В прошлой статье мы затронули такую интересную тему производства печатных плат, как создание паяльных масок, с применением шелкографии (строго говоря этот метод годится не только для создания паяльных масок, но и для нанесения номиналов на лице��ую часть платы, а также мест монтажа компонентов).
Но быстрое изготовление печатных плат немыслимо также и без применения быстрых технологий пайки, где в связи с этим, попробуем разобраться, а какие технологии подобной пайки существуют…
Здесь и далее будут рассматриваться исключительно технологии пайки сквозного монтажа, не затрагивая smd-монтаж.
Думаю, что многие, кто имеет некоторый опыт в области электронных компонентов, микроконтроллеров, программирования и всего вокруг этого, неоднократно задумывался о том, что ведь эти знания вполне себе можно монетизировать!
Фактически же речь идёт о том, что практически любая область человеческой деятельности, куда не ткни пальцем — является не охваченной, с точки зрения микроэлектроники, да и автоматизации в целом.
Под этим я подразумеваю не то, что в любой рассматриваемой области отсутствуют электронные компоненты или некая автоматизация, а то, что в любой области потенциально могут быть применены множество идей, которые, надо думать, у любого технаря, имеются в избытке! ;-)
Практически любая электроника, в своём составе содержит печатные платы, что при своём изготовлении, так или иначе, подразумевает множество вполне стандартных этапов: трассировку, изготовление дорожек, сверление (если подразумевается сквозной монтаж), вырезание плат и ряд других этапов, среди которых, особняком стоит пайка — так как, собственно, от неё в значительную степени и зависит, насколько надёжной будет печатная плата, насколько хорошо электрически соединены между собой будут компоненты.
Таким образом, если все остальные этапы в той или иной степени варьируемы, то с пайкой схалтурить не получится :-) — всё-таки, это может быть чревато…Поэтому, имеет смысл изучить (если вообще к этому вопросу есть интерес, и вы планируете своё небольшое производство (хотя бы мелкое, домашнее)) — промышленные технологии этого процесса, которые позволят осуществлять его не только быстро, но и качественно.
Среди всех современных способов скоростной пайки, можно в качестве самого первого, наверное, назвать погружной способ пайки.
Пайка погружением
Способ этот считается самым простым и наиболее доступным для широких слоёв производителей/энтузиастов. В частности, именно поэтому, считается, что такой способ наиболее распространён в развивающихся странах, из-за своей доступности — ведь, по сути, для него нужна всего лишь ванна с расплавленным припоем!
С утверждением о доступности технологии трудно не согласиться, так как беглый обзор показывает, что минимальные версии паяльных ванн — по цене не дотягивают даже до 1300 руб (по крайней мере, на данный момент, во время анализа этого вопроса):
Но на самом деле, это только на словах так просто, так как процесс на самом деле содержит целый ряд нюансов, без учёта которых ничего не получится — и об этом ещё будет подробнее ниже, но сначала, давайте посмотрим в целом, что представляет собой процесс…
В общем виде, его можно охарактеризовать как способ мелкосерийного производства изделий, достаточно недорогой, и, как было уже выше сказано — в виду и чего доступный многим.
Способ пайки в рамках процесса «пайки погружением» представляет собой (как не трудно догадаться из названия) кратковременное погружение печатной платы в расплавленной припой, температура которого автоматически поддерживается паяльной ванной, на уровне температуры, достаточном, для расплавления припоя.
Так как процесс длится достаточно малое время (примерно до 10 сек и меньше), то такой кратковременный контакт печатной платы и расплавленного металла не оказывает существенного вреда материалу платы.
На первом этапе, выводы платы, которые будут подвергнуты дальнейшей пайке, обрабатываются флюсом — на практике, это выглядит таким образом, что плата окунается всей нижней поверхностью в ванну с жидким флюсом, — в результате чего, вся нижняя поверхность платы покрывается им (в том числе, и выводы для пайки).
И тут, интересный момент: в зависимости от типа флюса (насколько удалось понять) — может отличаться и технология далее!
Если кто-то сможет сказать по этому вопросу больше, буду благодарен! Думаю, что и не только я, так как полагаю, что читателям тоже будет очень интересно…;-)
На втором этапе, происходит окунание печатной платы в припой, где при этом, как уже выше было сказано, в зависимости от типа использованного флюса, возможны два варианта (поправьте или дополните если ошибаюсь):
Без предварительного подогрева платы: на самом деле, один из довольно плохих вариантов, по двум причинам:
Требуется агрессивный, активный флюс (как правило, кислотный), который за сжатое время подготавливает плату к пайке, удаляя окислы с паяемых элементов, даже в условиях неоптимального темпера��урного режима.
Следствием этого является необходимость тщательной очистки платы, после пайки, так как возможно корродирование.
Также, по ряду оценок, такой способ даёт меньшую прочность пайки, чем с подогревом платы.
С предварительным подогревом платы: под этим подразумевается, что до окунания в припой, плата, с уже нанесённым флюсом, подогревается любым доступным способом — например (в случае более профессионального подхода) с помощью удержания её, некоторое время, над специальным инфракрасным подогревателем.
Впрочем, можно использовать и более простой подход — удерживать плату на небольшом расстоянии (1-2 см) над поверхностью расплавленного припоя (порядка 1-1,5 мин).
Вариант без подогрева показан ниже:
Основным следствием предварительного подогрева платы является устранение теплового удара при касании холодной поверхности платы — раскалённой поверхности расплавленного припоя.
В практическом смысле это означает 2 следствия:
припой не будет застывать слишком быстро, — это позволит ему достаточно надёжно успеть сцепиться с поверхностью паяемых деталей;
неочевидное следствие* — отсутствие моментального застывания припоя, при касании им печатной платы, позволит извлечь плату из припоя без поднимания вместе с ней половины припоя из ванны! :-D
*Вот этот второй пункт, наверняка, будет не совсем понятен, поэтому его требуется пояснить: дело в том, что когда я изучал для себя все эти процессы, я нашёл занятное видео, где человек на практике показывает, как он провёл множество экспериментов, и только после этого, у него начал получаться стабильный результат — где при этом, одной из основных проблем была как раз вот эта: слишком быстрое застывание припоя на поверхности печатной платы, в результате чего, вместе с платой извлекается ещё и килограмм припоя или около того!
Проблема была решена только после предварительного подогрева платы, с помощью удержания её над поверхностью припоя!
Посмотреть успешный эксперимент, с подробным объяснением, можно вот здесь, с 8:00 (соответственно, если вы хотите увидеть все неуспешные варианты, то можете смотреть с самого начала):
При этом, как мы видим, есть и ещё один существенный момент: и извлекать плату из припоя и опускать в припой следует под некоторым углом — примерно около 45°.
Почему так: при окунании платы в припой это позволяет избежать риска захвата и удержания пузыря воздуха под платой, в то время как при извлечении, это позволяет легче стекать излишкам припоя, а также, уменьшает риск образования паразитных мостиков (соединение припоем тех мест, которое не предусматривалось).
Таким образом, на финальном этапе, остаётся только отмыть плату от остатков флюса, и всё!
Насколько удалось понять, технология пайки простым окунанием, является не только самый простой, но и исторически самой первой технологией быстрого промышленного соединения электронных компонентов, появившаяся сразу после перехода на печатные платы с токопроводящими дорожками, после ухода от этапа навесного монтажа, который произошёл приблизительно в 1940-х…19050-х годах XX века.
Тем не менее, даже по всему описанию выше, легко догадаться, что технология не является пределом мечтаний — да, она позволяет простым и дешёвым способом осуществлять свою функцию, однако, есть целая гора оговорок, среди которых, как мы уже видели, одной из существенных можно назвать определённую «набитость» руки, чтобы чувствовать правильный угол, правильные временные промежутки…
И кроме того, несмотря на это всё, мы видели, что даже такой опыт не позволяет в полной мере избавиться от паразитных мостиков.
Ну и, (это мы тоже видели) — постоянно нагретый припой в ванне, непрерывно окисляется, что вынуждает оператора постоянно очищать его перед окунанием новой платы — то есть, помимо непосредственно самой пайки, приходится заботиться ещё и о каких-то дополнительных вещах…
Кстати говоря, пока мы далеко не ушли от этого момента, вот так выглядит навесной монтаж (если кто не в курсе) — достаточно страшненько, с точки зрения нынешнего дня: :-)
Подробнее о навесном монтаже можно почитать, например, здесь.
Таким образом, неудивительно, что инженеры старались найти альтернативу и для пайки окунанием, и эта альтернатива была найдена в районе 1950-х годов — пайка волной.
Основной причиной для перехода к этой технологии является её ярко выраженная способность к встраиванию в конвейерные производственные линии, а побочными положительными сторонами является уменьшенное, по сравнению с пайкой окунанием, образование нежелательных мостиков между точками пайки, из-за непрерывного омывания места пайки расплавом припоя, где динамичный характер этого действия существенно уменьшает возможность образования мостиков.
Но не только это является её положительной стороной — в процессе пайки таким способом уменьшается температурный шок печатной платы, так как в каждый момент времени, температурное воздействие оказывается только на незначительную её часть, в то время как остальная часть платы остаётся незадействованной.
Насколько удалось понять по официальным сайтам производителей оборудования для конвейерной пайки подобного типа, сам процесс очень похож на пайку окунанием, по крайней мере, включает те же самые этапы:
Предварительное флюсование платы — где для флюсования могут применяться как кислотные, так и не кислотные флюсы (от этого будет зависеть дальнейшая потребность в интенсивном или не очень очищении, например, в ультразвуковой ванне).
Флюсование может осуществляться как с помощью специального устройства, где флюс поднимается над краями вытянутой ванны, в виде «постоянно кипящей пены» так и распылением (насколько удалось понять, это считается более прогрессивным вариантом).Покрытая флюсом плата протягивается сквозь специальный нагревательный тоннель, в котором нагревательные элементы (кварцевые лампы, в одном из вариантов) нагревают нижнюю поверхность платы, таким образом, чтобы до пайки она была подогрета до достаточно высокой температуры (100°С…130°С).
Затем плата попадает непосредственно под воздействие такой же продолговатой ванны, похожей на ванну для флюсования, только где над краями её постоянно поднимается в виде бугра постоянно текущий и перемешивающийся припой.
Температура припоя должна удерживаться в достаточно узких рамках (240°С…250°C, для свинцового припоя), иначе, возможно так называемое «холодное соединение» — непрочная пайка, растрескивание, недостаточная смачиваемость поверхности платы припоем.
Течение припоя обеспечивается с помощью крыльчатки, приводимой в движение электродвигателем (в самом простом варианте) или с помощью мгд-насоса (в более современном и дорогом варианте).Вышедшая из зоны пайки плата должна охлаждаться в соответствии с определённым температурным профилем, под которым подразумевается определённая последовательность температур, связанная со временем — где, в среднем, скорость охлаждения не должна превышать примерно 5°С/сек.
Именно такая скорость охлаждения и позволяет сформировать мелкозернистую структуру металла паяного соединения, которая и является наиболее прочной.
Желающие более подробно узнать о современных подходах пайки волной, могут найти довольно интересную и современную статью ещё вот здесь.
Выглядит процесс так (показан более старый вариант, с флюсованием пеной):
Интересно, что на данный момент, оказывается даже пайка волной не является самым прогрессивным вариантом — и сейчас пальму первенства удерживает селективная пайка (с роботизированным приводом или без него).
В первом случае, суть технологии заключается в том, что по XY (или только по X или только Y) перемещается специальная ёмкость, имеющая сопло, с диаметром, наиболее подходящим для конкретного случая.
Из этого сопла, на небольшую высоту, также, как и при пайке волной — поднимается пузырь припоя.
Манипулятор перемещает это сопло и плату, поднимая к печатной плате только там, где необходимо припаять компоненты.
Таким образом, температурное воздействие на плату ещё более уменьшается, а при пайке становится возможным сочетать технологии, как поверхностного монтажа, так и сквозного (см. примерно 1:36):
Соответственно, во втором, более простом варианте, плату запаивает человек-оператор без какого-либо манипулятора:
Таким образом, мы видим, что технологии пайки достаточно сильно прогрессировали за прошедшие годы, где, тем не менее, самая простая технология (пайка окунанием) для домашнего применения и экспериментов видится наиболее подходящий из-за своей простоты — маленькая ванна, размером в районе листа А4, с регулируемой температурой, что может быть проще? :-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
