Технологические основы индивидуальной пайки

Индивидуальная пайка применяется при монтаже блоков в условиях мелкосерийного производства, а также во всех случаях ремонтных работ. Технологический процесс индивидуальной пайки состоит из следующих операций:

– фиксация соединяемых элементов;

– нанесение дозированного количества флюса и припоя;

– нагрев места пайки до заданной температуры и выдержка в течение фиксированного времени;

– охлаждение соединения без перемещения паяемых деталей;

– очистка и контроль качества соединения.

Для обеспечения надежности паяных соединений предусматривают:

– механическое закрепление элементов и монтажных проводников на контактных лепестках и гнездах при объемном монтаже;

– выбор оптимальных зазоров в конструкции паяных соединений между поверхностями монтажных элементов.

При пайке оловянно-свинцовыми припоями такие зазоры определяются по формуле:

где d_отв – диаметр металлизированного отверстия;

d_в– диаметр вывода ЭРЭ.

Основные типы монтажных соединений в производстве ЭА показаны на рис.1.. Пайка выводов 1 в неметаллизированные отверстия печатных плат 2 (рис.1, а) отличается тем, что припой 3 не полностью заполняет монтажное отверстие. Вследствие этого снижается механическая прочность соединения, повышается вероятность отслоения контактных площадок 4. Соединение с полным пропоем металлизированного отверстия (рис.1,б) получается при рациональном выборе зазора и большом времени пайки в условиях хорошей смачиваемости металлизированного отверстия. Соединение, показанное на рис. 1в, формируется при точном совмещении вывода с контактной площадкой (фиксация элемента).

Рис.1 Типы монтажных соединений.

Температура пайки выбирается из условия наилучшей смачиваемости припоем паяемых деталей и отсутствия значительного теплового воздействия на паяемые элементы. Практически она на 20–50°С выше температуры плавления припоя. Как видно из графической зависимости (рис.2), на участке А смачивание недостаточное, С – максимальное, В – оптимальное (не вызывает перегрева припоя и паяемых материалов).

Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке обеспечивается теплофизическими характеристиками применяемого паяльника:

– температурой рабочего конца жала;

– степенью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теплового баланса между теплопоглощением паяемых деталей, теплопроводностью нагревателя и теплосодержанием паяльного жала;

– мощностью нагревателя и термическим КПД паяльника, определяющими интенсивность теплового потока в паяемые детали.

Рис. 2. Зависимость площади смачивания от температуры припоя

В технологии ЭА поддержание на заданном уровне температуры жала паяльника является весьма важной задачей, поскольку при формировании электромонтажных соединений на печатных платах с использованием микросхем, полупроводниковых приборов и функциональных элементов, термочувствительных и критичных к нагреву, возможны выход из строя дорогих и дефицитных элементов, снижение надежности изделия. Особенно критична к температурному режиму ручная пайка паяльником, которая имеет следующие параметры: температура жала паяльника 280 – 320 °С, время пайки не более 3 с. Однако из-за интенсивной теплоотдачи сначала в припой, набираемый на жало, а затем в паяемые элементы температура рабочей части жала паяльника снижается на 30–110 °С и может выйти из оптимального температурного интервала пайки (рис. 3).

Рис. 3. Термический цикл пайки паяльником.

Соотношение времени пайки и продолжительности пауз между пайками должно обеспечить восстановление рабочей температуры паяльного жала. Длительность восстановления зависит от теплопроводности жала, его длины, эффективной мощности нагревателя и степени охлаждения при пайке. Рекомендуемые мощности паяльников:

– для пайки ИМС и термочувствительных ЭРЭ 4, 6, 12, 18 Вт;

– для печатного монтажа 25, 30, 35, 40, 50, 60 Вт;

– для объемного монтажа 50, 60, 75, 90, 100, 120 Вт.

КПД паяльников имеет в настоящее время тенденцию к повышению от 35 до 55 % в связи с применением внутреннего обогрева жала вместо внешнего. Напряжение питания нагревателя выбирается равным 24, 36, 42 В, а в бытовых паяльниках – 220 В.

Стабилизация температуры рабочего жала паяльников достигается несколькими способами:

– тиристорным терморегулятором, состоящим из датчика температуры, закрепляемого в паяльном жале на расстоянии 30 – 40 мм от рабочего торца, и схемы управления. Точность регулирования температуры непосредственно в датчике достигает ±2 °С, однако на рабочем конце жала она достигает ±(5–10) °С за счет инерционности теплового поля (прибор «Термит»);

– нагревателем с переменным электросопротивлением, зависящим от температуры. Например, в монтажном паяльнике фирмы Philips (Германия) нагревательный элемент состоит из агломерата свинца и бария, сопротивление которого возрастает в сотни раз при нагревании выше точки Кюри, в результате чего сила тока снижается и паяльник остывает, а после охлаждения ниже точки Кюри процесс развивается в обратном порядке;

– использованием магнитного датчика (рис.4), изменяющего свои свойства при нагреве выше, точки Кюри, в результате чего в паяльнике фирмы Weller (США) происходитотключение нагревателя;

– использованием массивного паяльного жала и близким расположением нагревателя.

Паяльные жала характеризуются следующими геометрическими параметрами:

– длиной,

– диаметром,

– формами загиба жала и заточки рабочего конца.

Рис. 4. Паяльник фирмы Weller с термостабилизацией:

1 - включатель; 2 - постоянный магнит; 3 - датчик; 4 - нагреватель

Длина жала зависит от пространственного расположения паяных соединений и может быть от 10 мм (микропаяльники) до 30 – 50 мм (паяльники для объемного монтажа). Диаметр жала должен в 15–25 раз превышать диаметр проводника и выбирается из ряда предпочтительных диаметров: 0,5; 0,8; 1,5; 3; 5; 8; 10 мм. Форма загиба жала выбирается в зависимости от глубины монтажа и интенсивности тепловой нагрузки, а также пространственного расположения паяемых соединений (рис. 5, табл. 1).

Рис. 5. Формы загиба паяльных жал

Табл. 1. Унифицированный ряд загиба паяльных жал

Форма заточки жала зависит от плотности монтажа, размеров контактных площадок, интенсивности тепловой нагрузки (рис. 6, табл. 2).

Рис.6. Формы заточки паяльных жал.

Табл. 2. Унифицированный ряд заточки паяльных жал

Для унификации паяльных жал введены следующие их обозначения из трех знаков:

– первый определяет диаметр жала,

– второй (буква) — угол загиба жала,

– последний (цифра) — номер заточки, например 8Б6, 5А4 и т. д.

Эрозионная стойкость жала паяльника определяет его долговечность. Обычное медное жало из-за интенсивного растворения в припое после 1000 паек теряет форму и нуждается в заточке. Для защиты жала применяют гальваническое покрытие никелем толщиной 90–100 мкм, что удлиняет срок службы жала примерно вдвое. Перспективное решение проблемы – применение порошковых спеченных сплавов медь-вольфрам. Повышенная термо- и износостойкость вольфрама удачно сочетается с хорошей теплопроводностью меди. Гарантированная пористость материала улучшает смачивание жала припоем.

Паяльник фирмы Weller для ремонтно-монтажных работ имеет:

– время нагрева жала до температуры 270°С – 6 с;

– встроенную подсветку зоны пайки;

– время работы от кадмиевой батарейки – около 10 ч;

– три сменных жала диаметрами 0,8; 1,5; 2,5 мм и длиной 63 мм;

– удобный дизайн, обеспечивающий включение питания нажатием кнопки непосредственно перед выполнением пайки.

Эта фирма выпускает устройства типа HEAT-A-DIL для распайки ИМС и ремонта электронных блоков на печатных платах, имеющие сменные насадки для ИМС с различным количеством выводов и экстракторы для демонтажа ИМС с печатных плат.

Фирма Расе Inc. (США) выпустила микропортативный прибор МР-1 для припаивания и распаивания элементов (рис. 7), предназначенный для ремонтных работ в различных условиях и работающий от сети 220 В или 12-вольтной батареи. Время нагрева паяльника –1 мин, обеспечивается надежный контроль температуры наконечника паяльника.

Ряд зарубежных фирм выпускает паяльные станции, состоящие из стабилизированного блока питания, паяльника с набором сменных жал и вакуумного отсоса припоя из зоны пайки, представляющего собой конструкцию типа медицинского шприца с пружиной.

Список используемой литературы

1. Достанко А.П., Ланин В.Л., Хмыль А.А., Ануфриев Л.П. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства. Мн.: Вышэйшая школа, 2002..

2. Достанко А.П., Пикуль М.И. Хмыль А.А. Технология производства ЭВМ. Мн.: Высшая школа, 1994.

3. Ланин В.Л., Емельянов В.А., Хмыль А.А. Проектирование и оптимизация технологических процессов производства электронной аппаратуры. Мн.:БГУИР, 1998.

4. Ланин В.Л. Технология сборки, монтажа и контроля в производстве электронной аппаратуры. Мн.: БГУИР, 1987.

5. Емельянов В.А., Ланин В.Л., Хмыль А.А. Технология электрических соединений в производстве электронной аппаратуры. Мн.: Бестпринт, 1997.