Стадии физико-химического процесса пайки.

Пайка – это процесс получения неразъемного соединения металлических деталей при помощи нагрева и заполнения зазора между ними расплавленным припоем, который после кристаллизации образует прочную пайку. Соединение деталей с припоем происходит за счет взаимной диффузии и частичного их поверхностного растворения.

Процесс получения соединения проходит несколько стадий: адсорбция, адгезия, смачивание, сцепление.

Для получения качественного соединения пайку необходимо производить в следующей последовательности:

1.1 При необходимости очистить соединяемые поверхности от окислов и загрязнений (механически)

1.2 Покрыть место пайки флюсом дня зашиты поверхности от окисления, т. е. активировать металлические поверхности (стадия адсорбции и адгезии)

1.3 Залудить место соединения металлических поверхностей, то есть покрыть тонким слоем припоя. (стадия смачивания). Луженая поверхность должна быть ровной, блестящей, без наплывов припоя и непролуженных мест. Oт качества лужения зависит качество пайки.

При необходимости закрепить провода и выводы радиодеталей в соответствии с требованиями к формовке и установке деталей и проводов при печатном и объёмном монтаже

1..4 Непосредственное выполнение пайки как неразъёмного соединения. (сцепление). Место пайки необходимо прогреть до температуры на 50 градусов выше, чем температура плавления припоя. Припой должен хорошо растекаться по месту пайки, количество припоя должно быть минимальным. Пайка должна быть ровной, глянцевой, без пор и посторонних вкраплений. Пайка должна быть «скелетной», то есть под припоем должен быть виден контур соединяемых выводов или проводов. Должна быть полностью исключена возможность получения «ложной» пайки, при которой существует видимость пайки, но отсутствует электрический контакт. Такие пайки получаются в результате некачественной подготовки поверхностей.

Для получения качественной пайки необходимоправильно подобрать и подготовить паяльник к работе.

 

Подготовка паяльника к работе.

При пайке радиоэлектронной аппаратуры применяются паяльники мощностью 40 ватт и меньше. Рабочее напряжение паяльника должно быть не более 42 вольт. Изоляция соединительного шнура и вилка должны быть без повреждений. Жало паяльника должно быть неподвижно закреплено.

Для качественного выполнения монтажа необходимо следить, чтобы на жале паяльника не образовывались раковины и сколы. Рабочая поверхность жала всегда должна быть ровная и блестящая, при наличии неровностей жало паяльника обрабатывают и затачивают напильником под углом 45^о- 60^о . Нагар, образующийся в процессе выгорания канифоли, необходимо убирать хлопчатобумажной салфеткой через 3-4 пайки.

Необходимо следить за температурой жала паяльника, которая на 50-60 градусов должна быть выше температуры плавления припоя. При пайке припоем ПОС-61 с температурой плавления 190^о жало должно иметь температуру 240^о-250^о.

 

Виды пайки при монтаже РЭА.

 

По способу нагрева соединений различают 2 вида пайки:

3.1. Групповая пайка.

При выполнении групповой пайки нагревается весь электронный узел (плата). К групповым видам пайки относятся:

1. Пайка погружением.

2. Пайка волной припоя.

Применяется как для пайки печатных плат со штыревыми и поверхностными компонентами. Принцип метода – плата прямолинейно проходит через гребень волны припоя.

Этапы пайки:

а) входной контроль собранного узла

б) закрепление платы в технологическую рамку, фиксация рамки на конвейере

в) покрытие платы флюсом и сушка флюса

г) предварительный подогрев платы

д) пайка волной припоя

е) изъятие платы с конвейера, охлаждение, изъятие из рамки

ж) передача на промывку.

Для пайки плат со штыревыми компонентами с одной стороны и поверхностными с другой применяется пайка двойной волной припоя.

Недостатки метода:

а) значительный термоудар для платы и поверхностных компонентов

б) непропаи поверхностных компонентов

в) большое количество дефектов пек при малом расстоянии между элементами

 

3. Инфракрасная пайка.

Применяется для выполнения поверхностного монтажа.

Для ИК нагрева используют специальные трубчатые лампы накаливания с вольфрамовыми и нихромовыми нитями, рефлекторы. В настоящее время широко применяются керамические панели, которые исключают перегрев отдельных участков платы. Режим работы нагревателей, скорость движения конвейера может регулироваться в каждой. Типовая установка для пайки ИК излучением состоит из колпака и 4 зон нагрева.

Этапы пайки:

а) постепенный предварительный нагрев изделия (зона 1и2)

б) пайка при помощи ИК(3)

в) охлаждение изделия (4)

г) передача на промывку

Недостатки инфракрасной пайки:

а) неравномерный нагрев элементов, т.к. они изготовлены из разных материалов

б) ИК пайка пригодна только для поверхностного монтажа

в) невозможно нагреть пайку под корпусом элемента (микросхемы с J-выводами)

 

4. Конвекционная пайка

Для нагрева используют мощные калориферы, на можно использовать и ИК излучатели. Тепло в печах переносится за счет принудительного движения воздуха вентиляторами. В конвекционной печи плата проходит 4 температурные зоны:

а) зона предварительного нагрева (25-150 градусов)

удаляются летучие компоненты из флюса, плата и компоненты плавно нагреваются

б) зона прогрева (150-180 градусов)

смачиваются выводы компонентов и контактные площадки платы, уравновешивается температура компонентов разной массы и размеров. Нагревается до температуры плавления паяльной пасты.

в) зона пайки (200-210 градусов)

оплавление паяльной пасты

г) зона охлаждения (50-30гр)

д) передача на промывку

недостатки: более высокая энергоемкость, необходимость ожидания выхода печи на рабочий режим пайки.

 

5. Конденсационная пайка.

Монтируемый узел или плату нагревают в парофазной среде за счет конденсации пара рабочей жидкости (фторуглероды с температурой кипения 210- 260). Для пайки используются паяльные пасты.

Достоинства метода;

а) невозможность перегрева (температура не может выше, чем температура кипения жидкости)

б) пайка производится практически в бескислородной среде

в) не требуется промывка после пайки.

Недостатком является большой расход рабочей жидкости, что повышает себестоимость изделия.

 

3.2 Селективная или локальная пайка.

Нагрев производится от точки к точке. При этом все элементы и монтажное изделие остаются холодными. Локальная пайка производится следующими способами:

1. Контактная пайка паяльником. Передача тепла к месту пайки производится за счет прижима жала паяльника. Пайка может осуществляться вручную. Также применяются методы избирательной пайки на автоматических линиях с принудительной подачей припоя к месту соединения.

2. Струйная пайка горячим газом. В качестве газа-теплоносителя используют аргон, гелий, азот при температуре около 300 градусов. Широко применяется направленное пламя, температуру которого можно изменять, используя различные смеси газов. Струйная пайка применяется для соединения проводов большого сечения и контактов с повышенной теплоемкостью или для пайки высокотемпературными припоями.

3. Лучевая пайка. Нагрев сфокусированным световым лучом. (диаметр пайки 1-15мм)используются газоразрядные ксеноновые лампы и галогенные лампы.

4. Лазерная пайка. Нагрев места пайки производится лазерным лучом. Луч проходит по диэлектрику и не нагревает его (не поглощается диэлектриком), но интенсивно поглощается металлом и плавит припой. Лазерную пайку иногда совмещают с системой контроля качества паяных соединений. Непропай может быть идентифицирован по темпу остывания места пайки и установка может вернуться к этой точке и повторить операцию. Применяется для пайки ответственных изделий. При изготовлении бытовой аппаратуры не применяется, т.к. метод дорогой и сложный в работе.

 

Современные производства при формировании сборочно-монтажных линий комплектуют их полным набором средств нагрева: печи конвекционного и ИК нагрева, установки для пайки волной припоя, модули флюсования, предварительного нагрева и пайки, места для ручной пайки с использованием паяльных станций.

 

Типичные дефекты пайки

Дефекты пайки приводят к неустойчивому электрическому контакту или к его полному исчезновению.

Виды дефектов:

1. «Ложная» пайка. При визуальном осмотре это может быть: зернистая или матовая поверхность, неполное смачивание или скатывание припоя со спаиваемых поверхностей. Для распознания некачественной пайки припой дозируют так, чтобы образовалась «скелетная», а не заливная пайка.

2. Растворение покрытий соединяемых деталей. Припой загрязняется примесями и снижается его смачиваемость.

3. Отсутствие смачивания. Припой не прилипает к поверхности. Причиной могут быть низкое качество припоя, неправильно подобранный флюс, загрязнение соединяемых поверхностей.

4. Эффект «надгробного камня» - это поднятие одного вывода чип – компонента над поверхностью платы. Это происходит из-за несоответствия размеров контактных площадок, расстояний между ними и расстояний между выводами элемента.

5. Сдвиг компонентов относительно контактных площадок на печатной плате.

6. Отток припоя. Припой поднимается по выводу, ослабляя место соединения.

7. Образование перемычек между контактными площадками. Происходит в основном из-за избытка припоя или паяльной пасты. При установке поверхностных элементов из-за чрезмерного давления на элементы.

8. Отслоение контактной площадки от основания платы.

9. Отсутствие электрического контакта. Это может быть при наличии «ложной» пайки, при отсутствии смачивания, при сдвиге компонентов, при эффекте «надгробного камня»и при отслоении дорожек.