Как правильно паять

Пайка волной: технологический процесс

Пайка – важный этап и одна из наиболее ответственных операций в изготовлении электронной продукции. Для различных видов электронных компонентов и печатных плат используются различные методики для выполнения данного технологического процесса. Один из самых распространенных – пайка волной припоя, которая применяется преимущественно в сквозном и смешанном монтаже.

Общее описание метода

Эта технологическая операция была изобретена в середине 20 века, когда основным методом установки электронных компонентов был их монтаж в сквозные отверстия, проделанные в печатных платах. ПП с установленными на ней компонентами двигается поперек гребня стационарной волны расплавленного припоя, создаваемой в установке. Она обдает контактные подушки печатной платы и выводные контакты установленных на ней компонентов, формируя между ними паяные соединения.

Сегодня технология пайки волной – это сложный автоматизированный процесс. Большой толчок к ее развитию дало изобретение поверхностно-монтируемых компонентов. При их комбинации с компонентами сквозного монтажа на одной ПП применяется усовершенствованная технология пайки двумя волнами припоя.

Преимущества пайки волной

Хотя технология пайки волной была разработана еще в 50-х годах прошлого века, она до сих пор широко используется в электронной промышленности. Это обусловлено следующими ее преимуществами:

• Высокая производительность
• Относительно низкая стоимость оборудования и материалов
• Возможность обработки печатных плат различных размеров

Недостатки пайки волной

Помимо очевидных преимуществ, у данной технологии есть и существенные недостатки, ограничивающие ее применение в электронной промышленности:

• Невозможность работать с чип-компонентами
• Сложность настройки процесса и оборудования
• Сложность контроля качества соединений

Технологические аспекты пайки волной припоя

Такой метод пайки заключается в последовательном прохождении печатной платы через две волны припоя. Первая (турбулентная) подается из суженного сопла под высоким давлением, что исключает образование в ней полостей с веществами, образующимися при разложении флюса. При этом она все же создает перемычки между близко расположенными контактами, которые устраняются при прохождении платы над второй (ламинарной) волной с низкой скоростью истечения и более пологой формой.

Чтобы пайка была эффективной, необходимо обеспечить настраиваемые характеристики каждой волны. Для этого установки должны быть оборудованы отдельными соплами, насосами и контрольными модулями для каждой волны. Также их лучше приобретать с дешунтирующим ножом, который разрушает перемычки между близкорасположенными контактами.

Поэтому, при всех своих плюсах, пайка волной применяется главным образом при сквозном и смешанном монтаже электронных компонентов. В SMT-технологии в качестве альтернативы ей используется пайка оплавлением.

Особенности технологии пайки электронных компонентов

Особенности данной технологии пайки электронных компонентов заставляют особенно строго отслеживать различные характеристики техпроцесса. Важнейшее значение среди них имеют следующие параметры.

Гидродинамика волны

В современных установках для пайки волной за образование последней отвечают либо механические, либо электродинамические, работающие на основе силы Лоренца. В электронной промышленности более популярны на данный момент волнообразователи первого типа, конструкция которых включает крыльчатку, погруженную в расплав припоя.

Первая (турбулентная волна) подается под высоким давлением и сравнительно узкой струей. Ее задача – проникнуть в переходные и монтажные отверстия, участки между компонентами, нагреть их и смочить все контактные подушки и выводы.

Задача второй (ламинарной) волны – полноценное формирование паяных соединений. В данном случае волнообразователь должен создать мертвую зону, где отсутствует или сильно замедлено движение припоя. В ней или непосредственно около нее гребень волны должен соприкасаться с платой.

Характеристики конвейера

Плата с установленными на ней компонентами подается в установку пайки с помощью конвейера. В большинстве случаев оптимальный угол его наклона составляет 5-9 градусов. Больший угол наклона упрощает стекание избыточного припоя, снижая риск возникновения перемычек.

Скорость конвейера определяется степенью предварительного нагрева и времени, в течение которого ПП контактирует с волной припоя. Рекомендованная скорость для качественной пайки составляет от 80 до 140 см/мин.

Нанесение флюса

При пайке волной припоя флюс может распыляться на поверхность ПП. Флюсователь должен наносить состав равномерно, без образования слепых зон. Если они появляются, необходимо снизить скорость конвейера либо использовать головки с большим углом распыления.

Также необходимо учитывать давление, под которым флюс подается на поверхность ПП. Низкое значение этого показателя способствует увеличению и нестабильности размеров капель флюса. Чрезмерное давление делает состав мелкодисперсным, и он теряет свою активность еще на стадии предварительного нагрева. При применении высокоплотного флюса, параметры давления нужно настроить на 10-20% выше.

Пенное флюсование

При использовании этого метода флюсователи настраиваются с помощью стеклянной платы. Нагнетание воздуха нужно подобрать таким образом, чтобы ширина смачивания была равна 1 см. Превышающая 80% интенсивная подача газообразной среды не рекомендуется, так как это ведет к увеличению размеров пузырьков пены, что снижает качество флюсования. Если повышение этого параметра не помогает, то стоит скорректировать высоту флюсователя, которая в большинстве случаев равна 10 см.

Предварительный нагрев

Подбирать его температуру следует с учетом типа и структуры печатной платы, а также температуры, при которой испаряется растворитель. К спиртовым флюсам применяются следующие распространенные режимы в зависимости от вида ПП:

• Для многослойных ПП предварительный нагрев значит очень много, так как оказывает влияние на качество пайки сквозных металлизированных отверстий.
• При наличии на плате крупных компонентов рекомендуется применять коротковолновые нагреватели.
• Увеличивать температуру на этапе предварительного нагрева следует со скоростью не выше 2°С в секунду.

Высота волн

Этот параметр рассчитывается как расстояние от высшей точки волнообразователя до нижней поверхности ПП. Для турбулентной волны этот показатель должен быть равен 7 мм, для ламинарной – 6,5-7 мм.

Ширина смачивания

Наряду со скоростью движения конвейера этот параметр влияет на время, в течение которого ПП контактирует с припоем. Он настраивается с помощью платы из стекла, которую перед этим нужно отфлюсовать. Для турбулентной волны оптимальная ширина смачивания – 1-1,5 см, для ламинарной – 3-4 см.

Температура припоя в ванне

Допустимый интервал этого показателя – 240-260°С. Чем она ниже, тем меньше риск термоудара по электронным компонентам. Повышение температуры до 260°С используется при пайке плат с несколькими слоями. Охлаждение ПП после пайки выполняется постепенно со скоростью 2-5°С/сек – это позволяет избежать термического удара по самой плате и компонентам.

На сайте компании Ассемрус представлено современное оборудование для пайки электронных компонентов волной припоя. Наши специалисты помогут вам подобрать установку с нужными характеристиками, проконсультируют насчет ее правильной эксплуатации.

Как правильно паять

Дэвид Корнелиус канал о радиоэлектронике David Ear

Если выйдет из строя электроника, бытовая техника или вдруг перестанет работать электроудлинитель, для ремонта понадобится паяльник. Расскажем, как правильно и безопасно им пользоваться и что нужно для пайки.

Что такое пайка

Паяние, или пайка, — способ соединения элементов с помощью жидкого сплава разных металлов. Когда расплавленный металл остывает, соединение становится крепким и передает ток. Пайкой соединяют детали из алюминия, меди и любых черных, цветных и драгоценных металлов.

Что можно сделать с помощью паяльника

Чтобы плавить металл, соединять или разъединять детали, используют паяльник. Он нужен для:

Как устроен паяльник и как его выбрать

Электрический паяльник состоит из деревянной или пластмассовой рукоятки, провода питания, корпуса и наконечника. Главная деталь в нем — наконечник, который чаще называют жалом. Жало бывает из меди или другого металла с никелевым покрытием. Новичкам лучше выбирать паяльник с медным жалом, так как у меди самый большой коэффициент передачи тепла и к медному наконечнику будет лучше прилипать припой.

Есть несколько видов паяльников:

Одна из главных характеристик паяльника — его мощность. Новичкам лучше выбирать модели в диапазоне 25–40 Вт: паяльник мощнее будет слишком громоздким и может постоянно перегревать радиодетали, что приведет к их поломке. Удобно работать паяльником, у которого есть возможность регулировать длину жала, вытягивая его из корпуса.

Какие материалы нужны для пайки

Паяние похоже на склейку деталей, только вместо клея здесь припой — чаще всего проволока из сплава олова и свинца, которая плавится при низкой для металла температуре (200–400 °С). Вместе с припоем используют флюс — раствор или вещество, которое растворяет оксидный слой на паяльных поверхностях. Флюс очищает место пайки от появившихся там пленок и жиров, чтобы припой лучше растекался и прилипал к деталям и поверхностям.

По составу все флюсы делятся на активные и нейтральные. Активные содержат кислоты и растворяют сам металл, а не только окислы, поэтому его обязательно нужно смывать после паяния спиртом или специальным растворителем. Нейтральный флюс не содержит кислот, поэтому менее эффективный для тяжелых случаев загрязнения и его применяют на новых деталях или там, где нет серьезных окислов.

Классический пример флюса — это канифоль. Но после канифоли место пайки нужно тщательно отмывать специальным очистителем или спиртом: вреда он не принесет, но эстетичный вид соединения немного испортит. Периодически перед работой жало нужно чистить влажной губкой или ножом. Это не всегда просто, поэтому многие переходят на гель-флюсы: они не пригорают, и их легко отмыть.

Гель-флюсы — это глицерин с частичками канифоли или других искусственных материалов. Если канифоль наносят на рабочую поверхность с жала паяльника, то флюс наносят кистью: так удобнее контролировать дозировку и проникать в труднодоступные места.

Еще одна разновидность флюса — паяльная (ортофосфорная) кислота. Она сильнодействующая и предназначена для тяжелых загрязнений и коррозии, поэтому ее редко используют в домашних условиях. Маленькой капли достаточно для соединения пайкой массивных деталей. Будьте аккуратны во время работы с кислотой: при попадании на руки ничего не будет, но для глаз она опасна.

Дэвид Корнелиус

Для тех, кто только учится паять с нуля, я рекомендовал бы выбрать припой с канифолью в составе, а в качестве флюса — чистую канифоль. Она недорогая и удобная, а когда наберетесь опыта, то сможете перейти на гелевый флюс и паяльную кислоту. Со временем у каждого радиолюбителя появляются свои любимые материалы и стиль пайки. Например, мне нравится работать припоем 60/40 1 мм с флюсом в составе (60/40 — пропорции олова к свинцу, а 1 мм — диаметр проволоки). И еще я до сих пор работаю с канифолью, хоть паяю много лет.

Вне зависимости от того, какой припой или флюс вы выбрали, процесс пайки не меняется. Но детали, которые вы будете паять, по-разному реагируют на припой: некоторые моментально впитывают его, а к другим он с трудом прилипает. Есть материалы, для которых не подойдет обычный припой. Например, для алюминия нужен припой с цинком и другими металлами, для ювелирных изделий — припой с добавками из золота или платины. Обычный припой из олова и свинца подходит для меди и черных металлов: железа, стали или чугуна.

Техника безопасности

Прежде чем включать паяльник, ознакомьтесь с основными правилами безопасности.

Как подготовиться к пайке

Перед тем как приступить к пайке, нужно залудить жало. Лужение — это процесс, при котором поверхность жала покрывают тонким слоем припоя, чтобы оно не окислялось, лучше удерживало припой и в целом паять было приятнее.

Лудить паяльник нужно, даже если он новый. Если паяльником уже работали, его нужно сначала очистить. Можно использовать для этого металлическую губку, если жало никелированное, или напильник, если жало медное. Но не наоборот.

Когда очистите жало до чистого однородного блеска, сразу, пока оно не окислилось, окуните его в канифоль. Не вынимая жало из канифоли, включите паяльник в сеть и подождите, пока канифоль начнет плавиться. Когда появится легкий дым, достаньте припой и начните водить им по жалу, чтобы расплавить. Капните крупную каплю припоя в канифоль и сразу же опустите туда жало, стараясь как бы втереть его в припой. Когда рабочая часть жала начнет блестеть серебряным цветом — можно приступать к паянию.

Шаг за шагом

В качестве примера возьмем оборванный провод, который нужно снова сделать целым:

Упражнения для начинающих

В любом деле главное — практика. Есть несколько упражнений, которые помогут почувствовать, как работает паяльник, и набить руку.

Нарежьте много тоненьких проволочек диаметром около 0,4 мм и спаяйте их в сетку. На места пересечения проводов наносите равномерную каплю припоя. Когда закончите, попробуйте разорвать сетку. Если рвутся сами провода, а не места соединения, то пайка отличная. Если нет — тренируйтесь дальше.

После сетки можете попробовать распаивать и запаивать назад разные платы от радиотехники. Главное, чтобы там были детали разной формы, размера и с разным количеством ножек. Так вы точно научитесь паять что угодно.

Качество паяния оценивают по целостности и яркому блеску верхнего слоя, прочности на разрыв, а также отсутствию излишков припоя в местах соединения деталей.

Какие бывают ошибки

Начинающие радиолюбители допускают одни и те же ошибки:

Резюме

Не допускайте популярных ошибок новичков в паянии, следите за чистотой инструмента и соблюдайте правила безопасности. А чтобы с каждым разом паять все лучше и лучше, выполняйте упражнения, о которых мы рассказали.

А вы будете учиться паять?

Все статьи под рукой

В радиоэлектронике и телекоммуникациях пайка бывает разных видов, в зависимости от требований конкретных приложений. Ниже перечислены основные виды пайки, которые используются в этих отраслях.

Поверхностная монтажная пайка (Surface-Mount Soldering, SMT)Этот вид пайки используется для монтажа компонентов, которые размещаются непосредственно на поверхности печатной платы, без отверстий. Это включает в себя миниатюрные компоненты, такие как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и другие SMD-компоненты. Пайка SMT обеспечивает высокую плотность компонентов и облегчает автоматизированный монтаж.

Отверточная пайка (Through-Hole Soldering, THT)Этот метод пайки применяется к компонентам с выводами, проходящими через отверстия в печатной плате. Компоненты, такие как разъемы, кнопки и некоторые индуктивности, используют отверточную пайку. Этот метод пайки обеспечивает прочное механическое соединение.

Поверхностно-отверточная пайка (Mixed Technology Soldering)Некоторые платы могут комбинировать SMT и THT компоненты. Это позволяет использовать преимущества обоих методов в одной схеме.

Рефлов-пайка (Reflow Soldering)Этот процесс SMT-пайки включает нагревание печатной платы с уже размещенными компонентами в специальной печи с контролируемыми температурными режимами. После нагрева паяльный припой плавится и создает соединения. Рефлов-пайка эффективна для массового производства.

Пайка в атмосфере азотаВ чувствительных приложениях, таких как микроволновая электроника, пайка может выполняться в атмосфере азота, чтобы предотвратить окисление припоя и уменьшить потери сигнала.

Пайка на волнах (Wave Soldering)Этот метод применяется в процессах массовой пайки THT-компонентов. Плата проходит через плавающий поток паяльного припоя. Когда припой охлаждается, он создает соединения с выводами компонентов.

Пайка вручнуюВ ручной пайке операторы используют паяльники для точной пайки компонентов и деталей на плате. Этот метод используется в прототипировании и мелкосерийном производстве.

Ультразвуковая пайка (Ultrasonic Soldering)Этот метод используется для соединения пластиковых компонентов и композитных материалов путем использования ультразвуковых вибраций для местного нагрева и соединения.

Каждый из этих методов пайки имеет свои преимущества и применяется в зависимости от типа компонентов, конструкции платы и требований к качеству в радиоэлектронике и телекоммуникациях.

Пайка в радиоэлектронике и телекоммуникациях имеет свои особенности, обусловленные спецификой этих отраслей. Вот несколько ключевых особенностей пайки в радиоэлектронике и телекоммуникациях.

Высокая точность и миниатюрностьВ этих отраслях часто используются микроскопические компоненты и печатные платы с высокой плотностью элементов. Поэтому пайка требует высокой точности и мастерства, чтобы избежать повреждения компонентов и обеспечить надежное соединение.

Высокочастотные требованияВ телекоммуникациях и микроволновой электронике важно минимизировать потери сигнала. Пайка должна обеспечивать низкие потери в высокочастотных цепях и хорошее экранирование, чтобы предотвратить электромагнитные помехи.

Соответствие стандартамВ электронике существует множество стандартов и нормативов, регулирующих процессы пайки и обеспечивающих соответствие устройств высоким требованиям по надежности и безопасности.

Технология поверхностного монтажа (SMT)С развитием SMT компонентов, пайка стала более сложной из-за меньших размеров и высокой плотности компонентов. Это требует использования более современных методов, таких как рефлов-пайка, и оборудования.

Управление температуройМногие электронные компоненты чувствительны к высоким температурам. Пайка требует соблюдения определенных температурных режимов и использования методов, которые минимизируют воздействие тепла на компоненты.

Многоразовые операцииВ телекоммуникационном оборудовании, которое часто подвергается обслуживанию и ремонту, пайка должна обеспечивать долговечность и возможность разборки для замены компонентов.

Применение специализированных материаловДля некоторых высокочастотных и микроволновых приложений требуются специализированные паяльные материалы с низким коэффициентом потерь на высоких частотах.

Использование автоматизацииВ массовом производстве радиоэлектроники и телекоммуникаций широко используется автоматизированное оборудование для выполнения пайки, что повышает эффективность и однородность соединений.

Учитывая эти особенности, пайка в радиоэлектронике и телекоммуникациях требует специальных навыков и знаний, чтобы обеспечить надежную работу электронных систем, особенно в условиях высоких требований к точности и производительности.

Научиться паять может любой желающий, но начинать нужно с основ. Пайка бывает разная. Существует огромная разница в методе пайки большого резистора мощностью 2 Ватта на обычную печатную плату и, к примеру, микросхемы BGA на плату сотового телефона.

В первом случае нужен простой электрический паяльник мощностью 40 Вт, твердая канифоль и припой, во втором случае необходимы термовоздушная станция, безотмывочный флюс, паяльная паста, трафареты и, иногда, станция нижнего подогрева плат.

Очевидно, разница существенная. В каждом случае нужно выбирать тот метод пайки, который является наиболее подходящим для конкретного вида монтажа.

За последние 120 лет с момента изобретения первого паяльника произошло много изменений. Для новичков, которые хотят освоить домашнюю пайку проводов и радиодеталей, существует несколько доступных и недорогих вариантов паяльников.

Первый вариант — нихромовый паяльник, который имеет нагревательный элемент из нихромовой проволоки и медное жало. У него есть несколько недостатков: он долго нагревается (более 3-х минут) и остывает, требует особого ухода и имеет ограниченный срок службы. Однако у него есть и преимущества, такие как доступная цена и возможность изменять форму жала.

Второй вариант — керамический паяльник, который имеет керамический нагревательный элемент и никелированное медное жало. Он быстро нагревается и остывает (около 20 секунд), позволяет контролировать температуру, легок в уходе и имеет долгий срок службы. Единственный недостаток такого паяльника в том, что керамический элемент при сильных ударах может трескаться.

Жало является рабочей частью паяльника и имеет несколько форм, которые подходят для различных видов пайки:

Жалу нихромовых паяльников можно придать любую форму с помощью напильника из меди. Но они имеют недолгий срок службы и быстро выгорают, требуя замены.

Никелированные жала не могут быть обработаны напильником, но они обычно обладают более длительным сроком службы.

Для домашней пайки часто выбирают проволоку, состоящую из сплава олова и свинца. Чем больше содержание свинца, тем ниже стоимость сплава. Припои с низкой температурой плавления, до 150-200 градусов, также пользуются популярностью.

Припой доступен в нескольких формах:

Попробуем спаять два металлических провода так, чтобы соединение проводило электрический ток и при этом было прочным.

1. Включите паяльник и дождитесь, пока он нагреется

2. С помощью кусачек удалите 2-3 см изоляции с концов проводов.

3. Чтобы залудить провод, возьмите небольшое количество флюса на паяльник и обработайте его. Если вы используете жидкий или гелевый флюс, то наносить его нужно непосредственно на провод.

4. Возьмите немного припоя на паяльник и нанесите его на провод.

5. Повторите те же самые шаги с другим проводом.

6. Зафиксируйте оба провода, прижимая их друг к другу. Для этого можно использовать плоскогубцы или держатель.

7. Осторожно нагрейте место контакта между проводами при помощи паяльника до того момента, когда припой расплавится и соединит провода.

8. Уберите паяльник, чтобы не перегреть детали. Протрите жало о влажную губку, чтобы удалить загрязнения и излишки припоя. Через несколько секунд припой затвердеет. Правильное соединение выглядит ровным, гладким и блестящим.

При работе с паяльным оборудованием необходимо соблюдать технику безопасности.