Пайка являє собою технологічний процес, при якому два або більше металевих елементи поєднуються один з одним за допомогою плавлення і розтікання в зазорі між ними металевого наповнювача (припою). Температура плавлення припою завжди повинна бути нижче, ніж у з'єднуються металів. Пайка відрізняється від зварювання тим, що не передбачає плавлення заготовок. У минулому майже всі припої містили свинець, але екологічні проблеми змушують розробляти нові на основі металів, відмінних від свинцю.
Є дані про те, що пайка використовувалася ще 5 тисяч років тому в Месопотамії. Історично вона застосовувалася при виготовленні ювелірних виробів, кухонного начиння і інструментів, а також в інших ремеслах, наприклад, при складанні вітражів.
В даний час пайка застосовується при сантехнічних роботах, складанні електронних приладів, упаковці тари для консервів, покрівельних і дренажних роботах і виготовленні ювелірних виробів.
Перевагами пайки є те, що вона дозволяє роз'єднувати стики без пошкодження спаяних крайок, що важливо при ремонті різних трубопроводів, таких як систем охолодження.
Припої являють собою наповнювачі, що виготовляються з різних сплавів, в залежності від конкретних цілей. В електроніці застосовуються евтектичних металеві сплави, що містять 63% олова і 37% свинцю (або 60/40), що мають низьку точку плавлення. Іншими прикладами припоев є сплави олова з цинком (для пайки алюмінію), свинцю з сріблом (для експлуатації при температурі вище кімнатної), кадмію з сріблом (термостійкі), цинку з алюмінієм (для пайки алюмінію і там, де потрібна стійкість до корозії) і олова з сріблом або вісмутом (застосовуються в електроніці).
Евтектичні металеві сплави мають переваги при відповідальної пайку, так як ликвидус (лінія плавлення на діаграмі стану сплавів) і солидус (лінія затвердіння на діаграмі сплавів) у них майже однакові, тобто пластична фаза відсутня, а точка плавлення є мінімально можливою, що мінімізує вплив на електронні компоненти. Також відсутність пластичної фази сприяє швидшому змочування в міру нагрівання припою, що дозволяє швидше почати процес охолодження. Неевтектіческіе металеві сплави повинні залишатися нерухомими під час зниження температури від ликвидуса до солідусу. Будь-яке зміщення під час пластичної фази може привести до утворення тріщин, що загрожує ненадійністю стику.
Нижче наведені основні пропорції олова і свинцю в співвідношенні з температурою плавлення (олово зліва, свинець праворуч):
63/37: плавиться при 183 ° C (евтектична пропорція з фіксованою точкою плавлення)
60/40: плавиться в межах 183-190 ° C
50/50: плавиться в межах 183-215 ° C
Останнім часом все частіше застосовуються безсвинцеві припої, але їх недоліком є те, що вони не є евтектичними металевими сплавами з фіксованою точкою плавлення. Більш того, їх температура плавлення становить близько 250 ° C, що не дозволяє використовувати їх в відповідальних місцях.
Легування припоев вісмутом і сріблом дає можливість варіювати точки плавлення. У найбільш відповідальних місцях, де потрібна міцність стику, застосовуються припої, які містять срібло, тому що вони володіють прекрасними адгезійними і зволожуючими властивостями, а також міцністю на розрив.
З усіх тугоплавких припоїв, срібні припої мають найбільшу міцність і найширше застосування. До спеціальних припою пред'являються такі вимоги, як міцність, здатність з'єднувати алюміній, хороша електропровідність і висока корозійна стійкість.
Призначенням флюсів є полегшення процесу пайки. Однією з перешкод на шляху успішної пайки є наявність в місці стику бруду, жиру або оксиду. Дані забруднювачі можуть бути видалені механічним очищенням або за допомогою хімічних засобів, але при високих температурах, необхідних для плавлення припою, заготовки повторно окислюються. Цей ефект прискорюється у міру збільшення температури пайки і в певний момент пайка стає неможливою. Першим в якості флюсу почав застосовуватися деревне вугілля, який виступає в ролі відновлюючого агента і допомагає запобігти окисленню в процесі пайки.
Протягом багатьох років найбільш поширеним флюсом, застосовуваним в електроніці, була каніфоль, а також рідини на її основі. Тим часом, в сантехніці і автомобільної галузі, як правило, використовувався флюс на основі соляної кислоти, який забезпечував надійне очищення місця пайки. Однак флюси на основі кислот не можуть бути використані в електроніці зважаючи на свою електропровідності, і тому що вони роз'їдають тонкі мідні дроти і струмонесучі доріжки з фольги. Багато флюси також виконують зволожуючу функцію в процесі пайки, знижуючи поверхневий натяг розплавленого припою і змушуючи його текти і краще прилягати до заготівлі.
Флюси для м'якої пайки в даний час доступні трьох основних складів:
1. Водорозчинні флюси - можуть бути змиті водою після завершення процесу пайки. Вони не містять летких органічних речовини (ЛОВ).
2. Не призначені для змивання флюси - є досить м'якими, тому не вимагають видалення, так як не проводять електрику (не можуть бути причиною короткого замикання). Однак їх залишок, що нагадує пташиний послід, є неприйнятним для ряду друкованих плат, так як він не проходить візуальний тест, перекриваючи контрольні точки. Також даний залишок може бути гігроскопічним.
3. Традиційні флюси на основі каніфолі - можуть бути з активують речовинами, або без них. Як активуючого речовини зазвичай виступає кислота, яка збільшує змочуваність металів і ефективніше видаляє оксиди.
Існує три різновиди пайки, кожна з яких вимагає поступового підвищення температури:
1. М'яка пайка, найчастіше із застосуванням олов'яно-свинцевого припою.
2. Пайка із застосуванням припоїв, що містять срібло.
3. Пайка латунними припоями.
М'яка пайка характеризується тим, що температура плавлення припою завжди нижче 400 ° C, тоді як пайка срібними і латунними припоями вимагає більш високих температур, для чого використовується полум'я звичайної або дугового пальника.
В процесі пайки за рахунок теплового впливу плавиться припой, а також нагріваються місця з'єднання, а завдяки змочування припій розтікається по місцю стику. При пайку багатожильного дроту припій покриває окремі жили за рахунок дії капілярності, яку іноді називають «підсмоктуванням». Капілярний ефект при пайку також має місце при щільному притискання однієї заготовки до іншої. Пайка дозволяє отримати електропровідні, водостійкі і газонепроникні з'єднання.
Кожен тип припою має свої переваги і недоліки. М'якими припои називаються тому, що в якості основного компонента містять м'який свинець. М'яка пайка використовує найнижчі температури, але стики виходять не досить міцними, що не дозволяє використовувати її в галузях, відмінних від електротехніки та електроніки.
Срібна пайка застосовується в ювелірній справі, машинобудуванні, а також для монтажу окремих сантехнічних систем і для нагрівання вимагає джерел з відкритим полум'ям, так як температура плавлення середнього припою (56% срібла) становить 618 ° C, а тугоплавкого (80% срібла) - 740 ° C. При срібною пайку стик завжди виходить твердіше, ніж метал стикуються заготовок. Найчастіше застосовується флюс, до складу якого входить борна кислота і денатурований спирт. Розплавлений срібний припій має властивість текти в сторону найбільш гарячого ділянки.
Латунна пайка забезпечує саме міцне з'єднання, але для плавки припою вимагає температури 450 ° С, а для роботи потрібно спецодяг і захисні затемнені окуляри. Часто даним методом паяють чавунні вироби і ковані меблі.
Паяльні операції можуть виконуватися із застосуванням ручного інструменту, або на виробничій лінії. Ручна пайка зазвичай проводиться паяльником, паяльним пістолетом, пальником і феном.
Одні метали, такі як мідь, срібло і золото паяются легше інших, таких як чавун, м'яка сталь і нікель. Найгірше паяются алюміній і нержавіюча сталь, так як містять товстий шар оксиду. Титан, магній, чавун і деякі високовуглецеві стали паяють, попередньо лудя їх спеціальними сплавами, які сприяють міжфазній зчепленню.
Індукційна пайка використовує індукційний нагрів за допомогою струмів високої частоти, що проходять через мідні котушки. Даний метод заснований на явищі резистивного нагріву.
Способи пайки електронних компонентів на друкованих платах
Пайка хвилею припою - друкована плата (ПП) після розміщення на конвеєрі проходить послідовні стадії: флюсування, попередній нагрів і власне пайка. Остання проводиться за допомогою хвилі розплавленого припою, яка створюється під проходить по конвеєру ПП, шляхом нагнітання припою в ванну насосом.
Пайка оплавленням - дозована подача припою на доріжки ПП з попередньо нанесеною на них паяльної пастою, яка плавиться і змочує поверхні контактних майданчиків і висновків (ніжок) встановлених на ПП компонентів, і після затвердіння утворюється паяні з'єднання, що має форму галтелі (напівкруглого потовщення). Перевага даного методу полягає в тому, що процеси нанесення пасти і оплавлення легко піддаються автоматизації.