Паяльная станция

Паяльная станция – это приспособление, упрощающее процесс проведения пайки. А направление движения целиком определяется условиями. Чем точнее выдерживаются условия пайки, тем качественнее получается шов, но потребуется дополнительное оборудование.

Из истории пайки и металлургии

Известны сведения, что пайка применялась в Месопотамии уже 5000 лет назад. Избранные шумерские мечи за 3000 лет до Рождества Христова собирались указанным методом. Неправильный процесс пайки приводит к печальным последствиям. Экспедиция Скотта к Южному полюсу погибла из-за того, что ёмкости, паяные оловом, растеряли запас горючего. Небольшие знания в области металлургии сумели бы коренным образом изменить ход истории. Ведь Скотт достиг полюса первым и уже возвращался назад… Поэтому важен научный подход.

В США зарегистрировано общество сварщиков. Это официальная организация, которая занимается специфическими вопросами соединения металлов. Любой желающий вправе проверить на aws.org. Американское общество сварщиков стало некоммерческой организацией, основанной в 1919 году с целью изучения и описания процессов сварки и пайки. Издания упомянутого социума полны наукоёмких определений.

Логотип Американского общества сварщиков

Логотип Американского общества сварщиков

AWS охватывает свыше 73.000 человек и состоит из 22 отделов, делящихся на 250 секций, раскиданных по миру. Благодаря этой организации, знания, касающиеся сварки и пайки, постоянно систематизируются и поддерживаются в свежести. Первые трудности американское государство стало испытывать в период I мировой войны, когда скорость создания боевой техники сильно пострадала из-за отсутствия стандартов. Президент Вудроу Вилсон обратился за помощью к профессору Комфорту Адамсу для создания специального комитета, способного заняться вопросом.

28 марта 1919 года родилось AWS. Уже за первый год существования организация выросла до 217 участников, обзавелась собственными публикациями и штаб-квартирой. В первые годы общество жило за счёт сборов в пользу собственного журнала. Сегодня общество занимается обучением профессионалов мира, продолжает научные публикации, ведёт аккредитацию специалистов.

Процесс пайки: припой, флюс, технологические режимы

Не каждый сразу понимает, зачем нужна паяльная станция. Для большинства это просто удобная подставка. Мы утверждаем, что технологический режим часто определяет успех или неудачу мероприятия. Пайкой принято называть процесс соединения двух металлов при помощи припоев без плавления. В процессе активно участвует флюс, в задачи которого входит удаление оксидной плёнки, улучшение свойств смачиваемости и прочие. К припою предъявляется ряд условий:

  1. От припоя зависит прочность будущего соединения.
  2. Сплав, использующийся в этом качестве, обязан хорошо смачивать соединяемый металл.
  3. В местах контакта неизбежно образуется диффузия, процесс не должен снижать прочности.

Если говорить подробно, характеристики припоя удобно отображать в виде температурных диаграмм, наподобие тех, что иллюстрируют состояния стали. Оказывается, у смеси двух металлов вне зависимости от процентного состава композиции одинаковая точка отвердевания. Но окончательное плавление происходит при разной температуре. К примеру, при смешивании серебра и меди образуется сплав с соотношением компонентов 72:28, причём точка плавления (ликвидус) максимально приближена к кристаллизации (солидус). Этим обеспечивается гомогенность припоя при работе. В противном случае подвижные его фракции при относительно низких температурах отделяются.

Процесс пайки

Процесс пайки

Все это приводит к возникновению неоднородности, что затрудняет процесс пайки. Припой, для которого ликвидус и солидус различаются слишком сильно, рекомендуется заранее прогревать чуть сильнее необходимого уровня. Много трудностей ждёт человека, неправильно выдерживающего технологию. Список явлений, влияющих на процесс пайки и снижающих качество:

  • Водородная хрупкость присуща сталям, меди и серебру. Суть явления — окислы металлов восстанавливаются атомами водорода, легко проникающими в кристаллическую решётку. Получившаяся вода внутри создаёт гигантское давление, разрушающее металлы в области шва. Сложнее прочего приходится с медью, а сталь можно на время предварительно выдержать при температуре до 100 градусов Цельсия, чтобы избавиться от водорода.
  • В сталях (и прочих сплавах), содержащих хром, при пайке идёт активное образование карбида металла. В результате коррозийная стойкость шва резко снижается. Карбид обнаруживает тенденцию откладываться в некоторых частях кристаллической решётки. Процесс возможно выправить нагревом до 1000 – 1130 градусов, что заставит соединение вновь раствориться, но для большинства паяных швов подобный подход недопустим. Вместо этого применяется нагрев лишь до 870 градусов с последующим охлаждением в печи до 540 градусов.
  • В ходе термических нагрузок при пайке часто замечается растрескивание металла. Чтобы избежать этого, вместо закалки часто применяют отжиг. Стараются сборные соединения выполнить без механического напряжения в точках шва. Нагрев производится постепенно. Обратная сторона монеты – массивные детали доводят до кондиции по возможности быстро. В этом случае нагрев при пайке не успевает захватить весь объем, что значительно снижает напряжение. Ключом становится правильная технология. Играет роль правильный выбор припоя.

    Сплав для работы

    Сплав для работы

  • Никель при нагреве в присутствии серы растрескивается. Это вызвано образованием легкоплавких сульфидов, откладывающихся по границам зёрен кристаллической решётки. Такой металл восстановлению не подлежит. Задача решается добавлением в сплав хрома и тщательной очистки среды от любых примесей веществ с серой в составе (нефть, краска, смазка и пр.). По схожей причине для пайки железа и никеля не используются соединения с фосфорным компонентом.

Задача паяльной станции

Важно правильным образом выдержать режим. Особенно сказанное касается температуры. Если брать микросхемы BGA (поверхностный массив шариков), паяльник в этом случае бессилен. Вместо этого подложка предварительно прогревается феном до нужной температуры, потом чип ставится на место. Технология основана на том, что нижняя контактная часть поверх многочисленных ножек содержит небольшие шарики припоя. Они формируются из специальных заготовок с использованием металлических шаблонов.

Для поддержания нужной температуры используется паяльная станция. Важно поверхность после процедуры спиртом очистить от флюса. Чтобы в дальнейшем избежать коррозии. Потому нередко паяльные станции содержат наряду с традиционным жалом подобие строительного фена. Причём устройство регулируется для подстройки температуры.

Обычно используется раскалённый воздух, удаётся найти в продаже модели, работающие за счёт инфракрасного излучения или явления индукции (как новейшие кухонные плиты). Паяльная станция позволяет полностью контролировать процесс. Если это рабочее место для монтажа SMD-чипов, подложка предварительно прогревается до 150 градусов Цельсия, порой бывает и горячее. Так, что компоненты гибридной схемы снимают при помощи пинцета. Температура специально подбирается такой, чтобы ударно действовать на припой, но не вызывать порчу чуткой электронной начинки.

Домашняя станция для пайки

Домашняя станция для пайки

Параметры и особенности паяльных станций

Назначение

Паяльная станция предназначена для разных целей. Для микросхем BGA (ножки скрыты под корпусом чипа) применяется бесконтактный метод (фен), им в некоторых случаях возможно пользоваться и в отношении SMD (боковое расположение ножек). Нужно чётко представлять, что получится в конечном итоге, ведь расходные материалы применяются разные. Для мелких микросхем в комплекте неплохо иметь специальные ухваты (чаще называют вакуумными пинцетами либо присосками), а выравнивание в небольших пределах производится обычными стальными пинцетами.

Иногда указанная оснастка идёт в комплекте паяльной станции, несложно присмотреть в магазине, к примеру, на Алиэкспресс. Если речь идёт о бесконтактной пайке, выглядит разумным отыскать в продаже оборудование со специальным куполом для предварительного подогрева платы. Можно на Ютуб лицезреть видео, где неопытный мастер терпит неудачу в процессе демонтажа SMD чипа по простой причине, что поверхность кристалла велика, а ножки расположены на большом протяжении. Требуется нагреть всю конструкцию до температуры 210 — 350 градусов (в зависимости от марки припоя). Тут же выложен ролик, где другой профи удаляет начинку платы обычным пинцетом, предварительно прогрев все на куполе. Выводы делайте самостоятельно.

Температура

Косвенно максимальная температура воздуха (или жала) зависит от потребляемой мощности. В продаже найдутся паяльные станции, греющиеся до 425 градусов Цельсия. Этого хватит, чтобы работать с легкоплавкими припоями (до 450 градусов Цельсия). Если потребуется применить медно-цинковый сплав, в таких условиях не получится. Зато удастся без труда орудовать оловянно-свинцовыми или серебряными припоями. Если обратить взор на строительный рынок, легко найти фен с температурой струи 800 и даже 900 градусов Цельсия. Это позволит легко растопить медно-цинковый припой, но контроль над процессом нагрева окажется не столь точным.

Настройка температуры для работы

Настройка температуры для работы

В отдельных условиях это не слишком важно, а иногда – наоборот – критично. Увеличение массовой доли цинка снижает температуру плавления, возрастает и хрупкость. Контроль нагрева выполняется через потенциометрические регуляторы (вращающиеся ручки). На хорошей паяльной станции имеется небольшой дисплей, где температура отображается в цифрах. Это удобно, настроить режим с точностью до долей процента возможно только в этом случае. От мощности зависит косвенно максимальная температура, это влияет и на скорость выхода на режим. Паяльную станцию нельзя назвать главным потребителем. Редко мощность прибора превышает 100 Вт (эквивалентно системному блоку персонального компьютера).

Комплектация

При работе контактным методом потрудитесь приобрести губку для очистки паяльного жала. Это негорючая ветошь полимерного происхождения, помогающая держать инструмент в чистоте. Жало в тяжёлых случаях очищается напильником или надфилем, применяется и флюс, снимающий оксидную плёнку и остатки припоя. Поверхность делается практически зеркальной для пайки микроэлектроники. На Ютуб посоветуют иметь для горячей зачистки контактных площадок платы медной оплётки высокой гибкости, служащей абразивом.

Без элементарного оборудования провести операцию реболлинга не удастся. К общим приспособлениям относят:

  1. Флюс для очистки контактных поверхностей.
  2. Металлические маски по форме контактных площадок микросхемы.
  3. Набор шариков из припоя по размерам отверстий шаблона.

Профессиональные мастера иной раз обходятся без увеличительного стекла, но новичку спаять микросхему со стороной 2 мм сложно в отсутствие специальных приспособлений.