Juottaminen

Juottamisella tarkoitetaan metallien liittämistä toisiinsa käyttäen liitoksessa metallia tai metalliseosta, jonka sulamispiste on alhaisempi kuin liitettävien materiaalien. Suosittuja juotosaineita ovat muun muassa sinkki ja tina. Menetelmää, jossa myös liitettävät aineet sulavat kutsutaan hitsaamiseksi.

Pehmeä- tai pehmytjuottamisessa juotteen sulamislämpötila on alle 450 °C erotuksena kovajuotosta, jossa juote sulaa yli 450 °C:n lämpötilassa. Kovajuottoa (engl. brazing) käytetään muun muassa putkitöissä mitä nimitetään myös kapillaarijuotoksi.

Elektroniikka

Tinaimurin ja juottimen käyttöä

Elektroniikan valmistuksessa juottamisella eli juotolla tarkoitetaan metallisten pintojen liittämistä toisiinsa sulalla yleensä tinapitoisella metalliseoksella eli juotteella. Elektroniikassa juotosliitoksen pääasiallinen tarkoitus on liittää pinnat sähköisesti toisiinsa.

Juotettaessa juotettavien pintojen, esimerkiksi kupari (Cu), hopea (Ag) tai nikkeli (Ni) materiaalit eivät sula. Sen sijaan pintojen väliin muodostuu niin sanottua välimetallia, joka on sekoitus juotettavien pintojen ja juotteen aineista. Esimerkiksi kun juotetaan kuparijohdinta piirilevyyn, muodostuu juotettavien pintojen välille kupari-lyijy-tina-seosta. Juotosliitos on mikrorakenteeltaan ja sähkönjohtokyvyltään erilainen kuin itse juoteseos tai liitettävien pintojen metallit. Juottaessa tarvitaan juotosapuaineina (juoksutteita) eli flukseja, joiden tehtävänä on muun muassa siirtää lämpöä juotettaville pinnoille, pelkistää epämetallisia yhdisteitä(metallioksideja) sekä suojata uudelleen hapettumiselta, alentaa sulan metallin pintajännitystä, siten edistää juotteen tasaista leviämistä. Juottumista edistää myös juotettavien pintojen pinnoittaminen hyvin juottuvalla materiaalilla, kuten esimerkiksi tinalla (Sn), kullalla (Au), hopealla (Ag) tai orgaanisilla suojapinnoitteilla. Juottumisen hyvyys voidaan nähdä pääsääntöisesti ns. kastumiskulmista, jotka nähdään juotteen ja liitettävän pinnan kulmana.

Useimmat elektroniikassa käytetyt juotemetalliseokset ovat sulamislämpötilaltaan matalia, sillä elektroniikkakomponenttien kotelomateriaalit ja niiden rakenteet eivät kestä juurikaan korkeampia lämpötiloja kuin 260 °C. Puolijohteet kuten diodit ja transistorit tuhoutuvat jo noin 150-175 °C:n lämpötilassa. Tyypillisin juoteseos on ollut tina-lyijy (SnPb), jossa niiden keskinäinen suhde vaihtelee käyttökohteesta riippuen. Yleisin käytetty koostumus on tinaa 63 painoprosenttia ja lyijyä 37 painoprosenttia, eutektisen seossuhteen ollessa tarkasti Sn 61,9 Pb 38,1.

Kuumuudelle arempia komponentteja juotettaessa voi liian lämmön johtaa vaikka pihteihin.

Tinaimuri

1. heinäkuuta 2006 alkaen EU-maissa on rajoitettu tiettyjen haitallisten aineiden käyttöä sähkö- ja elektroniikkalaitteissa (RoHS-direktiivi). Tämän lainsäädännön vaikutuksesta kulutuselektroniikan juotemateriaaleista on poistunut lyijy. Tina-lyijyn korvaajaksi on tullut useita eri vaihtoehtoja, joista Sn96,5-Ag3-Cu0,5 on yleisin ns. SAC-juote. Myös juotteet ilman hopeaa (Ag) ovat osoittautuneet toimiviksi, esimerkiksi aaltojuotosprosessiin soveltuva juoteseos tina-kupari Sn99,3Cu0,7. Pitää kuitenkin huomata, että lyijyttömien juotteiden käyttö vaatii suuremman lämpötilan ja enemmän tietoa sekä taitoa harrastelijalta saada hyvä kontakti juotospintojen välille. Varsinkin aloittelijoiden on helpompi aloittaa perinteisellä tina-lyijyllä 60/40 tai 63/37 suhteella.

Tina-lyijyjuotteen korvaavilta juotteilta on haettu useita ominaisuuksia, joista tärkeimmät ovat eutektisuus, juotosliitoksen lujuus eri rasitusolosuhteissa (lämpöliikunnot, iskut ja viruminen) ja taloudellisuus.

Aaltojuotos on juottamismenetelmä, jota käytetään piirilevyjen juotosautomaatiossa.

Juotin (puhekielessä "kolvi") on työkalu, jolla yksittäisiä komponentteja tai johtimia juotetaan käsin, esimerkiksi laboratoriossa tai korjaamossa. Juotettaessa juottimella ei saisi koskettaa tinaa vaan ensin lämmitetaan sekä piirilevyn kuparia ja komponentin jalkaa jonka jälkeen voidaan työntää tinalankaa molempia pintoja vasten. Epäonnistunutta juotosta kutsutaan kylmäjuotokseksi eikä sellainen luotettavasti johda sähköä. Eräs onnistuneen juotoksen tuntomerkki on juotoksen kiiltävyys.

Putkistot

Asetyleenipoltin

Putkitöissä juottamisella on ollut keskeinen osa kupariputkien liitoksissa, vaikka nykyisin niin kutsutut helmi- ja puristusliitokset ovatkin yleistyneet. Juotosliitokset ovat kuitenkin vielä yleisiä, sillä ne ovat edullisempia kuin helmiliitokset. Lisäksi joissakin maissa asetukset sallivat tarkastetun juotosliitoksen jättämisen rakenteen sisään piiloon, kun taas helmiliitoksen suhteen tämä on kielletty. Kupariputkien liittämiseen hopeaa sisältävällä juotteella tarvittava lämpötila on noin 650–800 °C. Kun kupariosat on lämmitetty esimerkiksi kaasupolttimella lievästi punertaviksi, tuodaan muhviliitokseen noin putken halkaisijan verran juotetta. Juote kulkeutuu kapillaari-ilmiön ansiosta tasaisesti liitokseen. Joskus tätä liitostapaa kutsutaankin kapillaarijuottamiseksi.

Työturvallisuus

Kaikkeen juottamiseen kuuluu kaksi perusriskiä. Korkeiden lämpötilojen vuoksi on palovammojen ja tulipalojen vaara. Toisaalta kuumista lisäaineista syntyvät "höyryt", juotoskäryt, ovat ihmiskeholle haitallisia ja voivat jopa olla myrkyllisiä. Automatisoidussa juottamisessa tarvittavat kemikaalit lisäävät omat vaaratekijänsä. Kun juote sulaa kuumennettaessa, siitä nouseva "höyry" on oikeasti peräisin tinalangan sisällä olevasta juoksutteesta. Kaikissa juotteissa ei toki tätä ole, mutta oikeanlainen juoksute eli fluksi helpottaa juottamista huomattavasti. "Höyryt" aiheuttavat ärtymystä silmissä tai hengitysteissä ja pitempiaikainen altistuminen aiheuttaa hengityselinsairauksia, kuten astmaa ja keuhkokatarria. Siksi oikeanlaisesta ja tehokkaasta kärynpoistosta on huolehdittava niin, ettei juotoskäry pääse leviämään ympäröivään ilmaan.

Tinalankojen käsittely altistaa myös ihoärsytyksille, ja varsinkin lyijypitoisten tinalankojen käsittelyä paljain käsin tulisi välttää lyijymyrkytyksen vaaran vuoksi, sillä lyijy imeytyy ihon läpi elimistöön.

Lähteet

• Olli Poroila: Elektroniikkarakentelijan kirja. Otava, 1975. ISBN 951-1-01812-4.

Aiheesta muualla

• Harraste-elektroniikkaa rakentelijoille
• KAMAT-tietokortit: Kovajuotos ja pehmeäjuotos - Työterveyslaitos