CC BY
84Компоненты и технологии, № 8'2004
Разогрев и охлаждение
паяльного инструмента при пайке
В статье рассмотрены вопросы влияния мощности и теплоемкости паяльного инструмента, включая паяльные станции, на величину снижения его температуры и нагрев электрорадиоизделий при пайке.
Василий Штенников
Shtennikov@mail.ru
Несмотря на широкое использование технологии контактной пайки [1-19], в ряде отраслей промышленности, таких, как приборостроение, микроэлектроника, электротехника и машиностроение, вопросы теплопередачи, сопровождающие применение нагретого инструмента (паяльник, паяльная станция, автоматическое оборудование), до сих пор недостаточно изучены.
Во-первых, исследуемая проблема находится на стыке перечисленных отраслей.
Во-вторых, исследователями из области машиностроения был накоплен большой опыт конструкционной пайки относительно крупных деталей, для которых время нагрева, охлаждения и выдержки соединяемых элементов составляло минуты и часы [2, 5, 8, 9]. Перенос полученных знаний в область приборостроения, например, для пайки электрорадиоизделий на печатные платы, с точки зрения материаловедения правомерен, но с позиции теплообмена не всегда применим, так как время пайки обычно составляет 1-3 с.
В-третьих, относительно недавно с развитием микроэлектронной аппаратуры, включая поверхностный монтаж, содержащий термочувствительные компоненты, остро встал вопрос об обеспечении предельно узкого интервала температуры пайки [8-16].
Четвертая причина, по которой рассматриваемый вопрос недостаточно изучен, — это необходимость решения сложной трехмерной задачи нестационарного теплообмена воздуха с паяльником, содержащим, как минимум, нагреватель, электроизолятор, стержень и припой, и с паяным соединением, включающим, например, металлизированное отверстие, вывод и корпус электрорадиоэлемента, диэлектрик печатной платы [18-23]. Даже при современном развитии вычислительной техники решение такой проблемы без существенных упрощений и допущений связано с большими временными затратами. Кроме того, такой расчет не гарантирует выявления основных практически применимых закономерностей, имеющих место при пайке нагретым инструментом, и, следовательно, является малопривлекательным.
В силу относительно большой трудоемкости решения трехмерной задачи нестационарного теплообмена сложного объекта, каким является паяльный инструмент с соединяемыми деталями, нами было
принято решение о расчленении проблемы на более мелкие подпроблемы. Такой метод позволил свести решение упомянутой сложной проблемы к рассмотрению простых одномерных задач. Оптимально выбранные тепловые модели изучаемых явлений позволили получить простые аналитические решения, которые в отличие от численных решений позволяют выявить общие закономерности процессов.
Из всех требований, предъявляемых к паяльному инструменту (легкость, удобство в работе и ремонте, экономичность в эксплуатации, долговечность, эстетика внешнего вида и т. д.), особо важное место занимает требование по обеспечению заданного режима пайки [1-16, 26-29]. В настоящее время в литературе имеются только общие соображения о том, что «...мощность паяльника и его теплоемкость должны соответствовать среднему теплопо-глощению при многократной пайке. Если это соответствие нарушено, то число последовательно выполняемых соединений приходится ограничивать, чтобы не выйти за нижнюю границу тепловой зоны имеющегося паяльника и обеспечить заданную стабильность качества пайки» [1-9].
Таким образом, анализ нестационарных процессов в паяльном инструменте является актуальнейшей задачей в плане повышения качества пайки и надежности приборов. Однако строгое решение таких задач для паяльного оборудования является чрезвычайно сложной проблемой [17-23, 30].
Для создания паяльного инструмента с улучшенными тепловыми характеристиками необходимо знать их зависимость от конструктивных параметров. Однако в настоящее время в отечественной и зарубежной литературе, кроме описания результатов некоторых наблюдений и общих бездоказательных рекомендаций [4, 6-8], подобная информация отсутствует. Так, например, распространено мнение о том, что из всех теплофизических характеристик материала стержня паяльника влияние на снижение температуры его паяющего конца при одиночной пайке оказывает только теплопроводность [4-5]. При этом только один автор [1] указывает на необходимость использования материала с возможно большей объемной теплоемкостью и приводит характеристики некоторых металлов и паяльных стержней ряда фирм. Кроме этого, считается обязательным для снижения температуры паяющего конца стержня паяль-
Компоненты и технологии, № 8'2004
ника использовать паяльник с большой мощностью и теплоемкостью [1, 3-6, 8].
Следует учитывать, что математическая сложность теории не является гарантией строгости и безусловной ее применимости. Более того, излишняя сложность отвлекает внимание от исходных предпосылок, существа явления, усложняет расчеты и анализ полученных решений. По этой причине в статье получены расчетные формулы на основе допущений, схематизирующих процесс и дающих результаты, удовлетворительно приближающиеся к действительности:
• температура паяльника 1 (°С) по всему объему, в том числе на поверхности, одинакова;
• коэффициент теплообмена а' (Вт/°С/см2) между поверхностью паяльника и окружающей средой постоянен;
• температура окружающего воздуха (°С) постоянна.
Отсчет температуры ведется от температуры окружающего воздуха (указаны избыточные температуры).
Радикально упростив решение задачи нестационарного теплообмена сложного объекта, модель позволяет достаточно корректно описать процесс разогрева паяльного инструмента до температуры холостого хода (кривая 1 на рис. 1), охлаждения в процессе многократной пайки (кривая 2), последующего разогрева (кривая 3), охлаждения после отключения (кривая 4):
где
° а'х £
(1)
(2)
(3)
уст "хх р
0,631
0 20 т/то
Рис. 1. Изменение температуры паяльного инструмента без терморегулятора при пайке:
1 — после включения;
2 — в режиме выполнения серии паяных соединений;
3 — после окончания многократной пайки;
4 — после отключения
^по~ ^уст е їуст
Іпр = уст (1 — е Х^°) Ц
уст
(5)
(6)
где Аі,
уст
і — і
уст
При Р = Рі получим уравнение, описывающее процесс охлаждения выключенного паяльника:
*.х е
-т/т„
(5)
^ — температура (°С) установившегося режима (холостого хода), при котором пайка не производится, а количество тепла, выделяемого обмоткой нагревателя паяльного инструмента и рассеянного в атмосферу, равны; а' — коэффициент теплообмена (Вт/(°Схсм2) между поверхностью паяльного инструмента и окружающей средой; т — время (с);
Сп — теплоемкость нагретой части паяльного инструмента (Дж/°С);
т = тп
т = 2тп
т = 3тп
і = 0,63іх і = 0,86іх
і = 0,95іх
площадь поверхности нагретой части
паяльного инструмента (см2); т0 — постоянная времени разогрева (охлаждения) паяльного инструмента (с).
Формулы (1-3) характеризуют так называемый регулярный режим. Регулярный режим наступает для любых систем из разнородных тел. Понятие регулярного режима применимо к телам с внутренними источниками тепла постоянной активности [20].
Предложенная модель правильно указывает способ уменьшения охлаждения при пайке посредством уменьшения теплопоглоще-ния по отношению к мощности паяльного инструмента:
Р-Р,
(4)
4. При одинаковой ^ для уменьшения снижения температуры паяльника без терморегулятора Аіуст во время многократной пайки необходимо применять паяльный инструмент большей мощности (больших размеров), так как из (2) и (4) следует:
Аі,
уст
XXX х Рі/Р = Рі/(а' х Б„) (9)
где ^ст — температура паяльного инструмента при установившемся режиме пайки.
Модель также может быть использована для описания процесса изменения температуры паяльного инструмента при многократной пайке ^о (5) и последующем разогреве после ее окончания (6):
5. Для замедления процесса снижения температуры паяльного инструмента без терморегулятора во время многократной пайки необходимо увеличивать его теплоемкость (3). Однако при этом увеличится и время разогрева паяльника, так как постоянная времени разогрева равна постоянной времени охлаждения.
6. Для предотвращения снижения температуры паяльной станции с терморегулятором необходимо, чтобы она обладала запасом мощности АР, достаточным для компенсации ее дополнительного отвода Р1 в процессе многократной пайки (4). Потребляемая мощность электропаяльника определяется по формуле:
Р = и2/Е
(10)
Следствия описанной модели нестационарного теплообмена паяльника:
1. Температура паяльника без терморегулятора в долях от ^ в режиме нагрева согласно (1) составляет следующие значения за различные промежутки времени:
Таким образом, готовность паяльника без
терморегулятора к работе практически достигается за время, равное 3т0.
2. Сопоставляя уравнения (1-8), можно заметить, что постоянные времени совпадают для следующих режимов:
• разогрева паяльника до іхх после включения;
• охлаждения паяльника до іуст в процессе многократной пайки;
• разогрева от іуст до іхх после многократной пайки;
• охлаждения паяльника после отключения.
3. Мощность паяльника без терморегулятора при одинаковой і^ пропорциональна площади его поверхности (размерам), так как из (2):
Р = іхх х а' х Бп (8)
где и — напряжение питания (В); К — сопротивление нагревателя (Ом).
Таким образом, мощность данного паяльника может меняться от 0 до Р при изменении напряжения питания от 0 до и. Поэтому для сравнения паяльников некоторые авторы мощность определяют при постоянном для всех паяльников напряжении питания [1]. Однако при таком подходе паяльник, рассчитанный на низкое напряжение питания (с малым сопротивлением), придется признать мощным, а рассчитанный на высокое напряжение питания (с высоким сопротивлением) — маломощным из-за приведения к одному и тому же напряжению питания. Поэтому для сравнения паяльников мощность необходимо определять при постоянной для всех іхх, являющейся одной из основных характеристик паяльника. Именно такой подход в определении мощности паяльника использован в настоящей работе.
При одинаковой для всех паяльных инструментов іхх их мощность определяется тепло-потерями в атмосферу [17], которые зависят от площади его поверхности, температуры этой поверхности и коэффициента теплообмена (2). Таким образом, получить зависимость снижения температуры, например, паяющего конца стержня паяльника, от мощности при постоянной температуре холостого хода іхх, можно только меняя размеры Бп.
В настоящее время в технических условиях на полупроводниковые приборы, как правило, содержится требование по ограничению мощности паяльника. В связи с этим встает вопрос о влиянии мощности паяльника, его теплоемкости и конструктивных параметров на нагрев полупроводниковых приборов при пайке.
Для определения влияния конструктивных параметров паяльника на температуру пайки
и, следовательно, нагрев электрорадиоизделий, был проведен эксперимент с различны 213
Компоненты и технологии, № 8'2004
10 "I
и
4-
4
—e-
-e—*——6-
1 2 3 4 5 6 7
1_пР, Вт
Рис. 2. Зависимость снижения температуры паяющего конца стержня от логарифма мощности паяльного инструмента или оборудования. і„ — температура пайки.
Цифры — диаметр паяльного стержня.
Мощность оборудования в 1000 Вт (натуральный логарифм около 7) соответствует ванне с расплавленным припоем, в который погружен паяльный стержень
ми по мощности и теплоемкости паяльниками в комплекте со сменными стержнями по определению снижения его температуры после одиночной и многократной пайки.
Измерение температуры стержней исследуемых паяльников производилось с помощью зачеканенных в них хромель-копеле-вых термопар диаметром 0,2 мм, записываемых потенциометром КСП-4 класса точности 0,25 [26-30]. Рабочий спай термопары размещали на расстоянии не более
0,5 мм от паяющего торца стержня. Холодные спаи термопар помещались в тающий лед, температура которого контролировалась образцовым ртутным термометром. Методология и планирование эксперимента, а также обработка результатов измерений проводились по методикам [24-25].
Результаты эксперимента по определению зависимости снижения температуры паяющего конца стержня от мощности паяльного инструмента (с терморегулятором и без него) при одинаковой исходной температуре X приведены на рис. 2.
Из рис. 2 следует, что температура пайки паяльного инструмента не зависит от его мощности при неизменной исходной температуре холостого хода, диаметре и длине паяльного стержня.
Выводы
1. Предложена тепловая модель паяльника, позволяющая, радикально упростив решение задачи нестационарного теплообмена сложного объекта, достаточно корректно описать процессы разогрева паяльного инструмента до температуры холостого хода, охлаждения после многократной пайки, последующего разогрева, охлаждения после отключения.
2. Экспериментально установлено отсутствие влияния на температуру пайки, а следовательно, и нагрев ЭРИ, мощности и теплоемкости всего паяльника, а также длины его паяющего стержня, если он длиннее 2,5 см, при времени пайки менее 2,5 с.
3. Предложенная тепловая модель паяльника, предполагающая одинаковую температуру всей его поверхности, не предназначена для описания процесса снижения температуры рабочего (паяющего) конца стержня. Соответствующие модели и решения рассмотрены в других работах. В частности, в них определено влияние диаметра, длины и материала стержня на изменение температуры его рабочего (паяющего) конца во время и после окончания пайки. МММ
Литература
1. Манко Г. Пайка и припои. М.: «Машиностроение». 1968.
2. Справочник металлиста / Под ред. Н. С. Ачеркана. Том I. М.: «Машиностроение». 1965.
3. А. В. Кривошей, А. Н. Бельцев. Пайка и сварка в производстве радиоэлектронной аппаратуры. М.: «Энергия». 1974.
4. Г. К. Мартынов. Надежность электрических соединений, выполненных пайкой легкоплавкими припоями. М.: Изд. комитета стандартов мер и измерительных приборов при совете Министров СССР. 1968.
5. К. Р. Лашко, С. В. Лашко. Пайка металлов. М.: «Машиностроение». 1968.
6. Ф. П. Буздницкий, Д. Э. Вербицкий. Выбор паяльника при монтаже печатных плат. М.: «Обмен опытом в радиопромышленности». Вып. 7. 1978.
7. Келлер. Рациональный выбор паяльника. М.: «Электроника». № 7. 1961.
8. С. Н. Лоцманов, И. Е. Петрунин. Пайка металлов. М.: «Машиностроение». 1966.
9. С. В. Лашко, Н. Ф. Лашко. Пайка металлов. 4-е изд. М.: Машиностроение. 1988.
10. А. Сигаев, Ю. Горбачев. Новое поколение паяльных станций // Компоненты и технологии. № 3. 2001.
11. В. Тихонов. Дороги, которые мы выбираем // Компоненты и технологии. № 3. 2001.
12. А. Любимцев. Термовоздушные и ремонтные станции HAKKO Corporation // Компоненты и технологии. № 9. 2003.
13. Д. Колесов. Больше чем просто паяльник // Компоненты и технологии. № 7. 2002.
14. А. Любимцев. Паяльные станции HAKKO Corporation // Компоненты и технологии. № 7. 2003.
15. А. Любимцев. HAKKO — паяльная техника, опережающая время // Компоненты и технологии. № 6. 2003.
16. Д. Колесов. Паяльники с индукционным нагревом: смена поколений // Компоненты и технологии. № 6. 2003.
17. В. М. Кейн. Конструирование терморегуляторов. М.: «Советское радио». 1971.
18. В. М. Попов. К вопросу исследования термического контактного сопротивления // М.: Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, № 3. 1976.
19. Ю. П. Шлыков, Е. А. Ганин, С. Н. Царев-ский. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия. 1977.
20. М. А. Михеев, И. М. Михеева. Основы теплопередачи. М.: Энергия. 1977.
21. В. С. Жуковский. Основы теории теплопередачи. Л.: Энергия. 1969.
22. А. В. Лыков. Тепломассобмен. Справочник. М.: Энергия. 1978.
23. С. С. Кутателадзе. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1990.
24. В. А. Соловьев, В. Е. Яхонтова. Элементарные методы обработки результатов измерений: Учебное пособие Л.: ЛГУ им. А. А. Жданова. 1977.
25. В. Г. Байдаков, В. П. Скрипов, А. М. Каверин, В. Н. Штенников. Ультразвуковые измерения в перегретом жидком ксеноне. Теплофизические свойства перегретых жидкостей. Труды Отдела физико-технических проблем энергетики УНЦ АН СССР. 1978.
26. В. Н. Штенников. Материал для жал паяльных станций // Компоненты и технологии. № 6. 2004.
27. В. Н. Штенников. Теплопоглощение при пайке приборов автоматики // Компоненты и технологии. № 7. 2004.
28. В. Н. Штенников, В. Г. Байдаков. Наука и производство. Повышение качества приборов автоматики // Компоненты и технологии. № 6. 2004.
29. В. Н. Штенников, В. Г. Байдаков. Повышение надежности приборов и производительности оборудования для контактной пайки // Компоненты и технологии. № 7. 2004.
30. А. И. Пехович, В. М. Жидких. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: «Энергия». 1976.
-Q-
