Наука и производство. Повышение качества приборов автоматики Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Компоненты и технологии, № 6'2004

Наука и производство.

Повышение качества приборов автоматики

Федеральное государственное унитарное предприятие Уральский электромеханический завод (ФГУП УЭМЗ), больше известное как «Три тройки», являясь одним из ведущих предприятий электронного и электромеханического приборостроения в России, большое внимание уделяет обеспечению высокого качества своей продукции.

Василий Штенников

[email protected]

Владимир Байдаков, д.ф-м.н

Одним из основных факторов обеспечения надежности приборов автоматики является качество паяных соединений, количество которых может достигать нескольких десятков тысяч. С одной стороны, температура расплавленного припоя во время пайки должна быть достаточно высокой, чтобы он мог заполнить зазоры между соединяемыми деталями, а с другой — пайка компонентов не должна вызывать их перегрев.

Температура паяльного инструмента без терморегулятора понижается при выполнении серии паяных соединений. Применение терморегулятора решает эту проблему, но не исключает снижение температуры рабочей части инструмента, непосредственно контактирующей с паяным соединением и определяющей температуру пайки. Зависимость этого снижения от конструктивных параметров паяльного оборудования недостаточно изучена, а разброс значений снижения относительно среднего может намного превышать допустимый температурный интервал.

В настоящее время техническая литература содержит только самые общие сведения и рекомендации по выбору режимов и инструмента для низкотемпературной контактной пайки с учетом его тепловых характеристик [1-3].

Несмотря на широкое освоение групповых методов пайки, полуавтоматы и ручной паяльный инструмент незаменимы в производстве приборов, особенно при монтаже многослойных печатных плат с открытыми контактными площадками.

Перепад температуры по длине паяльного стержня в установившемся тепловом режиме (режиме холостого хода)

По экспериментальным данным о коэффициенте теплоотдачи получена простая зависимость перепада температуры по длине паяльного стержня от его длины I, диаметра й и теплофизических свойств материала стержня в режиме холостого хода [4]. Упомянутая зависимость использована для оценки расхождения в показаниях термодатчика

паяльной станции и температуры его рабочего конца. Для медного паяльного стержня при 280 °С получено выражение:

Дк « 0,4 х Ь2 х ^3/

(1)

Например, для паяльного стержня диаметром

0,2 см и длиной 3 см перепад температур составит около 40 °С.

Здесь и далее коэффициенты в формулах — размерные величины, в частности, в выражении (1) коэффициент 0,4 имеет размерность [°Ссм-1/2]. Линейные размеры указаны в сантиметрах.

Связь конструктивных и теплофизических параметров паяльного инструмента

В предположении постоянства коэффициента теплообмена и одинаковой температуры его поверхности предложена тепловая модель паяльного инструмента [5]. Радикально упростив решение задачи нестационарного теплообмена сложного объекта, модель позволяет достаточно корректно описать процессы разогрева паяльного инструмента до максимальной температуры холостого хода (см. рис. 1):

І = іххх(1

Іхх —

а'хБп

Сп

^ ~ а'хЯ

(2)

(3)

(4)

где ^ — температура установившегося режима (холостого хода), при котором пайка не производится, а количество тепла, выделяемого обмоткой нагревателя паяльника и рассеянного в атмосферу, равны; а' — коэффициент теплообмена между поверхностью паяльника и окружающей средой; т — время; Сп — теплоемкость нагретой части паяльника; Бп — площадь поверхности нагретой части паяльника; т0 — постоянная времени разогрева (ох-------www.finestreet.ru-----------------------

Компоненты и технологии, № 6'2004

лаждения) паяльного инструмента; Р — мощность паяльника.

Здесь и далее в формулах указаны избыточные (превышения над температурой окружающего воздуха) температуры.

Предложенная модель позволяет правильно указывать способ сокращения времени разогрева паяльного инструмента путем уменьшения его теплоемкости и уменьшения охлаждения при пайке посредством увеличения мощности по отношению к теплопогло-щению:

и =

*уст— кос р

(5)

К

0,95 1-е

-3/к„

(6)

Кр — требуемое сокращение времени разогрева паяльной станции.

КПД паяльной станции и паяльника

На базе теоретических и экспериментальных исследований впервые установлено соотношение для КПД паяльника, определяемого как «...отношение количества тепла, подведенного к наконечнику и выделенного нагревательным элементом» [3]:

КПД1 = 0,0085х^хЬх^2/Р (7)

Например, для 15-ваттного паяльника при ^ = 300 °С со стержнем диаметром 0,3 см и длиной 3 см КПД1 составит около 27%.

Согласно приведенному определению КПД паяльника с внутренним разогревом всегда равен единице. Таким образом, такой паяльник с бесконечно длинным стержнем, имея по определению 100-процентный КПД, всю энергию будет тратить на подогрев воздуха.

Наряду с соотношением (7) впервые предложено определение КПД как отношение теплопоглощения (тепла, передаваемого паяному соединению) к мощности паяльника во время пайки:

КПД2 = Р^Р+Рі)

(8)

где 1уст — температура паяльника при установившемся режиме многократной пайки; Р1 — теплопоглощение при пайке.

Форсированный разогрев паяльного инструмента

В рамках рассматриваемой модели могут быть получены формулы, связывающие время разогрева паяльной станции при номинальной и избыточной мощности (см. рис. 2):

где К — необходимая кратность превышения мощности относительно номинальной,

0,95 і-0--

3,0 т/т0

Рис. 2. Зависимость температуры паяльного инструмента от времени разогрева: 1 — паяльник без терморегулятора; 2 — паяльная станция, имеющая 2-кратный запас мощности с включенным терморегулятором; 3 — паяльная станция, имеющая 2-кратный запас мощности с выключенным терморегулятором

0,9-

0,8-

0,7-

<1

0,6-

0,5-

0,4-

о,з-

0,2-

0,1 -

согласуются с экспериментальными данными и могут быть использованы для улучшения теплофизических параметров паяльного инструмента, а также для правильного его выбора при монтаже электрорадиоизделий.

В результате проделанной работы определена зависимость снижения температуры рабочего конца «длинного» паяльного стержня Ь > 1,64сп„ при одиночной пайке от его диаметра, материала и температуры пайки tn1:

Например, при номинальной мощности паяльной станции 15 Вт ее КПД2 при пайке электрорадиоизделий на поверхность и в отверстия печатных плат составит примерно 6-17% соответственно.

Зависимость снижения температуры рабочего конца стержня во время пайки от его теплофизических и конструктивных параметров

На основе анализа теплового контакта неограниченных пластин решена задача нестационарного теплообмена стержня паяльного инструмента с паяным соединением при одиночной пайке [6-8]. Выводы теории хорошо

Л*1 _ $2 л/^2 Рг ^2

іп\ 5іі л]Хі рі С\

(9)

где тп — время пайки; а — коэффициент температуропроводности материала стержня; 51 — площадь поперечного сечения стержня паяльного инструмента; 52 — площадь поперечного сечения провода; 'лІК РіСі — коэффициент теплоусвоения материала стержня; •Д2Р2С2 — коэффициент теплоусвоения материала провода.

Влияние длины стержня паяльного инструмента и оборудования на снижение температуры его рабочего конца при одиночной пайке

Установлено, что для короткого Ь < 1,6%/<эт„ медного паяльного стержня с изотермическим нерабочим концом соблюдается следующее соотношение [9] (см. рис. 3):

^ = 0,63 иг

где ~тг— снижение температур

(10)

М „ Аіі

рабочего конца «короткого изотермичного» стержня по отношению к длинному.

Установленная зависимость от длины стержня и времени пайки позволила внедрить скоростной метод монтажа электрорадиоизделий на многослойные печатные платы с открытыми контактными площадками при времени пайки 0,5 с вместо традиционного 2-3 с и введена в соответствующий от-

—і— 10

—і— 15

—і— 20

—і—

25

Рис. 3. Зависимость снижения температуры рабочего конца «короткого изотермичного» стержня по отношению кдлинному от величины безразмерного критерия Фурье Fo:

Сплошная линия — теоретическая кривая;

Значки — экспериментальные данные

Компоненты и технологии, № 6'2004

раслевой стандарт. В ходе внедрения скоростного метода монтажа исследована механическая прочность нескольких тысяч паяных соединений и шлифы паяных соединений. Требуемое качество монтажных соединений достигается при времени пайки более 0,3 с при условии использования установленных зависимостей.

Литература

1. Справочник по пайке: под ред. И. Е. Пет-рунина — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 2003.

2. С. В. Лашко, Н. Ф. Лашко. Пайка металлов — 4-е изд. М.: Машиностроение. 1988.

3. Манко Г. Пайка и припои. 1968.

4. В. Н. Штенников, С.М.Ушаков. Зависимость перепада температуры по длине паяльного стержня от его геометрических и теплофизических параметров. Сб. ВИМИ. 1985. Сер. ИМ. Вып. 21.

5. В. Н. Штенников. Связь конструктивных и теплофизических параметров паяльника // Организация производства, прогрессивная технология. 1981. № 2.

6. В. Н. Штенников. Зависимость снижения температуры паяющего конца стержня паяльника во время пайки от его диаметра, материала и температуры холостого хода // Организация производства, прогрессивная технология. 1981. № 3.

7. В. Н. Штенников. Расчет температуры стержня паяльника при пайке // Сб. ВИМИ. 1986. Сер. МШ. Вып. 10.

8. В. Н. Штенников. Отработка режимов низкотемпературной пайки. ЦНИИАтомин-форм. 1986. Сер. РТ. Вып. 5.

9. В. Н. Штенников. Влияние длины стержня паяльника на снижение температуры его паяющего конца при одиночной пайке // Организация производства, прогрессивная технология. 1981. № 9.