Pájení je způsob spojování součástí roztaveným pomocným materiálem, tzv. pájkou s nižší teplotou tavení než mají spojované součásti, které se při tom neroztaví. Tento článek je zaměřen na pájení kovových součástí za pomoci pájek, které jsou slitinami kovů. 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 500 °C jsou označovány jako měkké, nad touto teplotou jako tvrdé. Příbuzným oborem, používaným při výrobě elektronických součástek je pájení keramiky, případně kombinace kovu a keramiky.

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).

Tavidla lze rozdělit: podle způsobu pájení tavidla pro měkké pájení (základní dělení: na rozpouštědlové (nejčastěji lihové) nebo vodní bázi) tavidla pro tvrdé pájení (borax, kyselina boritá, směs boraxu a kyseliny borité, salmiak, chlorid zi­nečnatý https://www.mujdum.cz/rubriky/stavba/pajeni-a-letovani-v-domaci-dilne_389.html) podle účinku tavidla s leptavým účinkem tavidla bez leptavého účinku

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. Jejich podrobnější výčet přesahuje možnosti a cíle tohoto článku, proto se zde zmíníme obecněji jen o některých jejich skupinách:

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 z borovic – kalafuna. Má schopnost rozrušit tenké vrstvy oxidů při teplotách 200 °C za 1–2 s Je také obsažena v tzv. trubičkové pájce nejčastěji používané v elektronice. Zbytky po pájení nemusejí být odstraněny, ale většinou se tak děje, např. omytím lihem.

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 Pájka je přídavný materiál, který vyplňuje mezeru mezi materiály a spojuje je. Podle teploty tání se dělí: měkké pájky (teplota tání do 450 °C) cínové pájky speciální pájky tvrdé pájky (teplota tání nad 450 °C) pro pájení lehkých kovů na bázi Cu na bázi Ag na bázi Ni na bázi Pd pájka z drahých kovů pro vakuové pájení

Podle konzistence můžeme rozdělit pájky na: pevné tyčové – tyčky, dráty, pásky, trubičky (s tavidlem) granulované – někdy potažené tavidlem sendvičové – většinou ve tvaru pásků, vrstvené z materiálů různého složení (jádro mívá vyšší teplotu tavení), někdy povlakované tavidlem pastovité – obsahují tavidlo práškovité – obsahují tavidlo

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 dlouho používala 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,Pb, Sb, Zn, které pokrývají rozsah teplot od 185 do asi 260 °C. „Superměkké“ slitiny Pb+Sn+Cd+Bi vhodné pro pájení se vyznačují teplotou tání v mezích od 65 do 100 °C. Jsou označovány jako: Roseův kov, Lipowitzův kov a Woodův kov.

Tzv. "měkká" pájka je slitina dvou nebo více kovů s nízkou teplotou tavení. Měkké pájky (s teplotou tání nižší než 400 °C) jsou slitiny kovů jako Pb, Sn, Cd, Zn, Ag aj. Dříve používané slitiny s olovem jsou podle směrnice RoHS od r. 2006 zakázány a jsou proto nahrazeny slitinami Sn, Cd, Zn aj., (např. pájka 220, s Cd82Zn16Ag2). (Výjimky se tolerují pro oblast lékařství, vojenství, částečně automobilové techniky a letectví/kosmonautiky.) Jejich vlastnosti jsou však v porovnání s olovnatými méně výhodné, např. mají horší smáčivost a vyšší teplotu tavení, což má nepříznivé důsledky (vyšší tepelné zatížení pájených součástek, zkrácení životnosti pájecího hrotu aj. Bod tavení bezolovnaté pájky je obecně o 20 až 45 °C vyšší, než u konvenční olovnaté eutektické pájky. Bohužel většina bezolovnatých slitin není eutektická. Pro ruční pájení v elektronice se pájky dodávají v podobě "dutého" drátu (trubičky) vyplněného tavidlem. Tavidlem pro pájení v elektronice je nejčastěji speciální kalafuna.

V České republice platí pro měkké pájky norma: ČSN EN ISO 9453 Slitiny pro měkké pájení – Chemické složení a tvary

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 náhled|Transformátorová páječka (podle tvaru také "pistolová páječka") náhled|Dotykové pájení

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, např. přímým průchodem elektrického proudu u tzv. 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 plochým vodičům horkou vlnou roztavené pájky.

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. Při pájení v peci je teplo předáváno sáláním z topného tělesa (ve vakuu), nebo i vedením plynem (v peci s redukční atmosférou).

V elektronice se výborných výsledků dosahuje pájením v atmosférách z inertních plynů (dusík, řidčeji argon).

Nejdokonalejší způsob je vysokoteplotní pájení ve vysokém vakuu. Je použitelný jen pro tvrdé pájení různých kovů s vyšší teplotou tání, ale s výjimkou slitin obsahujících zinek, který má vysokou tenzi par a ve vakuu prudce sublimuje.

Páječka

Páječka je elektrické nářadí pro tavení kovů při spojování součástek měkkým pájením. Při pájení se kovové součástky nejdříve páječkou zahřejí a přidáním roztavené pájky se spojí. Pájka vytvoří po vychladnutí pevné mechanické a elektrické spojení. Kovové součástky nejsou na rozdíl od svařování nataveny. Přesto vzniká na povrchu kovové součástky ve styku s pájkou tenká legovaná vrstva. Elektrické páječky jsou vždy osazeny vyměnitelným pájecím nástavcem. Výměnný nástavec (hrot) je zhotoven z tepelně dobře vodivého kovu, zpravidla z mědi nebo jejích slitin. Měď se ale v roztavené pájce rozpouští a hrot by rychle ubýval. Pájecí hrot je proto většinou pokrytý vrstvou odolnějšího kovu, například niklu. Vyměnitelný hrot je ohříván topným tělískem, které je součástí páječky. U pájecích stanic s regulací teploty je v blízkosti hrotu teplotní senzor nebo se měří odpor topného tělíska. Páječky existují s výkonem od několika wattů pro pájení na DPS až po výkony několika stovek wattů. U páječek pro elektroniku je důležitá taky průběžná stabilita (stabilizace) teploty. Extrémním případem jsou pájedla, u kterých je přiváděn do pájecího místa, na konec hrotu, dusík.

Zvláštním typem páječky je pistolová (transformátorová) páječka. Místo hrotu má pájecí smyčku z drátu. Smyčka se zahřívá průchodem velkého proudu dodávaného vestavěným transformátorem. (Nověji se vyrábí páječky stejného vzhledu, ale transformátor je nahrazen měničem – jsou tedy podstatně lehčí). U pistolové páječky je výhodou rychlý ohřev na pracovní teplotu. Zapíná se tlačítkem na rukojeti, které se musí držet sepnuté po celou dobu práce. Při odložení se páječka sama vypne a nebezpečí popálení nehrozí. Pistolové páječky se vyrábějí s výkonem okolo 100 W. Pro práci s citlivými elektronickými součástkami nejsou příliš vhodné. Pro relativní nemotornost, váhu a obtížnou stabilizaci teploty na hrotu se nepoužívají v sériových výrobách.

Základní způsoby pájení Nánosové (reakční) – roztavená pájka je nanášena na spojované plochy Kapilární – součásti jsou vhodně zajištěny proti vzájemnému posunutí a do mezery je vložená pájka (např. ve formě zrn), po vložení do pece se pájka roztaví a dojde ke spojení.

V elektrotechnice se při pájení součástek v hromadné výrobě používá pájení vlnou. Při této technologii osazené DPS projíždějí vlnou tekuté pájky hnané čerpadlem. Dnes se pro pájení SMD součástek používá hlavně pájení přetavením (reflow). Na DPS se přes šablonu z tenké bronzové fólie nanesou tečky pastovité pájky. (Viz Wikipedie: "Sítotisk".) Tato pájka má lepivou konzistenci, takže ve fázi osazování zafunguje i jako lepidlo a přidrží součástky na desce. Při průjezdu desky přetavovací pecí se pájka roztaví a vytvoří pájený spoj.

Prostředí pro pájení náhled|Pájení plamenem

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.