Технологические основы индивидуальной пайки.

Индивидуальная пайка применяется при монтаже блоков в условиях мел­косерийного производства, а также во всех случаях ремонтных работ. ТП 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.3.20.. Пайка выводов 1 в неметаллизированные отверстия печатных плат 2 (рис.3.20, 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 пропаем метал­лизированного отверстия

(рис.3.20,6) получается при рациональном выборе зазора и большом времени пайки в условиях хорошей смачиваемости ме­таллизированного отверстия. Соедине­ние, показанное на рис. 3.20, в, фор­мируется при точном совмещении вы­вода с контактной площадкой (фик­сация элемента).

Рис.3.20. 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.3.21), на участке А смачивание недостаточ­ное, С – макси-мальное, 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 динамикойтеплового 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. 3.21. 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. 3.22).

Рис. 3.22. 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.3.23), 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. 3.23. Паяльник фирмы Weller Рис. 3.24. Формы загиба паяльных жал

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. 3.24, табл. 3.6).

Табл. 3.6. Унифицированный ряд загиба паяльных жал

Индекс жала	Угол загиба, град	Характеристика применения
Глубина монтажа	Интенсивность нагрузки	Расположение соединений
А Б В Г		Большая Средняя Небольшая То же	Любая Средняя То же Высокая	Разнотипное Однотипное Многообразие пространственного положения

Форма заточки жала зависит от плотности монтажа, размеров кон­тактных площадок, интенсивности те­пловой нагрузки (рис. 3.25, табл. 3.7).

Рис.3.25. Формы заточки паяльных жал.

Табл. 3.7. Унифицированный ряд заточки паяльных жал

Номер заточки	Конфигурация жала	L, мм	Характеристика применения
Плотность монтажа	Размер контактных площадок	Интенсивность тепловой нагрузки
	Две рабочие плоскости То же То же Одна рабочая плоскость Три рабочие плоскости Увеличенная поверхность	До 1	Высокая То же Средняя Высокая Средняя Высокая	Небольшой Средний Большой Средний То же Небольшой	Небольшая Средняя Высокая Средняя То же То же

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. 3.26), 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.

Рис. 3.26. Прибор МР-1 для пайки и ремонта