S ohledem na přecpání drbárny diskuzí o spolehlivosti bezolovnatého pájení jsem se raději rozhodl vytvořit na toto téma článek. Předem upozorňuji že problematika je velmi komplikovaná a nepřehledná. Ekology podporovaní vědci vytváření studie bagatelizující nevýhody bezolovnatého pájení a oproti tomu existuje větší množství studií dokazující pravý opak. Takže si neberte článek jako slovo svaté, ale jako jeden z možných názorů.
Úvodem
Na google dotaz na porovnání vlastností olovnatých a bezolovnatých spojů dostaneme v angličtině cca 180 tisíc odkazů. To není možné proklikat všechno. Ale podíval jsem se asi na cca 30 prací, které se tomu věnují. Také v ČR naleznete mnoho bakalářských prací a diplomek věnující se tomuto tématu - bohužel se otázce porovnání spolehlivosti příliš nevěnují. Spíše se hodnotí jednotlivé aspekty bezolovnatého spoje a jak zvýšit jeho spolehlivost.
Užitečné vlastnosti olova
Přítomnost olova v cínové pájce se projeví zlepšením vlastností proti pouze cínové pájce. Vlastnosti výsledné směsi Sn-Pb se liší dle poměru obou prvků. Směsi obsahující cca 62% Sn (cínu) a 38% Pb (olova) mají poměrně vyhovující vlastnosti. Olovo snižuje teplotu tání slitiny na 179°C 183°C. Olovo je poměrně tvárný a měkký materiál a do slitiny s cínem tyto vlastnosti přenáší. Roztavená slitina (tekutá pájka) je dobře smáčivá (tj. dobře pokryje pájené místo) a po vychladnutí má lesklý povrch a spoj je pevný a pružný.
Náhrada olova
Nahradit olovo v pájce je problém. Obvyklé náhrady například měď - pájka SnCu má bod tavení až 227°C a měď je oproti olovu mnohem tvrdší materiál, tudíž po vychladnutí je spoj křehčí. Rovněž smáčivost SnCu pájky je mnohem nižší než SnPb. Vyšší teplota sebou nese větší náchylnost k oxidaci pájky vzdušným kyslíkem. Proto se obvyklé pájení v ochranné atmosféře s výrazně sníženým obsahem kyslíku.
Vlastnosti pájky SnCu se dají vylepšit příměsí stříbra, což je ale drahá legrace. Přesto se používají z důvodu lepších vlastností pájky např. Sn95,5Ag4Cu0,5 (kde měď byla téměř všechna nahrazena stříbrem). Tato pájka s obsahem stříbra má bod tání 220°C a výše uvedené negativní jevy jsou mírnější. Tedy spoj není tak křehký jako u spoje SnCu, ale bohužel je křehčí než spoj SnPb. Rovněž smáčivost není tak dobrá jako u SnPb.
Drahá cena Ag vedla k hledání náhrady. Jednou z možných náhrad může být například Zn (zinek), který je oproti Ag mnohem levnější. Bohužel pájka SnZn (např. Sn91Zn9) je díky přítomnosti agresivního zinku silně náchylná na téměř okamžitou oxidaci. Proto nelze tuto pájku používat jinak než v ochranné atmosféře čistého dusíku. Bod tavení je zajímavě nízký (úspora energie), 199°C. Bohužel smáčivost je horší než u SnAgCu pájek a spoje jsou podobně křehké. V poslední době se zkoumá použití slitin cínu s vizmutem, což přináší velmi nízké teploty tání cca 138°C, bohužel je nutný rovněž dusík.
Současný stav je takový, že různí výrobci používají různé pájky a s obsahem příměsí se experimentuje při hledání nejlepšího výsledného produktu. Tudíž porovnání olovnatý/bezolovnatý spoj je dost zavádějící, protože na straně bezolovnatých pájek ne poměrně mnoho různých možností s více či méně příznivými vlastnostmi.
Porovnání
I přes výše uvedené se pokusme o porovnání. Co poškozuje hotový spoje nejvíce? Odpověď je jednoduchá - mechanické namáhání. K mechanickému namáhání spoje dochází jednak otřesy a chvěním (proto mají výrobci automobilové elektroniky výjimku z používání bezolovnatých pájek) a jednak teplotními změnami, které ve svém výsledku znamenají mechanické namáhání v důsledků různé teplotní roztažnosti materiálů. Tedy spolehlivost spojů je možné zkoumat například opakovaným zahříváním a ochlazováním a měřením odporu takového spoje. Touto metodou postupovali Gunter Grossmann, Giovanni Nicoletti a Ursin Soler ze švýcarského Federálního institutu pro materiálové testování (viz práce zde). Z práce vznikl zajímavý graf, který vidíte níže.
Na levé ose je počet poškozených pájených spojů a na vodorovné ose je počet tepelných cyklů, kterými byl spoj namáhán.
Zajímavé je přechodné zlepšení vlastností spojů v průmyslu často používané pájky SnZn9 (spoj se poškodí již po několika málo cyklech teplotního namáhání, ale dalším zahřátím se může opět spoj "zprovoznit"). V této souvislosti upozorňuji na článek na serveru ExtraHardware o přepékání vadných grafických karet v troubě s účelem jejich zprovoznění - zde. U nás jsme k němu měli diskuzi zde.
Zpět tedy ke grafu. Je z něj vidět zoufale špatná spolehlivost spojů vystavených namáhání, pokud byla jako pájka použitá nějaká bezolovnatá směs. Ani příměs drahého stříbra nepřinese lepší výsledky než klasické a levné olovo.
Závěr
Pokud máte nějaké jiné výsledky, tak rád doplním článek. Ale z toho co jsem nastudoval ve vícero pracích jsou obecné zkušenosti obdobné jako v uvedeném materiálu ze Švýcarska. Spoje bezolovnaté jsou méně spolehlivé. Proto jsou přímo předepsány výjimky z používání bezolovnatých pájek například pro zdravotnictví, kde na spolehlivosti záleží často i lidské životy. Rovněž jsou výjimky předepsány pro namáhané spoje (např. automobilismus) nebo tam, kde je potřebná vyšší spolehlivost (letectví, military). Vše mne tedy vede k závěru, že bezolovnaté pájky nejsou žádným velkým přínosem a jen vedou k vyšším nákladům na straně spotřebitele, který je nucen častěji kupovat nové výrobky. Rovněž menší výrobci jsou znevýhodnění proti velkým tím, že buď používají drahé bezolovnaté pájky s příměsí stříbra, nebo musí investovat značné prostředky do pájecích zařízení s ochrannou atmosférou. Domnívám se že dříve nebo později dojde ke zrušení této nesmyslné regulace. Že s tímto názorem nejsem osamocen ukazují i jiné texty (např. článek na neviditelném psovi zde). Děkuji nicku raven1 za publikaci linku!
Dodatečně jedna krátká úvaha.
Prý bylo olovo zakázáno kvůli životnímu prostředí. No elektronika se stejně recykluje, takže většina Pb ze spojů se dá z prostředí odstranit. Ale dejme tomu že by se NIC NERECYKLOVALO a vše by se vyhazovalo. Takže třeba televize/monitor obsahuje dle mého odhadu cca 5g pájky, tj. z toho je cca 38% olova, dejme tomu 3g olova na jednu televizi. Jistě jsou i větší televize. Autobaterie má hmotnost 11 kg (např. zde) ano, jsou i větší a těžší autobaterie než jedna z nejmenších 44 Ah. Tudíž vyhození jedné autobaterie do odpadu se rovná vyhození cca 3600 televizí. A teď si uvědomte kolika televizorů jste se v životě zbavovali a kolika autobaterií. Pokud se někdo zbavil 3600 televizí a monitorů, tak má můj obdiv
gnat 24/05 14:28 btw mi to nevychází ani pro těch 75A nijak pěkně
gnat 24/05 14:27 pako: njn to je z toho, že člověk nečte poznámky. Vidím: "Continuous Drain Current, V GS @ 10V" a až na druhém konci datasheetu je poznámka pod čarou, že je to calculated pro maximální povolený trátový výkon a že package limitation is 75A
mojerena 24/05 11:39 Nová výbava do laboratoria aneb pohádka o jednom ESR metru - 3 měsíce trvalo, než došel balík...... odkaz
Gotrek 24/05 09:12 Netušíte někdo kde sehnat hliníkovou tenkostěnou uzavřenou trubičku na výrobu teplotního čidla. Něco jako je toto: odkaz
pako 24/05 00:19 Tech 150A je samozrejme jen spickove :), slusny vyrobci pisou "package limited" odkaz
gnat 23/05 22:45 Dospěl jsem k řádově stejnému výsledku. Nechápu tu drzost výrobců uvést to jako katalogový údaj.
jeso 23/05 16:46 gnat: mno mě to vychází 990K za 1s :-)
pako 23/05 16:42 Taky jsem se shanel po tlustsi Cu vrstve a nakonec se ukazalo, ze obycejne pocinovani tlustou vrstvou to vyresilo ...
krepa 23/05 13:28 No a neni tam "de-rating curve" ? Tedy ze podle teploty okoli se snizuje maximalni proud (vykonova ztrata)
gnat 23/05 12:44 sakra asi něco počítám blbě, podle mých výpočtů se nožičky TO220 při povolených 150A musejí prostě roztéct.
gnat 23/05 12:35 Aha propočítal jsem to pro jistotu ještě pro teplotu okolí 35 stupňů a 105um bude lepší. Nepotřebuju toho moc, cca. 2dm2
gnat 23/05 12:31 Nevíte kde rozumně sehnat 70um Cuprextit ?
maci 23/05 09:31 CNC: po roznych mailoch je cena 800 EUR bez PC, 1000 EUR s PC. Neposielajte vyssie ponuky, ten kto pvry zaplati toho bude. Dakujem za pochopenie, nechceli sme robit z toho drazbu.
S ohledem na přecpání drbárny diskuzí o spolehlivosti bezolovnatého pájení jsem se raději rozhodl vytvořit na toto téma článek. Předem upozorňuji že problematika je velmi komplikovaná a nepřehledná. Ekology podporovaní vědci vytváření studie bagatelizující nevýhody bezolovnatého pájení a oproti tomu existuje větší množství studií dokazující pravý opak. Takže si neberte článek jako slovo svaté, ale jako jeden z možných názorů.
