>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Профессия СБОРЩИК РЭА

§ 24. Пайка электромонтажных соединений

В настоящее время почти все электромонтажные соединения РЭА осуществляют тремя способами: ручной пайкой электропаяльником; машинной пайкой погружением в расплавленный припой и волной расплавленного припоя.

В данном параграфе подробно рассматривается ручная пайка электропаяльником, машинные способы пайки будут рассмотрены в гл. VI.

Основными требованиями, предъявляемыми к электромонтажным паяным соединениям, являются низкое переходное сопротивление и высокая надежность. Поэтому любая РЭА предъявляет повышенные требования к качественному выполнению всех электромонтажных соединений. Работа электромонтажника осложняется возросшей плотностью монтажа.

В современной РЭА плотность только самих монтажных соединений доходит до 10—12 шт. на одном квадратном сантиметре.

В связи с улучшением прочностных характеристик фольгированных диэлектриков резко сократились зазоры между печатными проводниками (до 0,25 мм) и уменьшились (по ширине до 0,3 мм) контактные площадки. Ограниченная термоустойчивость элементов печатного монтажа вынуждает снижать температуру пайки, поддерживая ее в узком интервале, и жестко ограничивать время пайки - дискретных радиокомпонентов до 3 с, некоторых микросхем до 2 с. Во избежание повреждения многовыводных микросхем и модулей необходимо ввести очередность их распайки на плате.

Большая плотность монтажа резко ограничивает размеры соединений и предъявляет повышенные требования к точности их выполнения и обеспечения стабильности и повторяемости их свойств. Это делает ручную пайку электромонтажных соединений РЭА незаменимой и приводит к необходимости ее совершенствования.

Пайка монтажных соединений электрическим паяльником должна обеспечивать высокое качество и надежность электрического контакта, а также необходимую прочность паяного соединения.

Марку припоя и флюса для монтажных соединений выбирают в зависимости от рода металлов, подвергаемых пайке, допустимого нагрева паяемых деталей, конструктивных требований и условий эксплуатации деталей и узлов.

Основными критериями при выборе электропаяльника являются: максимальная рабочая температура, теплоемкость наконечника и время его повторного разогрева; масса Vi теплоемкость паяемых (соединяемых пайкой) деталей. Причем рабочая температура и теплоемкость неразрывно связаны с мощностью и конструкцией паяльника.

Максимальнаярабочаятемпература берется по установившемуся тепловому режиму, когда количество теплоты, выделяемое нагревательной обмоткой, равно количеству теплоты, теряемому в окружающую среду. Рекомендуемая максимальная температура наконечника должна быть на 50 — 70 °С выше конечной температуры плавления припоя.

Теплоемкость наконечника является показателем количества теплоты, запасенного в нем для выполнения пайки. Это количество теплоты должно быть передано от наконечника паяльника к месту соединения деталей за время пайки, которое обычно не превышает 3 — 5 с. Теплоемкость зависит от геометрических размеров наконечника, его материала и мощности паяльника (она либо слишком мала, либо завышена, что приводит к непропаю или перегреву участка пайки).

Время повторного разогрева наконечника— это период, в течение которого он набирает максимальную рабочую температуру после каждого цикла пайки (считается от момента отведения электропаяльника от запаянного узла до момента прикосновения электропаяльника ко вновь запаиваемому узлу). Это время является косвенной функцией мощности паяльника, его теплоемкости и габарита паяного узла и должно быть минимальным (до 10 с). Масса рабочего наконечника и электрическая мощность электропаяльника должны соответствовать массе соединяемых деталей (приблизительно). Данные для выбора диаметра медного наконечника в зависимости от мощности электропаяльника приведены в табл. 1.

Таблица 1.
Данные для выбора диаметра медного наконечника

При электромонтаже и пайке деталей в качестве основного инструмента применяют электрические паяльники с напряжением питания не более 36 В. Корпус электропаяльника должен быть заземлен.

Во время работы электромонтажника электропаяльник должен находиться на рабочем месте с правой стороны. Токоподводящий шнур электропаяльника должен быть гибким, так как от его эластичности зависит удобство работы с электропаяльником и скорость выполнения операций пайки.

Конструкция электропаяльника зависит от его назначения и способа выполнения нагревательного элемента. По способу нагрева электропаяльники подразделяют на следующие группы:

• с нагревательным элементом в виде нихромовой спирали (внутренним и наружным обогревом наконечника);
• с импульсным нагревательным элементом в виде нихромовой петли, которая одновременно является наконечником;
• с электроконтактным нагревом (паяльные клещи).

Для пайки радиокомпонентов, печатного монтажа, микропроводов и интегральных микросхем применяют малогабаритные электропаяльники различной мощности (от 12 до 50 Вт) с внутренним нагревательным элементом. Температура нагрева торца паяльного наконечника достигает 260 °С.

Поперечный разрез электропаяльника, предназначенного для пайки радиокомпонентов, показан на рис. 20.

Рис. 20. Конструкция электропаяльника с заземлением:
1 — наконечник, 2, 6 — гайки, 3 — трубка, 4 — термопара, 5 — керамика, 7 — основание, 8 — винт, 9 — втулка, 10 — термостойкие изоляционные трубки, 11 — ручка, 12 — держатель (пластина), 13 — жгут из проводов питания, термопары и заземления, 14 — нагревательный элемент

Для пайки монтажных проводов со штепсельными разъемами применяют паяльники мощностью от 60 до 90 Вт со сменным нагревательным элементом (рис. 21).

Рис. 21. Электропаяльник со сменным нагревательным элементом:
1 — наконечник, 2 — корпус, 3 — сменный нагревательный элемент, 4 — ручка, 5 — провода питания

Для пайки печатных узлов с полупроводниковыми элементами применяют электропаяльники с автоматической регулировкой температуры. Датчиком температуры для них обычно служит термопара, спай которой помещается в паяльном жале на расстоянии 30 — 40 мм от рабочего конца паяльника. Показания термопары по номограммам пересчитываются на рабочую температуру. Точность регулировки нагрева составляет ±2°С на спае термопары, причем на рабочем торце наконечника она может падать до 20 — 30 °С за счет инерционности теплового поля. Однако такие колебания не выводят паяльник за пределы рабочей зоны.

Для пайки кабельных наконечников (различных типов и сечений) с монтажными проводами, а также крупных электроэлементов с массивными выводами применяют электропаяльники с наружными нагревательными элементами (рис. 22) мощностью от 90 до 120 Вт. Температура разогрева торца паяльного наконечника у этих паяльников достигает 400°С.

Рис. 22. Молотковый электропаяльник с наружным нагревательным элементом:
1 — наконечник, 2 — нагревательный элемент, 3 — корпус, 4 — ручка, 5 — провода питания

Для пайки электромонтажных соединений твердыми припоями (ПСр) с температурой плавления от 400 °С и выше применяют специальный электропаяльник, наконечник которого выполнен из нихромовой проволоки. Петля одновременно выполняет функцию нагревательного элемента. Перед пайкой петлю из нихромовой проволоки облуживают припоем, которым производят пайку (рис. 23). Для пайки крупногабаритных электромонтажных соединений твердыми припоями иногда применяют контактные клещи с угольными электродами.

Рис. 23. Электропаяльник с нагревательным элементом, выполненным в виде петли:
1 — петля (наконечник), 2 — втулка, 3 — гайка, 4 — изоляционное основание с токоподводами, 5 — корпус, 6 — провода питания

Паяльные наконечники характеризуются геометрическими параметрами (длиной, диаметром, формой загиба наконечника и формой заточки его рабочего конца); конструктивно-компоновочными особенностями (способом размещения нагревательного элемента); креплением к корпусу паяльника; основными технологическими показателями (теплоемкостью, теплопроводностью, теплоотдачей в атмосферу, материалом наконечника и его покрытием). Длина наконечника колеблется в зависимости от расположения паяльных соединений в схеме и может быть от 2—10 до 30—50 мм. Для наконечников обычно применяют медь марки Ml (реже М2, М3), никель, вольфрам.

В процессе пайки рабочая часть наконечника из меди довольно быстро изнашивается и окисляется, поэтому медные наконечники электропаяльников для увеличения срока службы покрывают тонким слоем железа или никеля толщиной 40 — 60 мкм.

Геометрия рабочей части наконечника электропаяльника должна обеспечивать необходимую для качественной пайки дозу жидкого припоя. Основные типы паяльных наконечников и форма заточки их рабочей части приведены на рис. 24.

Рис. 24. Форма заточки рабочей части паяльных наконечников:
а — пирамидка, б - четырехгранный клин, в — клин, г — конус, д — срезанный конус, е - паяльный наконечник

Для выпайки микросхем из платы используют специальные наконечники, надеваемые на жало электропаяльника (рис. 25).

Рис. 25. Насадки (к электропаяльникам), применяемые для выпайки микросхем в круглых {а) и прямоугольных (б) корпусах

После выбора и подготовки электропаяльника к пайке рекомендуется выполнить пробные пайки для установления режима паяльника (температуры рабочей части наконечника). Достигнув соответствующего качества пайки эталонных образцов, можно приступать к пайке РЭА. Для лужения выводов радиокомпонентов, жил проводов применяют специальные электрованны, содержащие расплавленный припой. Лужение осуществляют вручную погружением деталей в расплавленный припой (рис. 26).

Рис. 26. Ванна для ручного лужения выводов радиокомпонентов:
1 — тигель с расплавленным припоем, 2 — корпус, 3 — термопара, 4 — ручка, 5, 6 — провода термопары и питания, 7 — нагревательная обмотка

Электромонтажная пайка представляет собой соединение металлических деталей (выводов радиокомпонентов с контактными площадками печатной платы) в нагретом состоянии расплавленным металлом или сплавом (припоем). В отличие от сварки при пайке не происходит расплавления основного металла соединяемых деталей, так как температура плавления припоя всегда ниже температуры плавления основного металла.

В качестве припоев применяют различные цветные металлы и сплавы. Низкотемпературные припои (оловянно-свинцовые, кадмиевые, висмутовые) имеют температуру плавления ниже 450 СС и применяются для пайки электромонтажных соединений. Высокотемпературные припои (медные, медно-цинковые, серебряные) имеют высокую температуру плавления (700-900 °С) и применяются для пайки соединений, несущих большую токовую нагрузку.

Припои должны обеспечивать высокое качество соединений и простоту выполнения пайки. Оловянно-свинцовые припои, наиболее широко распространенные в радиоэлектронной промышленности, полностью удовлетворяют этим требованиям. Они применимы для всех способов пайки (ручной — электропаяльником, машинной — погружением и волной припоя) и со всеми флюсами. У них удовлетворительная коррозионная стойкость во многих средах, температурный интервал пайки совпадает с температурным интервалом активности распространенных флюсов, поверхностное натяжение расплавленных припоев обеспечивает заполнение достаточно узких зазоров.

Для успешного проведения процесса пайки и получения качественного соединения применяют активные вещества — флюсы. По своему состоянию флюсы могут быть твердыми (канифоль чистая), мягкими (различные пасты на основе канифоли) и жидкими (составы кислот или спиртовые флюсы на основе разведенной канифоли).

Все флюсы должны удовлетворять основным требованиям: своевременно и полностью растворять оксиды основного металла, равномерным слоем покрывать поверхность металла у места пайки, предохраняя его от окисления в продолжение всего процесса пайки. При электромонтажной пайке РЭА в основном применяют флюс ФКСп (30 — 40 %-ный раствор канифоли в этиловом спирте).

Прочность механических соединений пайки (сварки) проверяют покачиванием проводника около места соединения пинцетом или на вибрационных стендах. Проверенные паяные электромонтажные соединения рекомендуется закрашивать цветными прозрачными лаками, что исключает повторный осмотр.