Электрические паяльники

ВВЕДЕНИЕ

Технологический процесс пайки применялся с давних времен и существует около 3000 лет, о чем свидетельствуют раскопки древних городов, в которых встречаются предметы соединенные медной или свинцовой пайкой. 

Тенденции развития техники напрямую воздействуют на процесс пайки и применяемые в нем компоненты. Существует большое разнообразие направлений связанных с ремонтом электронной техники с применением: паяльных станций, инфракрасных станций, термовоздушных станций и т.д.

Рассматриваемые станции представляют собой не просто паяльник знакомый каждому еще с советских времен, а сложный блок осуществляющий процесс установления и поддержания температуры инструмента задействованного в технологическом процессе. 

Актуальность темы исследования определяется преимуществом паяльных станций перед простым паяльником по целому ряду показателей, в которые входит возможность регулировки температурных режимов.

Повседневное использование в работе паяльной станции с возможностью смены насадок жала паяльника и регулировкой температуры позволяет производить работы разного уровня сложности более грамотно выстраивать рабочий процесс.

Поэтому цели настоящей работы заключаются в комплексном изучении как в отдельности некоторых видов паяльных станций, так и рынка в целом, в том числе сравнение характеристик, функциональных особенностей и цен. Основной целью дипломной работы является создание паяльной станции, демонстрация её работы на практике, а также выявление преимуществ в сравнении с покупными. 

РАЗДЕЛ 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПАЯЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Паяльники для ручной пайки

Паяльники изначально изготавливались из цельной медной головки в виде топорика и выполняющей роль жала. В качестве рукояти использовались стальные прутья разной длины и формы. Использование двух металлов с разной теплопроводностью позволяло удерживать данный паяльник в руках и сохранять приемлемую температуру на медном жале. Нагрев данных устройств происходил на углях в печи, что дало им название - жаровые. Такие паяльники использовались в промышленных целях в основном в кузницах и на заводах для лужения металла, труб и кабелей. На смену которым пришли паяльные лампы, работающие на солярке или бензине.

Электрические паяльники

Первый в мире паяльник, работающий от розетки, появился благодаря немецкому инженеру и ученому Эрнсту Сакс, который изобрел и подал заявление на патент конструкции такого типа, выполненный в виде молотка в 1921г изображенного на рисунке 1. Имея патент на устройство и спрос на рынке к такой продукции, Сакс открыл фирму ERSA. Данная компания существует по сей день. Внешний вид напоминал ручной паяльник и обладал мощностью в 600Вт. Конструкция паяльника стала прародителем для новых типов паяльников.

                             Рисунок 1. Первый электрический паяльник

Устройство электрического паяльника разобрано на рисунке 2 и представлено на примере классической конструкции. Рукоять имеет несколько вариантов исполнения с деревянной или пластиковой рукоятью. Фартук благодаря насечкам позволяет удобно зафиксировать устройство в ладони и обеспечить воздушный зазор, для уменьшения температуры передаваемой рукояти. Отверстия так же помогают снизить температуру, передаваемую по корпусу от нагревателя к рукояти. Такая схема реализации паяльника используется и в настоящее время для мощностей с 20 до 100Вт. 

Рассмотрим принцип действия: вокруг паяльного жала намотана спираль из нихромовой проволоки, при протекании электрического тока внутри спирали происходит ее разогрев, а выделяемое тепло передается жалу. Чтобы избежать возможности короткого замыкания, происходит изолирование спирали от жала материалами, не проводящими электрический ток. В качестве изолятора чаще всего применяют слюдяные пластины, благодаря низкой стоимости и возможности выдерживать как механические, так и тепловые нагрузки

Технология пайки

После нагрева места производимых работ до заданной температуры и произведения монтажных или де монтажных работ с последующей фиксацией радиоэлементов.

По окончанию данных действий производится очистка платы спиртом, бензином или растворителем, для проведения контроля качества выполненных работ. Для повышения точности монтажа сложных или негабаритных элементов применяется технология точечной фиксации электронного компонента в нескольких точках с использованием низкотемпературных видов припоя. Использование подходящего типа припоя и флюса гарантирует качественную фиксацию элементов. 

Чтобы обеспечить качественный контакт между платой и установленной деталью предусматривают небольшой зазор, заполняемый оловянно-свинцовым припоем и рассчитываемый по формуле:  

Размер и форма заточки рабочей поверхности определяется площадью контакта и подбором припоя, отвечающего наилучшей смачиваемости. Для удобной и правильной работы, не приводящей к перегреву платы и элементов, расположенных на ней, температура паяльного жала должна быть выше, чем используемый тип припоя на 30–60°С. 

На графике, показанном ниже на рисунке 3 отображены значения текучести оловянно-свинцового припоя от температуры рабочей поверхности жала. На первом участке (А) мы наблюдаем недостаточную температуру, что бы изменить агрегатное состояние припоя, и как следствие низкие показатели пайки. На участке (В) с оптимальной температурой необходимой для данного припоя мы получим максимальный эффект и соблюдение температурного режима не приводящего перегреву припоя, элементов на плате и самого текстолита. Участок (С) показывает завышенную температуру, что приводит к обгоранию паяльного жала и чрезвычайно быстрому разогреву припоя.

Рисунок 3. Зависимость текучести припоя от температуры жала

Классический паяльник из-за своих габаритов и нестабильной температуры жала от 270 до 310 °С слабо подходит для выполнения современных работ. Разброс рабочей температуры на 30–40 °С обусловлен интенсивной теплоотдачей при контакте с припоем и платой. При работе с многослойными печатными платами, полупроводниковыми элементами чувствительных к нагреву, поддержание температуры жала на заданном уровне является главной задачей для обеспечения качества выполняемых работ и сохранения ЭРЭ в работоспособном состоянии. Выход из строя радиодетали расположенной на плате вследствие перегрева является более существенной проблемой, чем деградация паяльного жала. Обусловлено это ценой на подобные компоненты, которые могут в несколько раз превосходить стоимость паяльника. 

Типы припоев

Для пайки немаловажно определить тип припоя и паяльного флюса. Припой представлен в виде сплава в твердом виде, который при нагреве становиться мягче и при достижении необходимой температуры обладает текучестью. 

Температура пайки напрямую зависит от температуры плавления припоев. При монтаже и ремонте электронной техники используются, как правило, мягкие припои. Все припои разделяются на два класса обусловленных температурой плавления.

Твердые припои имеют высокую температуру плавления – свыше 300°C, и обеспечивают высокую механическую прочность соединения. Наибольшее применение имеют твердые медно-цинковые припои марки ПМЦ, и припои на основе серебра ПСр, представленные в виде сплавов с разными добавками.

Температура плавления припоя марки ПСр-70 780°C, ПСр-10 830°C, ПМЦ-36 825°C, ПМЦ-51 870°C. Совершенно очевидно, что такие припои совсем непригодны для пайки электронных плат.

Поэтому для монтажа электронных схем применяются мягкие припои, температура плавления которых не превышает 300°C. В основном используются оловянно-свинцовые припои марки ПОС-61, ПОС-63,

температура плавления которых 190°C. Эти припои являются эвтектическими, то есть имеют одинаковую температуру плавления и кристаллизации.

О химическом составе этих припоев говорит название: ПОС-61 содержит 61% олова, остальное свинец, ПОС-63 соответственно 63% олова, остальное свинец. Эти припои применяются только для ручной пайки и обеспечивают хорошее качество паяного соединения. 

Припои марки ПОС обладают высокой электропроводностью, высокой текучестью в расплавленном состоянии и достаточной механической прочностью. Сочетание этих свойств позволяет производить высококачественную пайку печатных плат, многожильных тонких высокочастотных проводов, а также деталей из меди, бронзы, латуни, стали. При использовании флюсов для пайки алюминия очень хорошо паяются и алюминиевые детали, например обмотки трансформаторов и дросселей в бытовой технике.

В случаях, когда перегрев спаиваемых деталей крайне нежелателен, применяются низкотемпературные припои. Одним из них является сплав Вуда: олово – 12,5%, свинец – 25%, висмут – 50% и кадмий – 12,5%. Температура плавления такого припоя всего 70°C. Такую температуру называют особо низкой. Сплав Вуда применяется также в качестве добавки для снижения температуры плавления бессвинцовых припоев при отпайке деталей с печатных плат. Такая добавка позволяет отпаять элементы без порчи печатной платы и самой детали.

Свинец, как известно, считается металлом ядовитым, его пары чрезвычайно вредны для организма человека. Поэтому, в последнее время для пайки электронной аппаратуры, особенно бытовой, все шире применяются бессвинцовые припои.

Бессвинцовые припои

Самым экологически чистым и безопасным припоем следует считать, повидимому, чистое олово. Именно олово применяется в пищевой промышленности для лужения консервных банок – белая жесть. Но, к сожалению, такому припою присущи недостатки. 

При температуре ниже 13,2°C удельный объем чистого олова увеличивается более чем на 25%, что приводит к образованию другой фазы вещества, - так называемое серое олово. Причем, чем ниже температура, тем интенсивней процесс преобразования. При температуре -33°C олово превращается в серый порошок, пайки просто рассыпаются. 

Для создания бессвинцовых припоев на базе олова к нему добавляются различные компоненты: медь, цинк, серебро, золото, индий. Эти добавки позволяют избежать образования серого олова.

Для пайки электронных компонентов чаще всего применяются припои следующих составов: олово – 52%, индий – 48%; олово – 91%, цинк – 9%; олово – 97%, серебро – 2,3%, медь – 0,7%.

Температура плавления этих припоев находится в районе 300°C, что значительно выше, чем у оловянносвинцовых припоев.

Все бессвинцовые припои имеют меньшую текучесть в расплавленном состоянии, низкую смачиваемость паяемых поверхностей. Что компенсирует применение специальных флюсов, применяемых при пайке бессвинцовыми припоями. И все же качество шва, выполненного бессвинцовыми припоями хуже, чем при использовании оловянно-свинцовых припоев. Но наука не стоит на месте, постоянно ведутся изыскания по улучшению качества бессвинцовых припоев.

Современные микросхемы выпускаются в корпусах BGA. Не имеющие выводов, их роль выполняют шарики из припоя, наплавленные на контактные площадки в нижней части корпуса. Для пайки таких микросхем появились новые типы припоя – паяльные пасты, наносимые трафаретным методом.

Паяльные пасты состоят из нескольких компонентов: собственно припоя в виде мелкодисперсного порошка, твердых частиц флюса такого же размера. Пастой эти компоненты становятся благодаря наличию связующих веществ, прежде всего жидких компонентов флюса и летучих растворителей.

Практически вся электронная техника изготавливается с применением SMD компонентов, габариты которых очень малы. Такие микросхемы обычным паяльником припаять нельзя и требуется применение специальных методов пайки, при которых нагрев производится горячим воздухом или инфракрасным излучением. Для этих целей применяются термовоздушные или инфракрасные паяльные станции.

Поэтому описанными выше паяльниками обеспечить качественную пайку затруднительно. Современные паяльники используются, как правило, в составе паяльных станций.