Техника припоя

Капиллярный

Капиллярный вид пайки – самый распространенный. Многие, применяя его, даже не подозревают о таком названии. Суть технологии заключается в следующем.

Припой расплавляют, он нагревается и заполняет собой пространство между двумя подготовленными деталями. Смачивание поверхности деталей и удержание припоя происходит во многом благодаря эффекту капиллярности.

Капиллярный вид пайки распространен в быту и на различных производствах. Для его проведения потребуется паяльник или горелка. По сути, любой вид пайки можно считать в определенной мере капиллярным, поскольку в каждом присутствует капиллярное смачивание поверхностей заготовок жидким припоем.

Что такое пайка: особенности процесса

Пайка — процесс, при котором соединяются одни металлы при помощи других, из более легкоплавких.  Происходит это при высокой температуре (180 — 300°С) путём введения между деталями припоя (сплав свинца и олова), у которого более низкая температура плавления. В результате его затвердения, образуется прочный, неразъёмный и хорошо электропроводимый материал. Нагрев производится при помощи паяльника. Существуют различные виды паяльников, припоев и флюсов.

Обычно поверхности металлов покрываются слоем оксида, и перед пайкой, их необходимо зачищать. Но поверхности вновь могут окислиться. Что бы этого не происходило, и поверхность расплавленного припоя была более текучей, используют флюс.

Самый распространённый вид флюса — канифоль. Она состоит из смол хвойных деревьев и обладает янтарно-жёлтым цветом. Благодаря ей, место пайки не подвергается коррозии и не пропускает утечку электрического тока.

Диффузионный

Этот вид паяния отличается от остальных длительностью процесса, поскольку на диффузию требуется время.

Припой внутри зоны шва выдерживается при определенной температуре дольше, чем, скажем, при обычном капиллярном виде пайке. Соединение двух заготовок происходит за счет диффузии припоя и спаиваемых металлов.

Сам процесс диффузии заключается в проникновении молекул одного вещества в структуру другого вещества. Спайка происходит на молекулярном уровне и дает возможность получить более прочный шов.

Диффузионный вид требует строго соблюдения температурного и временного режима. Температура нагрева в зоне пайки всегда выше, чем температура плавления припоя.

Контактно-реакционный

Вид пайки под названием «контактно-реакционный» или «реактивный» означает процесс сплавления при контакте двух деталей из разных металлов.

Происходит фазовый переход металла из твердого в жидкое состояние с последующим отвердением и сплавлением. Часто такое соединение осуществляют через тонкую прослойку, которая нанесена на одну из заготовок гальваническим или иным способом.

Используются легкоплавкие материалы – эвтектики. Так можно соединить серебро и медь, где между деталями будет образован медно-серебрянный сплав. Проводят пайку олова и висмута, серебра и бериллия, графита и стали.

Можно спаивать алюминий с другими материалами через прослойку меди или кремния. Соединение получается прочным, время пайки занимает доли секунд.

Техника безопасности

Пайка — это небезопасный процесс, и перед тем как его начать нужно обязательно соблюсти все правила техники безопасности.

• Перед началом работ наденьте хорошие защитные очки — это застрахует от попадания припоя в глаза;
• Паяльник можно держать только за ручку;
• Нагретый паяльник не должен касаться изоляции питающего провода, так как это может привести к короткому замыканию, и, как следствие, — к пожару;

• Перегревать паяльник также нельзя — проверяем это коснувшись канифоли — должен появиться легкий дымок;
• Позаботьтесь о подставке для паяльника — они есть в продаже;
• При пайке электронных устройств, провода питания должны быть отсоединены. К примеру, электронная схема может быть выключена, но соединена с заземлением. И если корпус паяльника не заземлён, или имеет слабую изоляцию, то это может привести к возникновению дуги на несколько кВ;
• Не вдыхайте пары при пайке — они вредны для организма. До и после работ проветривайте комнату. Использовать для этого лучше технические помещения;
• Тщательно моем руки и лицо после работ. Проводить их лучше в одежде с длинным рукавом.

Реакционно-флюсовой

В основе реактивно-флюсового вида пайки лежит химическая реакция, при которой из флюса при соединении с металлом образуется припой. Это хорошо видно, когда между собой соединяются алюминиевые детали.

Для их стыковки применяется флюс на основе хлористого цинка. При нагреве цинк начинает взаимодействовать с алюминием, превращаясь в металлический припой.

Он заполняет собой все пространство зазора, делая место зоны пайки прочным соединением. При этом очень важно точно соблюсти пропорции наносимого флюса. Его должно быть много, чтобы чистый цинк в необходимом количестве мог выделиться из флюсового порошка.

Технология пайки

1. Жало после покупки паяльника обычно обрабатывается напильником для придания ему формы двугранного угла (30-45 градусов). Включаем его в розетку и оставляем на полчаса. Затем проходимся по нему напильником, снимая окалину.
2. За это время очищаем рабочую поверхность от всех загрязнений до блеска. Удаляем все коррозионные корочки при помощи напильника, ножа, или скребков.
3. Покрываем жало флюсом. Макаем его в канифоль и греем. После того, как оно покрылось ей, сразу же убираем. Также рекомендую использовать специальные флюс-пасты. Берите понемногу, без излишка.
4. Подготовленную поверхность закрепляем в неподвижном состоянии (пассатижами, тисками, пинцетом, механической скруткой), а затем лудим, то есть равномерно наносим расплавленный припой к обеим сторонам. Обычно это ПОС -10, ПОС -30, ПОС — 40, ПОС-50, ПОС-61.
5. Наносится слой флюса, чтобы избежать окисления под нагревом.
6. Для получения сплава хорошего качества, наносится ещё один слой припоя.

Пайка-сварка

Такое название технология получила потому, что сам процесс очень сильно напоминает сварку металла с присадочным материалом (проволокой или порошком).

Но в данном случае вместо присадки используется припой. Этот вид чаще всего используют для того, чтобы заделать дефекты и изъяны на поверхностях металлических деталей (литых).

Сам процесс можно проводить разными способами:

• пайка в печах;
• окунанием в ванну с жидким припоем;
• сопротивлением с помощью электрического тока;
• индукционным способом;
• радиационным;
• с помощью паяльников и газовых горелок.

Некоторые виды появились сравнительно недавно, еще исследуются и дорабатываются.

В печах

Первый вариант обеспечивает равномерное распределение припоя по дефектным участкам детали и равномерное прогревание, что особенно важно, когда приходится паять крупногабаритные заготовки со сложной конфигурацией.

При этом разогрев в печи может проходить одним из многих существующих способов, начиная от нагрева пламенем, и до сложно технологических процессов, таких как индукция, электросопротивление.

Конструкция самих печей отличается друг от друга лишь подами, на которые укладывают паяемые заготовки. Для крупных деталей используются печи, в которых под не движется, а для маленьких – подвижные в виде конвейеров на роликах.

Главная задача этого вида пайки – создать внутри печи специальную газообразную субстанцию. Пайка в печах может быть полностью механизирована, что ведет к повышению производительности труда. А для производств с массовым выходом готовой продукции это идеальный вариант.

Что касается индукционного вида, то для него используют токи высокой частоты. Электричество пропускается через спаиваемые детали, отчего они и нагреваются.

Здесь реализуются два способа пайки: стационарная и с перемещением детали или индуктора. В случае соединения крупногабаритных заготовок используется вторая технология.

Способ пайки сопротивлением чем-то схож с индукционным видом. Просто в этой технологии ток пропускается и через заготовки, и через паяльный элемент. То есть, соединяемые детали становятся частью электрической цепи.

Проводят такой процесс в электролитах или в специальных контактных машинах, действие которых очень похоже на стандартную электросварку. Контактные машины обычно используются в производствах, где необходимо паять между собой изделия из тонкого листового металла.

Пайка же в электролитах используется сегодня не часто за счет сложности настройки параметров технологического процесса. Ведь процесс проходит по принципу теплового эффекта, возникающего между катодом (спаиваемые детали) и анодом.

Вокруг заготовок образуется водородная оболочка, у которой очень высокое электрическое сопротивление. Отсюда и выделение большой тепловой энергии.

Погружение в ванну

Пайка с погружением проводится или в среде расплавленного припоя или в массе специальных солей. Последний вид пайки – это быстро проводимая операция за счет непосредственного нагрева заготовок от солей, которые выполняют функции и нагревательного элемента, и флюса. Что касается погружения в припой, то необходимо отметить возможность полного или частичного погружения.

Радиационный метод

Радиационный вид пайки производится за счет мощного светового потока, который формируется кварцевой лампой, лазером или катодным расфокусированным лучом.

Технология появилась относительно недавно, но показала, что таким способом можно достигать высокого качества пайки двух металлических заготовок. К тому же появилась реальная возможность контролировать процесс и по степени нагрева, и по временным срокам. При этом лазер удаляет оксидную пленку с припоя и с металла, что гарантирует высокое качество паяного шва.

Газовая оболочка в зоне соединения, образорванная за счет нагрева металлов, дает возможность при соединении не использовать флюсы. Поэтому, когда сегодня говорят о пайке без флюса, подразумевают лазерную технологию.

Горелка и паяльник

Что касается пайки горелками, то чаще всего применяются две технологии, которые, по сути, ничем не отличаются одна от другой. Происходит просто нагрев двух деталей и припоя, уложенного между ними в зазор.

В первом способе – за счет сгорания газа, во втором – за счет образования плазмы (это сгораемый газ, который движется тонкой струей с большой скоростью). Необходимо отметить, что способ с газовыми горелками считается универсальным.

Горелки, испускающие поток плазмы, работают при высоком температурном режиме. А это позволяет паять между собой детали из титана, молибдена, вольфрама и прочие тугоплавкие материалы.

Сложность этой технологии заключается в том, что настроить электрическую дугу под определенную температуру нагрева (до определенной точности) практически невозможно.

Пайка паяльником используется давно. Если еще 5-10 лет назад можно было говорить только об электрических приборах или нагреваемых от огня, то сегодня предложений куда больше.

Поэтому и появилась возможность паять различные металлы в воздушном окружении без флюсовых материалов. Непосредственно пайка происходит от нагрева припоя.

Секреты хорошей пайки

К сожалению, при перегреве легко повредить компоненты или печатную плату. Самое главное правило в пайке – научиться паять правильно и не перегревать плату и радиодетали. Паяйте четко и быстро. Держите пальцами массивные радиодетали или плату недалеко от места пайки, чтобы контролировать нагрев платы.

Установите температуру жала паяльника немного меньше, чем хотелось бы. Так можно проверить, достаточно ли этого для качественной пайки. Используйте 30-ваттный паяльник и кратковременную пайку, чтобы избежать перегрева контактов.

При работе с двухсторонней печатной платой проверьте пайку обоих слоев металлизации на предмет качественной и правильной пайки. Хороший паяный шов будет блестящим и конической формы. Если шов выглядит рыхлым, с налетом, то такой эффект называется некачественной «холодной пайкой». Происходит это из-за недогрева, отсутствия флюса и слишком быстрого остывания припоя. Как правильно паять в этом случае понятно — использовать и чуть дольше греть припой.

Некоторые радиодетали (диоды, транзисторы и др.) весьма чувствительны к перегреву. Они требуют дополнительного отвода тепла радиатором, который крепится к их корпусу. Можно пользоваться небольшими радиаторами, прижимающимися к корпусу детали для ее охлаждения.

Шов с правильным количеством припоя выглядит гладким и блестящим. Визуальный контроль является одним из лучших способов проверки паяных соединений. Припой должен плавиться на поверхностях контактов, а не на жале паяльника. Именно такой подход дает прочное соединение с поверхностью металла.

Припой должен покрывать пространство между паяными контактами равномерно, не образуя наплывов или недопаяных мест.

Кипящая канифоль или другой флюс из трубчатого припоя может оставить на жале или на шве нагар. Этот нагар является нежелательным остатком после процесса пайки. Он ухудшает качество шва, свойства смачиваемости и механическую прочность соединения. Очистите жало паяльника с помощью .

Полное остывание припоя может занять от 5 до 10 секунд – все это время лучше не шевелить паяными контактами. Чтобы удержать горячие радиодетали используйте , или с увеличительным стеклом для визуального контроля.

В качестве «кошки» можете взять старые радиодетали и попаять их между собой. Перед ответственной пайкой всегда проверяйте инструмент. Никто не совершенен, даже профессионалы, так что тренировка всегда пойдет на пользу делу. Как паятьпрофессионально просто поймете со временем.

В конце хочу привести картинку, немного похожую на инфографику на тему как научиться правильно паять. Эти основы пайки для начинающих я переводил сам, так что пользуйтесь на здоровье.

1. Для получения качественного результата необходимо следить за равными температурами спаиваемых поверхностей. То есть, недостаточно нагреть одну поверхность, и приложить её к другой. При низком нагреве жала припой только немного размягчится, но не расплавится. При высоком — будет чрезмерное выпаривание припоя.
2. Если что-то не получилось с первого раза — нужно дать остыть деталям! Нельзя на них дуть, и остужать искусственно. Время подбирается путём эксперимента. Желательно сначала потренироваться на чём-нибудь, например, на медных проводах, прежде чем приступать к основной работе.
3. Флюс наносится непосредственно перед самой пайкой. На 1 каплю припоя достаточно лишь чуть-чуть коснуться канифоли.
4. Жало прикладываем к месту пайки всей лопаткой!
5. Припой должен быть распределён равномерно по всей поверхности. А жало хорошо очищенным от окислов.

Только практика поможет научиться хорошо паять. Соблюдайте технику безопасности, и не бойтесь экспериментировать!

Вакуумный

Пайка в вакууме и сегодня еще используется не всегда и не везде. Сложность данного вида заключается в том, что необходимо в зоне паяния создать разряженную атмосферу без воздуха.

Как известно, присутствующий в воздухе кислород является причиной образования оксидной пленки, которая покрывает собою металлические заготовки и припой.

Пленка очень тугоплавка, при пайке теряются температурные градусы для нагрева соединяемых деталей. Поэтому все ученые до сих пор и ищут способы, как удалить оксидное покрытие или провести процесс без него. Пайка в вакууме – один из таких вариантов.

Препятствуют внедрению вакуумного вида в производство такие факторы:

• низкая производительность процесса, потому что приходится нагревать каждую отдельную деталь;
• таким способом можно паять лишь заготовки небольших размеров;
• сложность создания станков и дополнительного оборудования;
• сложность проведения процесса пайки.

Однако если говорить о космосе, где отсутствует атмосфера, то вакуумный вид считается весьма перспективным.

Селективный

Нельзя сказать, что селективный вид пайки принципиально отличается от капиллярного. Точно также в нем применяют припой и нагрев. Но расплавляют припой только в выборочных местах (локальных точках), на которые планируется прикрепить элементы.

Селективную пайку применяют в основном для изготовления плат и выводов штыревых компонентов. Она схожа с волновым методом, применяемым для пайки smd-чипов.

Установка селективной пайки – оборудование, относящееся к категории полуавтоматов. Оно не дешевое, но экономит расходные материалы почти в десять раз, по сравнению с волной, поэтому распространяется все шире и шире.

Температурный режим и материалы

Классификация процессов пайки основывается на методах проведения операций, условиях, при которых получают соединения, и на видах расходных материалов. Понятия и виды пайки подробно описывает ГОСТ 17325.

Пайку называют высокотемпературной или твердой, если припой разогревается до температуры 450 ℃ и выше. В противном случае приходится иметь дело с низкотемпературным видом (мягким).

Для низкотемпературного вида применяют легкоплавкие припои. К ним относятся сплавы олова и свинца, висмута, галлия, индия. К тугоплавким принадлежат медно-серебряные, медно-цинковые припои.

В связи с повелением новых материалов и требований экологической безопасности, технологии пайки постоянно меняются. Свинцовые припои применяют все меньше, устанавливают дымоуловители, разрабатывают лазерное и ультразвуковое оборудование.

Немалую роль в развитии пайки играет внедрение роботизированных систем, позволяющих значительно ускорить работу.