ИК паяльная станция своими руками

Описание процесса ИК-пайки

Проблема при работе с компонентами в корпусах BGA заключается в необходимости нагреть и расплавить сразу большое количество шариков припоя.

При нагревании их, некоторое количества тепла за счет теплопроводности материалов отдается на монтажную плату. Того тепла, которое дает паяльная станция, становится недостаточно.

Увеличение времени нагрева или повышение температуры не лучшим образом сказывается на микросхеме. Она может перегреться и выйти из строя.

Решение напрашивается само собой – нужно предварительно разогреть монтажную плату снизу, не воздействуя теплом на микросхему. Разогревать можно как потоком воздуха, так и спокойным инфракрасным излучением.

В результате, когда температура материала платы поднимется, уменьшится теплоотвод с ножек контактов и понадобится меньшая температура и меньшее время воздействия для того, чтобы расплавить шарики припоя.

При использовании инфракрасной пайки для нижнего прогрева используют специальные устройства – термостолы. В этом состоит принцип работы инфракрасной паяльной станции.

Инфракрасная пайка заключает в себе множество преимуществ перед термовоздушной. Если при термовоздушной пайке возможно контролировать только скорость истечения воздуха из сопла и температуру нагревательного элемента, и совершенно невозможно управлять оттоком воздуха, то при инфракрасной пайке контролю поддается температура припоя на протяжении всего цикла работ.

А при ремонтных работах задача как раз и состоит в том, чтобы заменить один или несколько компонентов схемы, совершенно не воздействуя на другие.

↑ Постановка задачи

Прикинул задачу. Мне нужно: 1. Сравнительно несложное устройство.2. С «мозгами» на ATMEGA3. Нижний нагреватель на основе галогенных ламп на 1000 Вт.4. Верхний 5. Верхний нагреватель должен быть подвижным в трех плоскостях для центровки точки нагрева и высоты.

Прожекторные лампы и держатели для них у меня уже были. Киловаттные лампы я считаю оптимальными по нагреву и габаритам. Их шесть штук, соединены по две последовательно.

Модель ИК-650 ПРО

Одной из наиболее распространенных инфракрасных паяльных станций профессионального уровня является ИК-650 ПРО. В России это устройство стало одним из первых, способных с успехом производить ремонт техники с BGA схемами.

Пайка производится настолько качественно, что возникло устойчивое мнение об абсолютной надежности устройств, платы которых монтировались при помощи этой инфракрасной паяльной станции.

Программное обеспечение позволяет очень точно выдерживать температурный профиль, что немаловажно для создания прочных, надежных контактов. Ведь для качественной пайки необходимо не просто создать температуру достаточную для плавления припоя, а нужно еще поднять ее плавно и затем плавно понизить, не допуская резкого охлаждения контакта.

Только тогда будет создана прочная кристаллическая решетка в капле припоя, соединяющей контакт микросхемы с монтажным пятачком.

Инфракрасная станция имеет модульную конструкцию и позволяет собрать множество возможных конфигураций для производства предварительных и вспомогательных работ:

• возможно использование различного типа термостолов;
• подключение электронного микроскопа;
• автоматическое регулирование температуры нагрева и остывания;
• существуют дополнительные модули для восстановления выводов BGA (это называется реболлингом).

В комплектацию паяльной станции входит также вакуумный пинцет, которым удобно устанавливать мелкие детали на плате.

Стоимость инфракрасной паяльной станции ИК-650 ПРО в настоящее время более 150 000 рублей. Она является профессиональным оборудованием и, конечно же, для любительского использования практически недоступна.

Имеющиеся в продаже инфракрасные паяльные станции отечественного и зарубежного производства представлены в продаже очень широко, но цены на них начинаются от 20 000 рублей. И при минимальной цене, это будет инструмент не самого лучшего качества.

При необходимости производства работ с BGA-корпусами в условиях стесненности в средствах выходом может стать самодельная инфракрасная паяльная станция.

Собрать ее можно из деталей инфракрасных станций, имеющихся в продаже, а также из подручных материалов и старых отслуживших свой срок приборов.

Термостол для паяльной станции можно изготовить из светильника или нагревателя с галогеновыми лампами, которые будут нагревать плату до необходимой температуры. Верхний нагреватель и контроллер паяльной станции придется приобрести из запасных частей, покупая их новыми или бывшими в употреблении.

Штатив для верхнего нагревательного блока можно изготовить из опоры от старой настольной лампы.

Для термостола необходимо запастись галогеновыми лампами и отражателями-рефлекторами. Их помещают в корпус, который можно изготовить самостоятельно из алюминиевого профиля и листового металла.

Кроме ламп, в корпусе необходимо предусмотреть место для крепления термопары, которая будет «снабжать» информацией о температуре ламп модуль управления.

Температура должна выдерживаться точно, чтобы платы не растрескивались от избыточного тепла и резких перепадов температуры.

В качестве корпуса взял трофейный корпус от бесперебойника.Корпус имеет съемную верхнюю крышку из толстой жести. Прикинув длину ламп по отношению к корпусу, понял, что «вот она, рыба моей мечты». В крышке вырезал окно для ламп. Заднюю стенку заменил ячеистой, вырезанной из крышки какого-то советского УЗЧ (похоже, «Веги»).

Основа для крепления держателей ламп сделана на листовой жести от семнадцатидюймового TFT монитора. На ней закреплены собственно держатели, а на них — отражатель, вырезанный из листового алюминия — опять же от семнадцатидюймового TFT монитора (да, много у меня этого хлама). Также в этой основе установлена термопара, взятая от неисправного термофена.

Получился такой «сэндвич».

Долго ломал голову над верхним нагревателем, особенно над тем, как сделать его подвижным. Сначала хотел использовать валы от принтеров, но тут уже без токаря не обойтись. И хотя есть у меня знакомый хороший токарь, не хотелось его беспокоить по пустякам.

На ловца и зверь бежит! Это вид в разрезе центральной стойки от старой стеклянной витрины. Два куска использовал как вертикальную и горизонтальную направляющие, а еще один кусок, разрезанный уже вдоль — как полозья, по которым и будут передвигаться направляющие. В качестве элементов, которые передвигаются в полозьях, взял обыкновенные болты «пятерки». Болтов ушла целая горсть.

Корпус верхнего нагревателя выгнул из жести от корпуса DVD плеера. Использовал для этого двое маленьких тисков и ровную дощечку. Верхнюю часть разрезал ножницами по металлу и загнул плоскогубцами и молотком.

В коробке, помимо нагревателя, находится и вентилятор. Нашел самый оборотистый (5000 об./мин, а может и больше). Он просто необходим для вытягивания испарений при паянии, а то чуть подышал, и нос заложило и в горле першит. Сверху закреплен патрубок для гофротрубы, которая соединена с вентиляцией. Патрубок, кстати, от корпуса системного блока.

Из-за ограниченного размера нижней части корпуса и довольно больших размеров несущей верхнего нагревателя и его коробки, верхний нагреватель пришлось сделать съемным, чтобы можно было его использовать в крайних положениях справа и слева.

Кроме этого, пришлось соорудить переходную планку, необходимую для выравнивания верхнего нагревателя.

↑ Схема контроллера ИК паяльной станции

А управляет нагревом контроллер на двух ATMEGA8. С написанием программ у меня не очень, язык «Си» только «почитать», про ассемблер вообще молчу. Поэтому искал готовый вариант в интернете. Хотел именно на AVR, потому что для этих контроллеров у меня есть готовый программатор. Искал довольно долго. Изучил все ветки, посвященные паяльным станциям, на «Радиокоте» и на «Паяльнике».Остановился на этом варианте.В нем достаточный функционал и он простой для повторения. Оба канала полностью идентичны. Единственное, что изменил — вместо MOC3023 поставил MOC3063, т.к. этот чип с контролем перехода через ноль, поэтому меньше помех в сеть. В момент разогрева потребляемая мощность около 3000 Вт и это важно.

В нижнее плечо поставил симистор помощнее — BTA41.

При первом запуске вышел небольшой «бабах». Оказалось, что я случайно подключил симистор параллельно нагрузке, т.е. фактически параллельно сети. Предохранители ушли в мир иной. А на втором канале «потерял» один провод. Больше никаких проблем не было. Будьте внимательны, не торопитесь при запуске!

В приложении выкладываю свой вариант. Скажу сразу, делал на скорую руку и уже давно. Поэтому платы без обозначений, чисто разводка. И лень возвращаться, вспоминать, что да как, извините уж. Столько свободного места планировалось для стабилизатора на 5 В, но так как блок питания взял готовый, то место осталось.Желающие смогут найти другие варианты ПП в Сети.Конструктивно управление выполнено на трех платах. Две платы 100 мм на 70 мм, на одной расположились индикаторы и кнопки, на второй находится вся слаботочная электроника. Заготовки для плат брались пачкой в Китае, поэтому под их размеры и подгонял. Платы стоят одна над другой, печатью друг к другу, между ними — шлейфы.

Силовая часть выполнена на стеклотекстолите навесным монтажом.

Питает все это блок питания от DVD плеера. Установлен готовый фильтр питания от древнего копира, с предохранителями на 10 Ампер.

Сборка

Инфракрасную головку мощностью около 400-450 Вт, необходимо закрепить на штативе, используя крепеж, элементы которого легко приобрести в торговой сети, для контроля температуры верхнего нагревательного узла необходимо применить вторую термопару.

Она должна быть установлена вместе с нагревателем. Кабель можно проложить в гибком металлорукаве. Штатив паяльной станции необходимо крепить таким образом, чтобы ИК-головка могла свободно перемещаться над всей поверхностью.

На корпусе термостола необходимо предусмотреть кронштейны для фиксации платы. Она должна располагаться на несколько сантиметров выше галогеновых ламп. Для кронштейнов можно применить подходящие алюминиевые профили.

Контроллер для инфракрасной паяльной станции помещается в корпус, который можно изготовить самостоятельно из листового металла, лучше из оцинкованной стали.

При необходимости в корпус можно встроить такие же вентиляторы охлаждения, какие используются в корпусе компьютера.

После сборки самой конструкции предстоит отладка всей схемы инфракрасной паяльной станции. Это производится опытным путем, многократно запуская схему и производя замеры. Процесс нелегкий, но после настройки он даст свои результаты – паяльная станция будет работать правильно.

Бесконтактный паяльник

Если острой потребности в использовании инфракрасной паяльной станции нет, то для пайки может быть с успехом применен инфракрасный паяльник. Внешне он похож на обычный с той разницей, что вместо жала имеет нагревательный элемент.

Инфракрасный паяльник используется в условиях, когда контакт с выводами компонентов недопустим. Удобно им пользоваться и для пайки радиодеталей, так как часто у обычного паяльника на жале образуется нагар, и соединения получаются некачественными. Нагар приходится счищать, а на эти действия уходит порой довольно много времени.

В условиях домашней мастерской можно сделать простейший самодельный инфракрасный паяльник из прикуривателя автомобиля. Нагревательный элемент этого устройства отлично подойдет для изготовления инструмента.

Так как для нормальной работы прикуривателя нужен постоянный ток напряжением 12 Вольт, соответствующий бортовой электросети автомобиля, понадобится электропреобразователь, чтобы можно было использовать бытовую сеть переменного тока. Для этих целей можно с успехом применить блок питания для корпусов компьютеров.

Изготовление

Чтобы собрать инфракрасный паяльник, необходимо извлечь нагревательный элемент из корпуса прикуривателя. Далее к его контактам необходимо присоединить питающие провода. К центральному контакту, соответствующему «плюсу» автомобильной сети, можно подвести любой медный провод в изоляции.

К «рубашке» элемента, контактирующей в автомобиле с массой, необходимо подвести медный одножильный провод сечением не менее 2,5 кв. мм. К этому проводу уже можно припаять другой гибкий медный проводник.

Соединение необходимо изолировать на расстоянии примерно 2-3 см от нагревательного элемента, одев на соединение термоусадочную трубку. ПВХ изоляционную ленту использовать не стоит, так как она может расплавиться.

Для корпуса инфракрасного паяльного инструмента необходимо использовать любой стержень из тугоплавкого материала. Можно даже использовать неисправный паяльник, закрепив нагревательный элемент прикуривателя на жало.

Для этой цели используют стальные затягивающиеся хомуты. При этом необходимо следить, чтобы два питающих провода не соприкасались друг с другом неизолированными отрезками. Устройство соединяется с блоком питания гибким кабелем или электрошнуром достаточной длины.

↑ Наладка

В приложении есть инструкция по наладке, но я настраивал методом «научного тыка». Использовал китайские токовые клещи, в комплекте к которым шла термопара. Поставил «эталонную» термопару рядом с установленной, и крутил подстроечники. Старался сделать так, чтобы показания совпадали и подстроечники находились не в крайних положениях. Все. Ничего сложного.

Термопара от верхнего нагревателя просто устанавливается на нагреваемую плату поближе к чипу через капельку флюса, а не в сам нагреватель.Так показания будут точнее, и не будет перегрева. Это я подсмотрел у знакомых спецов-ремонтников.

В заводских станциях датчик, в основном, находится в нагревателе, в нем даже есть специальное отверстие для этого. Но никто не мешает сделать два датчика через переключатель.

Лампы в момент нагрева светят очень ярко, слепят. Надо чем-то закрывать лампы или глаза. Неплохо закрыть лампы стеклом от кухонной инфракрасной плиты, это будет идеальный вариант. Или взять стимпанковские сварочные очки, тогда можно стать крутым гиком, как в голивудских фильмах.Вот так выглядит работа нижнего подогрева.

Специально прогрел немного, иначе в момент разогрева фотоаппарат засвечивается.

Разогрев импульсный, поэтому свечение то ярче, то тусклее, в темноте возникает полное ощущение горящего костра и греться возле станции тоже можно. Если же подуть на термопару, то этот искусственный «костер» «разгорается» сильнее.

При первом прогоне испытуемая плата пошла пузырями. Но я и поставил снизу 180, а сверху 350 градусов. Второй чип снимал напарник при 230 градусах сверху, чип прекрасно снялся. Времени на второй чип ушло около 6 минут. Корпус станции почти не нагрелся. Нагревается съемная верхняя крышка. Думаю обклеить её фольгой по бокам.

↑ Файлы

Прошивки и доп. материалы: ▼ ik-payalnaya-stanciya-proshivki-i-raznoe.zip 🕗 17/07/16 ⚖️ 617,21 Kb ⇣ 100

↑ Обновление

Выше я написал, что, когда дуешь на термопару нижнего подогрева, станция «разгорается», как костер. Так вот, оказалось, это очень нежелательное явление! Термопара находится сравнительно далеко от ламп и имеет очень маленький размер, поэтому очень быстро остывает.

Когда я испытывал паяльную станцию в первый раз, я не включал вытяжной вентилятор, так как для него не было питания. И все режимы паяльной станции были в норме, я бы даже сказал, идеальны. Когда же начал использовать с вытяжкой, то выяснилось, что воздушный поток охлаждает термопару, и станция начинает «жарить» плату.

Если станцию использовать для больших материнских плат, которые полностью закрывают окно нижнего подогрева, то все прекрасно. Однако при прогреве сравнительно небольших плат, как-то видеокарт, ноутбучных материнок, в действие включается воздушный поток.

Как бороться с данным явлением? Я вижу два варианта. Либо как-то скомпенсировать влияние воздушного потока, либо полностью его ограничить.

В первом случае можно, например, сделать термопару на рычажке с противовесом, так, чтобы она касалась платы снизу. Можно увеличить площадь датчика, например, согнуть медную пластинку, вставив в неё термопару. За счёт большей площади больше ИК-лучей попадет на пластинку. Правда, и площадь охлаждения тоже больше.

Во втором случае, идеально закрыть окно подогревателя специальным стеклом от кухонной инфракрасной плиты. Но я его так и не нашел. Ну, нечасто люди ломают такие плиты.

Вспоминая опыт с большой платой, при прогреве маленьких плат можно закрыть оставшееся пространство окна какой-нибудь отражающей пластинкой. Например, алюминиевой или стальной, обмотанной алюминиевой фольгой.

И в самом крайнем случае, можно просто убавить подогрев, в моем случае, вместо 180 градусов, я выставляю 140-150.

Может, у кого-то еще есть мысли, как это лучше, а главное, проще сделать?

Кстати, в заводской станции начального уровня термопара находится вплотную между керамическими нагревателями. Так что в этом лампы проигрывают. Но зато в динамике разогрева они вне конкуренции. Видел на Ютубе, ребята даже в верхнем нагревателе поставили лампы именно по этой причине, использовав гирлянду из обычных 12-вольтовых галогеновых ламп от точечных светильников.