Паяльник и качество пайки: когда и почему выгодно применять специальный инструмент Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Паяльник и качество

паики:

когда и почему выгодно применять специальный инструмент

Приходится ли вам паять современные электронные компоненты? Если да, то каким инструментом вы пользуетесь и все ли вас в нем устраивает? Правда ли, что искусные мастера творят чудеса при помощи простейшего паяльника и что недостатки инструмента можно сполна компенсировать богатым опытом? К чему стремиться (в смысле улучшения паяльного инструмента) и как эффективно использовать то, что уже имеется под рукой? Обо всем этом пойдет речь в данной статье, адресуемой широкому кругу радиолюбителей и профессионалов радиомоитажиого дела.

Mark Cannon www.ersa.de

Генеральный директор отделения паяльных инструментов ERSA, Германия

Виктор Новоселов у2с@поуНп1с. spb.su

К. Т. н.,

полномочный представитель ЕПБА в России и СНГ

Характеристика качества паяного соединения — это его долговременная прочность. Компьютерный контроль параметров процесса пайки в автоматических паяльных машинах гарантирует безупречное соблюдение технологических норм и, как следствие, обеспечивает качество результата. Возможно ли обеспечить сравнимое качество при ручной пайке? Вопрос не праздный для тех, чьи изделия должны выдерживать проверку на надежность в сложных условиях эксплуатации. При серийном производстве вопрос качества имеет первостепенную важность еще и в комплексе с обеспечением высокой производительности работ. Задача быстрой, качественной и недорогой ручной пайки стояла всегда, но ее актуальность повысилась в условиях миниатюризации электронных компонентов при массовом переходе к технологии поверхностного монтажа.

Как известно, слагаемыми успеха при ручной пайке являются:

• применение подобающего инструмента,

• использование добротных материалов.

• наличие некоторого опыта.

Статья посвящена преимущественно первому из аспектов обеспечения качества, а именно — современному ручному паяльному инструменту, его техническим возможностям и особенностям эффективного применения.

Невидимые проблемы пайки

На фоне революционного развития радиоэлектронных компонентов конструкция электрического паяльника за многие десятки лет почти не претерпела изменений. Монолитное медное жало, зачастую покрытое слоем хрома или никеля и залуженное в рабочей области, закрепляется тем или иным способом в непосредственной близости от проволочной спирали, нагреваемой электрическим током от низковольтного источника или

сети 220 В — таков «портрет» типового паяльника. Паяльник по-прежнему может использоваться для выполнения большинства видов паяльных работ (в том числе и с монтажом на поверхность, за исключением новейших корпусов ВСА). Правда. не «обычный» паяльник, а в составе паяльной станции. Основа последней — электронный блок управления температурой инструмента. В обеспечении качества паяного соединения ключевую роль при прочих равных условиях играют два фактора: стабильность температуры и достаточная (но не избыточная!) продолжительность пайки. При ручной пайке продолжительность операции находится во власти радиомонтажника, а обеспечение стабильности температуры возлагается на инструмент. В идеальном случае формирование паяного соединения осуществляется в течение двух секунд при температуре 220 С. Реально в конвекционных печах температура на.фа-зе плавления поддерживается с небольшим разбросом в диапазоне 225...235 С в инфракрасных печах — 225...250 С в машинах с пайкой волной — 240...250 X. При ручной пайке миниатюрных электронных узлов температуру инструмента стремятся держать в диапазоне 220...295 С.

К сожалению, температура «обычного» паяльника существенно изменяется при выполнении серии паек (рис. 1).

Перед началом пайки серии соединений обычным паяльником температура инструмента традиционно находится далеко за верхним пределом оптимальной рабочей зоны (например, 375../«00 С). После нескольких операций пайки, проведенных за короткий промежуток времени, она опускается ниже оптимума. Время пайки постепенно увеличивается, а температура снижается вплоть до области холодной пайки. имеющей место при температурах выше 183 С но ниже 220 С. При этом припой уже расплавлен (и это заметно невооруженным глазом), но диффузия металлов с образованием

зчного интерметаллического слоя произошла. Прочность такого соеди-чрезвычайно низка. С другой сторо-ышенная температура пайки или из-ое время нахождения припоя в рас-нном состоянии тоже чреваты сни-и прочности соединения. Причина в |щем. В результате химической реак-жду медью и оловом образуется диф-|ный слой Cu3Sn/Cu6Sn5 (в англо-)й литературе именуемый как inter-с compound). Именно этот слой взаи-(икновения металлов выполняет роль чной механической связки в паяном 1ении. Исследования показывают !), что максимальная прочность пая-единения имеет место при толщине 1,5 мкм. При меньшей его толщине является «холодной» (см. выше), при ей — ухудшаются характеристики чности. тогда как именно это свойст-раничного слоя позволяет компенси-напряжения, возникающие в паяном 1ении из-за разницы температурных ициентов расширения материалов, из »х изготовлены печатная плата, проси, контактные площадки, корпус и и электронных компонентов, итожим: при использовании обычно-льника лишь небольшое число пая-)единений в каждой серии выполня-фи правильной температуре, тогда чество большинства из них неминуе-)адает. Тем, кто выполняет ответст-е работы обычныА паяльником, сле-томнить о принципиальной невоз-)сти обеспечения долговременной ости. Особенно это относится к мон-микроминиатюрных компонентов на хность, ибо в этом случае эффектив-лощадь соприкосновения объектов, няемых пайкой, в сотни раз меньше. }и традиционной пайке компонентов регия.

Паяльная станция — иструмеит профессионала

I вопросах качества не полагаться «на к то обычный паяльник придется заме-<а паяльную станцию. Как и многое в шре. паяльные станции различаются по ^ским возможностям, ценам и иным бительским характеристикам (причем не обязательно линейно отражают ка-) инструмента). Профессиональная nail станция обладает следующими свой-it:

Активным управлением температурой ia (контроль фактической температуры власти пайки с помощью того или иного ,а термодатчика в контуре автоматичес-системы регулирования); таточным запасом по мощности для бы-ой «подкачки» тепла в точку пайки и держания стабильной температуры при 1ке массивных соединений, когда рассе-\е тепла велико;

лроизводимостью результатов пайки laenciiMO от степени износа жала или I его смене;

• полностью антистатическим исполнением не только паяльника, но и электронного блока управления;

• удобством эксплуатации, эргономичным дизайном;

• безотказностью при непрерывной работе паяльной станции в течение длительного срока;

• долговечными паяльными жалами специальной конфигурации для пайки разнообразных компонентов;

• в наиболее совершенных станциях — возможностью подключения к компьютеру для управления, регистра-

-ции или документирования параметров технологического процесса в соответствии с требованиями стандартов качества IS09000.

На мировом рынке не так уж много производителей паяльных станций, а крупных фирм с солидной репутацией —■ не более полутора десятков.

Наиболее известные (по алфавиту) — ERSA,

Hakko, 08С, OK Industries,

METCAL. PACE, Weller/-CooperTools. В России с большим отрывом от конкурентов представлены инструменты трех лидеров — ERSA, РАСЕ. Weller.

В силу ценовой привлекательности популярна на протяжении уже нескольких лет и тайваньская марка Solomon, паяльные станции которой втрое дешевле младших моделей именитых

фирм — 60 S против 180 S. В кругу элитных марок (ERSA, РАСЕ, Weller) нет явного лидера по всем статьям — каждая из фирм имеет свои сильные стороны и пользуется уважением профессионалов. Долголетие

Weller, функционально- рис. з. Базовые к модульная роскошь РАСЕ стабилизацией и новаторские решения при лучших ценах ERSA образуют широкое поле выбора на любой вкус и бюджет.

Некоторые модели конкурирующих производителей имеют схожие потребительские характеристики. Что касается технических решений, то наиболее популярные, встречаемые у всех конкурентов, являются вариациями трех подходов к обеспечению температурной стабильности жала (рис. 3).

У каждого своя правда

Хронологически первый и до настоящего времени развиваемый фирмой РАСЕ подход (Р)

состоит в размещении монолитного паяльного жала внутри медного сердечника с нихро-мовым проволочным нагревателем. В отличие от обычного паяльника в инструменте РАСЕ производится точный контроль температуры с помоцью сенсора и пропорциональная компенсация потерь тепла в ходе пайки. Проволочный нагреватель обладает значительной инерционностью, поэтому в целях

Рис. 1. Изменение температуры инструмента в ходе пайки

Піишмік ••• |»«С іаде

г,п IM-і

Рис. 2. Прочность паяного соединения как функция режима пайки

№) ПИ1ч'«'М« '•* Ч Щ Эпсшшми»*..

(Г»«.

I

гП7

to

■ • па4.-ъм*а ч •мі

и *ІЧЧ"М Kmn«q*M Ы Імітю

• t і

м

;

1

.

rtl >11? > «и ІІІ < Ь2 < Ю

конструкции паяльников с температурной

оперативной (в небольших пределах) термокомпенсации как паяльное жало, так и прилегающая к нему часть конструкции паяльника выполнены из меди и весьма массивны. Они представляют собой своеобразный «резервуар тепла», оперативно расходуемый при снижении температуры, пока нагреватель разогревается до необходимого уровня, компенсирующего это снижение. При отсутствии зазоров в крепеже паяльное жало имеет максимальную площадь теплового контакта с на* гревателем. что считается основным достоинством данного подхода наряду с рекордной ударостойкостью паяльника.

Второй подход (W) реализован в инструментах Weller серии Magnastat. Он основан на использовании эффекта Кюри в ферромагнитном сплаве, которым заполнена рабочая часть объема паяльного жала. При снижении температуры сплава ниже точки Кюри лавинообразно изменяется его магнитная проницаемость, и токи высокой частоты, проходящие через катушку, нагревают весь объем паяльного жала. Стабильность поддержания его температуры достаточно высока. хотя в данной локальной системе саморегулирования и не производится измерение температуры в привычном смысле. Каждое паяльное жало рассчитано только на одну, фиксированную рабочую температуру. Как следствие, при необходимости выполнения работ, требующих различные температуры, используется набор жал из ряда: 260 С. 310 С. 370 X. 425 X. «80 X. Электрон-ный блок такой паяльной станции не содержит никаких органов регулировки и отображения температуры, поэтому и цена ее на десяток долларов ниже, чем у ближайшей по классу.

Третий, самый новый подход (Е) типичен для паяльных станций ERSA. Он состоит в использовании трубчатых керамических нагревательных элементов ERSA. электрическое сопротивление которых обратно пропорционально температуре. Данное свойство керамических нагревателей ERSA используется весьма эффективно: во-первых, фор-гированная передача мощности на стадии

нагрева (рис. 4) приводит инструмент в рабочее состояние гораздо быстрее, чем при использовании проволочных нихромовых нагревателей (рис. 5). Во-вторых, облегчается пропаивание массивных соединений и многослойных плат на невысоких температурах. что является условием достижения высокого качества (см. выше).

Поддержание стабильной температуры в точке пайки (в идеале — независимо от массы и теплопроводности объекта) предполагает ее контроль как можно ближе к месту фактического контакта и быструю «подкачку» тепла при охлаждении жала. Каким спо собом реализованы эти условия в инструменте с керамическим нагревателем?

В технологии ЕЯБА 5Е№0Т110№С гермодатчик вводится вместе с нагревателем во внутреннюю полость паяльного жала. Область нагрева локализована на конечном отрезке керамического ни.'ренагеля: п результате жало разогревается равномерно не по всей длине, а лишь в рабочей области. Термодатчик расположен вблизи фактической точки пайки (рис. 3): размер (13 составляет единицы миллиметров. Это обеспечивает максимальную оперативность и точность контроля температуры с уникально малой погрешностью измерения — 1...2 С. Микропроцессорный вычислитель в электронном блоке паяльной станции ЕЯБА осуществляет регулирование температуры с учетом параметров подключаемых к нему инструментов различной мощности, а также динамики потребления тепла, зависящей от массы и теплопроводности объекта пайки. Другая, более экономичная, но не столь прецизионная технология ЕРБА КЕБШ^ОМС основана на определении температуры как функции электрического сопротивления керамического нагревателя.

Быстрая термокомпенсация обеспечивается двумя факторами. Во-первых, керамические нагревательные элементы способны форсированно передавать втрое большую мощность, чем нихромовые проволочные. Во-вторых, для ускорения теплопередачи в оконечной части новейших жал ERSA ис-

пользуется серебро. Локальная теплопередача и отсутствие массивных элементов в конструкции паяльника (Е) избавляет от побочного нагрева соседних объектов: тепловая энергия передается в точку пайки почти без потерь. При работе не покидает ощущение комфорта: паяльник необычайно легкий (вес без шнура — 25 г), а рукоятка его при работе совсем не греется (поскольку расстояние ЬЗ от рукоятки до области локального нагрева максимально — см. рис 3).

Стоит отметить, что по пути использования керамических нагревателей идут не только европейцы (ЕЯБА), но и японцы (Накко), а за ними следуют молодые тайваньские производители. Впрочем, тайваньские «керамические» нагреватели по электрическим характеристикам пока еще далеки от лидеров — они почти не отличаются от тайваньских нихромовых нагревателей предыдущего поколения, несмотря на качественно иной внешний вид.

Паяльное жало как фактор успеха

Отдельного упоминания достойны паяльные жала. Для продления срока службы «фирменные» жала имеют многослойную структуру. внешние слои которой отвечают за долговечность, а внутренние — за высокую теплопроводность. Основную часть жала составляет чистая гальваническая медь. Она покрыта слоем железа для продления срока службы жала. Над слоем железа располагается антикоррозийный слой никеля и несмачиваемый припоем слой хрома. Рабочая (то есть смачиваемая припоем) оконечная часть жала залужена в заводских условиях. Очевидно, многослойные жала ни в коем случае нельзя формовать и «восстанавливать» напильником: при прогорании они не подлежат дальнейшему использованию. В зависимости от интенсивности работ и температурного режима большинство таких жал служит от нескольких месяцев до нескольких лет.

Приспособлением для очистки жал в процессе пайки является влажная губка иэ вискозы. Кстати, при выключении паяльника не следует очищать жало до следующего сеанса работы: это предохранит его от окисления в охлажденном состоянии и позволит эксплуатировать дольше. Рекомендуется очищать жало перед выполнением каждой операции пайки, не дожидаясь видимого скопления золы флюса на нем. В этом случае доставляемый в место пайки припой будет свежим, без окислов и интерметаллидов, образовавшихся в ходе пайки предыдущей серии соединений

>и во время нахождения разогретого паяль-іка на подставке.

Для повышения производительности па-іьно-ремонтньїх работ важное значение <«еет способ замены паяльных жал и время, юбходимое для последующего разогрева «струмента до рабочей температуры. Про-ісс смены жала занимает единицы секунд і любом паяльнике (Р, W, Е). но только кера-іческий нагреватель ERSA способен разорвать жало до рабочей температуры за J...20 секунд.

К числу самых новых и эффективных от-)сятся жала типа «микроволна» (в терми-IX ERSA) или «мини-волнаг* (в терминах iCE). Жала этой серии различаются по ди-•етру рабочей части и типу крепления, но іентичньі по принципу действия. Он ана-ігичен машинной пайке волной, а именно: >и «омыванин» мест пайки избыточным їличеством припоя, под действием сил по-, ірхностного натяжения на выводах ком-інентов и контактных площадках осажда-ся его ровно столько, сколько необходи-) и достаточно для каждого соединения. )и ручной пайке микросхем с малым ша-м выводов процедура включает три этапа ІИС. 6).

Действуя антистатическим ручным ваку-жым манипулятором (например, VAC-!п), микросхему устанавливают на пред-ірительно очищенные и залуженные помощью того же жала «микроволна») жтактные площадки. Для закрепления икросхемы можнсг припаять два диаго-ільно противоположных вывода тонким їпом. Затем приступают к групповой пай-

• «микроволной» каждой из четырех ли-*ек выводов корпуса. Пайка займет всего іру минут — гораздо меньше, чем предва-гтельная подготовка. Линейку выводов мросхемы флюсуют, используя гель-тос или крем-флюс. не требующий отсеки (F-SW32 DIN8511). Углубление на інце жала «микроволна» заполняют при->ем с еле заметной горкой, а затем не-іешно (так, чтобы на каждый вывод в лирике приходилось около полутора секунд) почти без нажима перемещают жало пер-індикулярно выводам микросхемы от наша линейки и до конца. Оптимальная тем-іратура пайки при использовании различ-IX модификаций жала «микроволна» — 235 "С (жало TechWell) до 285 X (жало icroWell). однако принципиальное значе-ч имеет здесь не столько точность уста-івки температуры, сколько ее стабиль-юь при перемещении жала от начала до •нца каждой линейки выводов (вот где азывается отличие высококачественного іструмента от «обычного» паяльника!). Качество пайки можно оценить виэуаль-t и на слух, проводя тонким пинцетом по іиейке припаянных выводов и вслушива-ь в издаваемый звук. Схожая техника ис-«ьзуется для пайки микросхем в корпусе £С ножевидным жалом (с боковой рабо-:й поверхностью) при температуре 250 С.

» всех случаях нет необходимости в су-•рдорогостоящих расходных материа-

лах — мелкозернистой паяльной пасте (обязательной при пайке горячим воздухом) или трубчатом флюсосодержащем припое диаметром 0,35 мм (используемом при пайке «вывод-за-вы-водом» паяльником с тонким коническим жалом). Для пайки жалом «микроволна» годится недорогой, но качественный припой — например миллиметровый 5п63РЬ37 (ОІН1707). а при особых требованиях к качеству — 5ііб2РЬ-36Ад2. Применение паяльника с жалом типа «микроволна» при пайке микросхем с малым шагом позволяет получить хороший результат за считанные минуты, не требуя ни дозатора паяльной пасты, ни термофена, ни увеличительных линз с подсветкой. Кстати, жало «микроволна» удобно использовать еще и при устранении меж-контактных перемычек: излишки припоя легко втягиваются в углубление на конце жала.

Игра стоит свеч

Резонен вопрос: не слишком ли доргой ценой обходится замена обычного паяльника на паяльную станцию в погоне за «мифическим» качеством?

Ответ зависит от того, насколько технологически

по сравнению с раздельной пайкой выводов: суммы затрат на припой уменьшаются в десять раз; расход паяльных жал снижается в четыре раза — и все это при высоком

Рис. 4. Мощность паяльника с керамическим нагревателем -величина переменная

Рис. 5. Скорость выхода паяльников различного типа на рабочий рс-ж».«

Устяиомп микросхемы к» ruin у

Оп*х ос одержані* трубчїіьій припой

Жато ‘ммфоюгкл* с еыемиом М!» «омцг

1Ъэм.*11*««рОв1»инв« ишросхемв

Нвг*х>»пе»«че переметни л ппвпыют «ял»

Рис. 6. Быстрая пайка корпусов ОРР с малым шагом при помощи жала «микроволна»

сложные и дорогостоящие изделия вы производите (или ремонтируете) и как важна при этом производительность труда. Достаточно одного примера, чтобы ощутить масштабы экономии ресурсов и увеличения производительности труда на предприятии. При пайке микросхем и корпусе PQFP-208 шагом выводов 0,5 мм применение паяльной станции ERSA с жалом «микроволна» ускоряет выполнение работ н двадцать раз

качестве пайки. С карандашом е руке нетрудно оценить сроки окупаемости паяльной станции по цене около 5 250: на Западе оно составляет в среднем полторы недели. 8 России с учетом низкой оплаты труда радиомонтажника срок окупаемости может растянуться до нескольких месяцев — но и это неплохо! Таким образом, приобретение дорогостоящего инструмента становится выгодным для предприятия решением.