto základného kovu (ocele).
Bezolovnaté spájky a ich špecifiká
V minulosti sa bežne používali spájky s obsahom olova, ktoré mali dobré technologické vlastnosti a nízku teplotu tavenia. Olovo je však toxický ťažký kov, ktorý sa kumuluje v organizme a negatívne ovplyvňuje nervovú sústavu a reprodukčné orgány. Z tohto dôvodu sa v súčasnosti uprednostňujú bezolovnaté spájky.
Prečítajte si tiež: Riešenie problémov pri cínovaní pozinkovaného plechu
Prechod na bezolovnaté spájky priniesol určité výzvy. Pracovné teploty sú o 20 - 30 °C vyššie a mechanické a optické vlastnosti spojov neboli zo začiatku vždy ideálne. Technologické vlastnosti bezolovnatých spájok sa však za posledné desaťročie výrazne zlepšili, a tak spoľahlivosť aj vzhľad spojov sú väčšinou na veľmi dobrej úrovni.
Je zaujímavé, že niektoré zliatiny používané na spájkovanie majú nižšiu teplotu tavenia než samotné prvky, z ktorých je zliatina zložená. Napríklad, čisté olovo má teplotu tavenia 328 °C a cín 231,9 °C. Bežná bezolovnatá zliatina Sn96,5Ag3Cu0,5 (SAC305) má teplotu tavenia 217 - 218 °C.
Dôležité je si uvedomiť, že pri zliatinách s určitým intervalom tavenia (napr. Sn60Pb40 s teplotou tavenia 183 - 190 °C) sa kov javí ako tekutý už pri teplote tesne nad spodnou hranicou intervalu, ale obsahuje ešte značný podiel nerozpustených kryštálov. Až po zohriatí nad hornú hranicu intervalu je celý kov rozpustený a dosahuje sa požadovaná kvalita spoja.
Tento širší interval tavenia je jedným z faktorov, ktoré môžu vplývať na vznik tzv. studených spojov s horšou vodivosťou. Operátorovi sa môže zdať, že spájkovaný spoj je už ako-tak roztavený, a pritom to nemusí byť dokonalé roztavenie. Našťastie v praxi bežne používané teploty pri ručnom spájkovaní sú citeľne vyššie než teplota tavenia danej spájky.
Spájkovacie tavivo
Na povrchu kovov je takmer vždy aspoň mikroskopická zoxidovaná vrstva, ktorá bráni dobrému rozliatiu spájky. Aj keby bol spoj akokoľvek dokonale čistý, pri teplotách, pri akých sa bežne spájkuje, sa vytvorí tenká vrstva oxidu takmer okamžite. Zároveň sa oxiduje aj spájka, pričom vzniká troska, ktorá ďalej zhoršuje vlastnosti spoja.
Prečítajte si tiež: Ako cínovať pozinkovaný plech
Úlohou taviva je odstrániť drobnú vrstvu oxidu, zabrániť oxidácii počas spájkovania a zabezpečiť čo najlepšiu zmáčavosť, teda rozliatie spájky. Tavivo je dnes obsiahnuté v takmer každom spájkovacom drôte.
Medzi prvé a dodnes často používané hlavné zložky taviva patrí kolofónia, látka získaná zo živice ihličnatých drevín. Kolofónia je prírodná surovina, navyše s relatívne príjemnou vôňou. Zvyšky po spájkovaní kolofóniou nie sú korozívne a môžu ostať na DPS. Počas spájkovania však kolofónia pomerne značne dymí a jej rezíduá sú neškodné len v relatívne suchom prostredí. Vo vlhkom prostredí podliehajú hydrolýze a môžu byť mierne korozívne.
Výrobcovia prišli postupne s mnohými ďalšími tavivami na báze modifikovanej kolofónie, ale aj na báze rôznych živíc či plne syntetických zlúčenín. Tavivá na báze kolofónie sú stále populárne a majú svoje miesto. Je však potrebné podotknúť, že na trhu sú aj mnohé syntetické tavivá, ktoré prekonávajú vlastnosti typov na báze kolofónie.
Presnú špecifikáciu taviva vždy nájdeme v technickom liste taviva alebo spájkovacieho drôtu, ktorý tavivo na spájkovanie obsahuje, a prakticky vždy je tavivo špecifikované buď podľa normy DIN EN 29454-1 (napr. typ 1.1.2), J-STD-004 (napr. ROM1), alebo podľa normy DIN 8517 (napr. F-SW26). V tomto príklade typ 1.1.2. zhruba zodpovedá typu ROM1 alebo aj F-SW26.
Tavivá sú bežne obsiahnuté v spájkovacom drôte v rozmedzí cca 1 - 3,5 %. Sú dostupné aj samostatne v kvapalnej forme a v menšom rozsahu, ale aj v gélovitej/pastovitej forme, vhodnej hlavne na opravy. Vo veľkom rozsahu sú kvapalné tavivá používané najmä pri spájkovaní vlnou. Pri bežnom ručnom dopĺňaní niekoľkých THT súčiastok na dosku už osadenú SMD súčiastkami tavivo na spájkovanie väčšinou nie je potrebné aplikovať, keďže už je obsiahnuté v spájkovacom drôte.
Prečítajte si tiež: Dokonalá príloha: Hranolky
Mnohé tavivá obsahujú aj halogenidy, zvlášť typy určené na spájkovanie nie úplne čistých povrchov a na spájkovanie hrubších spojov (napr. vývody motorov, alternátorov atď.). Halogenidy majú značnú „čistiacu“ a zmáčaciu schopnosť, ale vo vyšších koncentráciách môžu byť korozívne, preto je obsah halogenidov vždy ľahko identifikovateľný z klasifikácie daného taviva.
Pre lepšie odlíšenie a zapamätanie majú tavivá bežne rôzne trhové mená, napr. HS10, KRISTALL 400, TELECORE HF 850 atď. Z hľadiska účinku aj z hľadiska procesných vlastností môžu byť značné rozdiely aj medzi tavivami rovnakej klasifikácie, ale od rôznych výrobcov.
Úplný názov spájkovacieho drôtu vždy pozostáva z (obchodného) názvu taviva a zo zloženia zliatiny, prípadne aj percentuálneho obsahu taviva, napríklad KRISTALL 400 Sn96,5Ag3Cu0,5; 2,2 %.
Spájkovacie drôty a prskanie
Doska po ručnom spájkovaní je obyčajne znečistená rezíduami po tavive obsiahnutom v spájkovacom drôte, pričom mnohé tavivá značne „prskajú“ do okolia niekoľkých centimetrov okolo spoja. Na trhu sú však už aj rôzne typy drôtov s tavivami s nízkym rozstrekom, tzv. low spatter, nízkou dymivosťou a takisto s malým množstvom priesvitných a nelepivých rezíduí. Známe sú napr. Kristall 400, Kristall 511, Trilence, Telecore HF 850 a iné.
Výber spájkovacej stanice a hrotu
V zásade stačí, aby sa dalo spoľahnúť, že hrot má naozaj teplotu, akú sme nastavili, a to s čo najmenšou odchýlkou. Zároveň je potrebné, aby bol prechod tepla z vyhrievacieho telesa na hrot čo najlepší. Tieto zdanlivo jednoduché požiadavky spĺňajú v praxi väčšinou len kvalitné spájkovačky od renomovaných výrobcov.
Prečo je často také ťažké dobre prehriať spoj, keď na displeji svieti 380 °C, čo je cca o 150 °C vyššia teplota, než pri akej sa taví bezolovnatá spájka? Odpoveď je pre malý výkon alebo ešte častejšie pre nedostatočný prestup tepla z vyhrievacieho telesa na hrot a následne spoj. Medená plocha okolo spoja, prekovené otvory, materiál DPS, vývody súčiastok - to všetko je hmota, ktorú musí hrot prehriať nad teplotu tavenia spájky. Navyše sú to akoby miniatúrne chladiče s celkom slušným odvodom tepla počas spájkovania.
Prestup tepla z vyhrievacieho telesa na hrot veľmi neovplyvníme, pomôcť nám však môže vhodný výber spájkovacej stanice a rúčky. Čo však vieme ovplyvniť, je výber vhodného hrotu. V zásade má byť hrot zhruba taký veľký, ako je spájkovaný spoj. Inými slovami, má byť čo najväčší, aký môžeme použiť na daný spoj. Čím lepší bude prevod tepla z vyhrievacieho telesa na hrot, tým nižšiu teplotu môžeme použiť. A to je veľká výhoda.
Z konštrukčného hľadiska má ideálny prenos tepla z vyhrievacieho telesa na hrot taký produkt, pri ktorom výrobca integruje vyhrievacie teleso spolu so senzorom teploty priamo do hrotu. Tvoria tak jeden celok, tzv. cartridge, alebo ako to nazýva napr. Weller - „aktívny hrot“. Táto konštrukcia umožňuje, aby aj pomerne veľmi malé hroty mali veľký reálny výkon prenesený na spoj.
Z fyzikálneho hľadiska má najlepšie teplovodivé vlastnosti krátky a hrubý hrot. Samotný koniec môže byť, samozrejme, pomerne tenký, takže je bez problémov použiteľný, napr. na súčiastky SMD 0603 alebo 0402.
Prax ukazuje, že obyčajne najlepšou voľbou je krátky kónický hrot s relatívne tenkou plochou špičkou (chisel shaped). Príkladom takého hrotu je typ LT A.
Dôležitosť správnej teploty
Aj rovnako veľké spoje majú výrazne odlišnú potrebu tepla. Obyčajne najhoršie sú na tom zemné (ground) spoje s veľkou medenou plochou okolo, s prekoveným otvorom, a to zvlášť v prípade viacvrstvových dosiek.
Tenký a dlhý hrot v takýchto prípadoch obyčajne nepomôže, keďže nedokáže priviesť dostatok tepla na náročné spoje. Preto si operátor často „pomôže“ nastavením vysokej teploty na stanici. Za vysokú teplotu na dlhodobé spájkovanie možno označiť hodnoty cca nad 380 - 400 °C. Oproti tomu hrubší a kratší hrot spolu s dobrou technológiou prestupu tepla z vyhrievacieho telesa na hrot umožňujú použiť na tie isté spoje pokojne aj teplotu povedzme 330 - 360 °C (niekedy aj nižšiu), pri ktorej je životnosť hrotov a vyhrievacieho telesa výrazne vyššia. Hrot tak rýchlo neoxiduje, a teda ho nemusíme každú chvíľu čistiť a súčiastky zažívajú menší teplotný šok. A navyše ako bonus máme aj nižšiu dymivosť a rozstrek taviva zo spájky.
Pri celodennom používaní spájky na plný výkon a pri maximálnej teplote, môže byť životnosť hrotu len niekoľko týždňov. Preto aj keď prakticky všetky dnešné spájkovačky umožňujú nastaviť teplotu 450 °C, dôrazne odporúčame vyhnúť sa takémuto prístupu, ktorým sa používatelia obyčajne len snažia kompenzovať príliš malý hrot alebo príliš málo výkonnú rúčku na daný spoj.
Čistenie spájkovacích hrotov
Po nejakom čase spájkovania sa časť hrotu, ktorou sa nedotýkame spojov, väčšinou pokryje vrstvou oxidov a rezíduí z tavív, pričom plocha, na ktorej „drží“ spájka, je zároveň stále menšia.
V extrémnom prípade, keď už je celý hrot zoxidovaný, nedokážeme na takom hrote udržať spájku. Je síce schopný spájku roztaviť, ale tá od neho odskakuje, akoby bol naimpregnovaný. Musíme teda hrot očistiť. Najprv len jemne, najlepšie nasucho mosadznou vlnou, ktorá je obyčajne súčasťou držiakov spájkovacích rúčok. Prípadne len veľmi šetrne navlhčenou hubkou.
Ak to nestačí, veľkým pomocníkom sú tzv. regenerátory hrotov, napr. tip activator Weller, ktoré hrot očistia a v jednom kroku zároveň pocínujú.
Ak je hrot veľmi znečistený, pomôže len jemné a opatrné mechanické očistenie (existujú aj špeciálne jemné kefy a brúsne kamienky). Jadrom hrotu je obyčajne meď a na nej vrstva železa a potom niklu. Ak zistíme narušenie povrchovej vrstvy alebo nebodaj až miniatúrnu vyhĺbeninu v hrote, je nutné ho vymeniť.
Hrúbka vrstvy niklu ani konštrukcia hrotu nie sú zďaleka u všetkých výrobcov rovnaké a v drvivej väčšine prípadov majú najdlhšiu životnosť originálne hroty od výrobcu.
Prevencia oxidácie hrotu
Úplne zabrániť oxidácii hrotu nie je možné, ale dá sa výrazne zredukovať. Jednoduchou a veľmi účinnou metódou je udržiavať na hrote stále trochu spájky. To znamená, že pri akejkoľvek prestávke v spájkovaní, keď odkladáme rúčku do stojana, ale nevypíname spájku alebo neprepíname do standby modu, je dobré na hrot naniesť kúsok spájky. Táto spájka sa v priebehu pár minút znehodnotí, ale urobí svoju službu a poskytne hrotu ochranu. Pred ďalším spájkovaním teda stačí hrot otrieť o mosadznú vlnu a máme čistý hrot s dobrou zmáčavosťou.
Čistý hrot má podstatne menšiu styčnú plochu na prestup tepla z hrotu na spoj.