Пайка ( США : / ˈ s ɒ d ər ɪ ŋ / ; Великобритания : / ˈ s oʊ l d ər ɪ ŋ / ) — это процесс соединения двух металлических поверхностей вместе с использованием припоя . Процесс пайки включает в себя нагревание соединяемых поверхностей и плавление припоя, который затем охлаждается и затвердевает, создавая прочное и долговечное соединение.
Пайка обычно используется в электронной промышленности для изготовления и ремонта печатных плат (PCB) и других электронных компонентов. Его также используют в сантехнике и металлообработке , а также при изготовлении ювелирных изделий и других декоративных изделий.
Припой, используемый в этом процессе, может различаться по составу: для разных применений используются разные сплавы. Обычные припои включают, среди прочего, олово-свинец, олово-серебро и олово-медь. Бессвинцовый припой также стал более широко использоваться в последние годы из-за проблем со здоровьем и окружающей средой, связанных с использованием свинца .
Помимо типа используемого припоя, решающую роль в процессе пайки также играют температура и способ нагрева. Разные типы припоев требуют разной температуры для плавления, и нагрев необходимо тщательно контролировать, чтобы не повредить соединяемые материалы или не создать слабые соединения.
При пайке используется несколько методов нагрева, в том числе паяльники, горелки и термофены . Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, выбор метода зависит от области применения и соединяемых материалов.
Пайка является важным навыком для многих отраслей и хобби, и для достижения хороших результатов требуется сочетание технических знаний и практического опыта.
Есть свидетельства того, что пайка применялась еще 5000 лет назад в Месопотамии. [1] Считается, что пайка и пайка зародились очень рано в истории обработки металлов, вероятно, до 4000 г. до н.э. [2] Шумерские мечи ок. 3000 г. до н.э. были собраны с использованием твердой пайки.
Пайка исторически использовалась для изготовления ювелирных изделий, посуды и кухонных инструментов, сборки витражей , а также для других целей.
Пайка используется в сантехнике, электронике и металлообработке, от прошивки до ювелирных изделий и музыкальных инструментов.
Пайка обеспечивает достаточно прочные, но обратимые соединения между медными трубами в водопроводных системах, а также соединения в объектах из листового металла, таких как консервные банки, оклад крыши , водосточные желоба и автомобильные радиаторы .
Детали ювелирных изделий, станки и некоторые компоненты холодильного и сантехнического оборудования часто собираются и ремонтируются с помощью высокотемпературной пайки серебром. Небольшие механические детали также часто паяют или паяют. Пайка также используется для соединения свинцовой и медной фольги в витражах .
Электронная пайка соединяет электропроводку с устройствами, а электронные компоненты — с печатными платами . Электронные соединения можно паять вручную с помощью паяльника. Автоматизированные методы, такие как пайка волновой пайкой или использование печей, позволяют выполнить множество соединений на сложной печатной плате за одну операцию, что значительно снижает себестоимость производства электронных устройств.
В музыкальных инструментах, особенно медных и деревянных духовых инструментах, при сборке используется сочетание пайки и пайки. Латунные корпуса часто спаивают вместе, а шпонки и скобы чаще всего паяют.
Паяемость подложки является мерой легкости, с которой можно выполнить пайку с этим материалом.
Некоторые металлы паять легче, чем другие. Медь, цинк, латунь, серебро и золото легко обрабатываются. Следующими по трудностям являются железо, мягкая сталь и никель . Из-за тонких и прочных оксидных пленок нержавеющую сталь и некоторые алюминиевые сплавы паять еще труднее. Титан , магний , чугун , некоторые высокоуглеродистые стали , керамику и графит можно паять, но этот процесс аналогичен соединению карбидов: сначала на них наносится подходящее металлическое покрытие, которое вызывает межфазное соединение.
Присадочные материалы для пайки доступны во многих различных сплавах для различных применений. При сборке электроники предпочтительным сплавом был эвтектический сплав с 63% олова и 37% свинца (или 60/40, что практически одинаково по температуре плавления). Другие сплавы используются для сантехники, механической сборки и других применений. Некоторыми примерами мягкого припоя являются олово-свинец для общих целей, олово-цинк для соединения алюминия , свинец-серебро для прочности при температуре выше комнатной, кадмий-серебро для прочности при высоких температурах, цинк-алюминий для алюминия и коррозионной стойкости. а также олово-серебро и олово-висмут для электроники.
Эвтектический состав имеет преимущества при пайке: температуры ликвидуса и солидуса одинаковы, поэтому нет пластической фазы, и он имеет минимально возможную температуру плавления. Минимально возможная температура плавления минимизирует тепловую нагрузку на электронные компоненты во время пайки. А отсутствие пластической фазы обеспечивает более быстрое смачивание припоя при нагревании и более быструю установку при остывании. Неэвтектический состав должен оставаться неподвижным, пока температура падает до температур ликвидуса и солидуса. Любое движение во время пластической фазы может привести к образованию трещин, что приведет к ненадежному соединению.
Ниже перечислены распространенные составы припоев на основе олова и свинца. Дробь представляет собой сначала процентное содержание олова, затем свинца, что в сумме составляет 100 %:
По экологическим соображениям и введению таких правил, как европейская директива RoHS ( Директива об ограничении использования опасных веществ ), бессвинцовые припои становятся все более широко используемыми. Их также рекомендуется использовать везде, где маленькие дети могут с ними контактировать (поскольку маленькие дети могут брать предметы в рот), или для использования на открытом воздухе, где дождь и другие осадки могут смыть свинец в грунтовые воды. К сожалению, обычные бессвинцовые припои не являются эвтектическими составами: они плавятся при температуре около 220 °C (428 °F), [3] что затрудняет создание надежных соединений с ними.
Другие распространенные припои включают низкотемпературные составы (часто содержащие висмут ), которые часто используются для соединения ранее спаянных узлов без распайки предыдущих соединений, и высокотемпературные составы (обычно содержащие серебро ), которые используются для работы при высоких температурах или для первой сборки. элементов, которые не должны отпаиваться при последующих операциях. Легирование серебра другими металлами изменяет температуру плавления, характеристики адгезии и смачивания, а также прочность на разрыв. Из всех припоев серебряные припои обладают наибольшей прочностью и самым широким применением. [4] Доступны специальные сплавы с такими свойствами, как более высокая прочность, способность паять алюминий, лучшая электропроводность и более высокая коррозионная стойкость. [5]
Существует три формы пайки, каждая из которых требует все более высоких температур и обеспечивает все большую прочность соединения:
Сплав присадочного металла для каждого типа пайки можно регулировать, чтобы изменить температуру плавления припоя. Пайка существенно отличается от склейки тем, что присадочные металлы непосредственно сцепляются с поверхностями деталей в месте соединения, образуя одновременно электропроводящее, газонепроницаемое и герметичное соединение. [7]
Мягкая пайка характеризуется температурой плавления присадочного металла ниже примерно 400 °C (752 °F), [8] тогда как при пайке серебром и пайке твердым припоем используются более высокие температуры, обычно требующие пламени или угольной дуговой горелки для плавления припоя. наполнитель. Присадочные металлы для мягких припоев обычно представляют собой сплавы (часто содержащие свинец ), имеющие температуру ликвидуса ниже 350 °C (662 °F).
В этом процессе пайки к соединяемым деталям подается тепло, в результате чего припой плавится и прилипает к заготовкам в процессе поверхностного легирования, называемом смачиванием . В многожильных проводах припой втягивается в проволоку между жилами под действием капиллярных сил в процессе, называемом «капиллярным». Капиллярное действие имеет место и тогда, когда детали расположены очень близко друг к другу или соприкасаются. Прочность соединения на растяжение зависит от используемого присадочного металла; при электрической пайке добавленный припой дает небольшую прочность на разрыв, поэтому рекомендуется скручивать или складывать провода перед пайкой, чтобы обеспечить некоторую механическую прочность соединения. Хорошая пайка обеспечивает электропроводящее, водо- и газонепроницаемое соединение.
Каждый тип припоя имеет свои преимущества и недостатки. Мягкий припой назван так из-за мягкого свинца, который является его основным ингредиентом. Мягкая пайка использует самые низкие температуры (и, следовательно, подвергает компоненты наименьшим термическим нагрузкам), но не обеспечивает прочного соединения и не подходит для приложений, несущих механические нагрузки. Он также непригоден для применения при высоких температурах, поскольку теряет прочность и со временем плавится. Пайка серебром, используемая ювелирами, машинистами и в некоторых сантехнических работах, требует использования горелки или другого источника высокой температуры и намного прочнее, чем мягкая пайка. Пайка обеспечивает самые прочные несварные соединения, но также требует самых высоких температур для плавления присадочного металла, что требует горелки или другого источника высокой температуры и затемненных очков для защиты глаз от яркого света, создаваемого раскаленной добела работой. Его часто используют для ремонта чугунных предметов, кованой мебели и т. д.
Операции пайки могут выполняться ручными инструментами по одному соединению за раз или в массовом порядке на производственной линии. Ручная пайка обычно выполняется с помощью паяльника , паяльника или горелки, а иногда и карандаша с горячим воздухом. Работа с листовым металлом традиционно выполнялась с помощью «паяльных котлов», непосредственно нагреваемых пламенем, с достаточным запасом тепла в массе паяльной меди для завершения соединения; Газовые горелки (например, бутановые или пропановые) или паяльники с электрическим нагревом более удобны. Все паяные соединения требуют одинаковых элементов очистки соединяемых металлических деталей, подгонки соединения, нагрева деталей, нанесения флюса, нанесения присадки, отвода тепла и выдерживания узла в неподвижном состоянии до полного затвердевания присадочного металла. В зависимости от типа используемого флюса и области применения может потребоваться очистка соединения после его остывания.
Каждый припой имеет характеристики, которые лучше всего подходят для определенных применений, в частности, прочность и проводимость, и каждый тип припоя и сплава имеет разные температуры плавления. Термин «серебряный припой» обозначает тип используемого припоя. Некоторые мягкие припои представляют собой «серебряносодержащие» сплавы, используемые для пайки посеребренных изделий. Припои на основе свинца не следует использовать для обработки драгоценных металлов, поскольку свинец растворяет металл и деформирует его.
Различие между пайкой и пайкой основано на температуре плавления припоя. Температура 450 °C обычно используется как практическая граница между пайкой и пайкой. Мягкую пайку можно выполнять с помощью нагретого утюга, тогда как другие методы обычно требуют более высокой температуры горелки или печи для плавления присадочного металла.
Обычно требуется другое оборудование, поскольку паяльник не может достичь достаточно высоких температур для пайки твердым припоем или пайки. Припой прочнее серебряного припоя, который прочнее мягкого припоя на основе свинца. Припои для пайки разработаны в первую очередь для обеспечения прочности, серебряный припой используется ювелирами для защиты драгоценного металла, а также машинистами и специалистами по холодильному оборудованию из-за его прочности на разрыв, но более низкой температуры плавления, чем пайка, а основным преимуществом мягкого припоя является низкая температура, используемая (для предотвратить тепловое повреждение электронных компонентов и изоляции).
Поскольку соединение создается с использованием металла с более низкой температурой плавления, чем у заготовки, соединение будет ослабевать, когда температура окружающей среды приближается к температуре плавления присадочного металла. По этой причине в результате более высокотемпературных процессов образуются соединения, которые эффективны при более высоких температурах. Паяные соединения могут быть такими же или почти такими же прочными, как и соединяемые ими детали [9] , даже при повышенных температурах. [10]
«Твердая пайка» или «серебряная пайка» используется для соединения драгоценных и полудрагоценных металлов, таких как золото, серебро, латунь и медь. Припой обычно называют легким, средним или твердым в зависимости от его температуры плавления, а не прочности соединения. Сверхлегкий припой содержит 56% серебра и имеет температуру плавления 618 °C (1145 °F). Сверхтвердый припой содержит 80% серебра и плавится при температуре 740 °C (1370 °F). Если требуется несколько соединений, то ювелир начнет с твердого или сверхтвердого припоя и перейдет на более низкотемпературные припои для последующих соединений.
Серебряный припой в некоторой степени впитывается окружающим металлом, в результате чего соединение оказывается прочнее, чем соединяемый металл. Соединяемый металл должен быть идеально ровным, поскольку серебряный припой обычно не может использоваться в качестве наполнителя и не заполнит зазоры.
Еще одно различие между пайкой и пайкой заключается в способе нанесения припоя. При пайке обычно используются стержни, которые при нагревании прикасаются к соединению. При пайке серебром небольшие кусочки припоя помещаются на металл перед нагревом. Флюс, часто изготовленный из борной кислоты и денатурированного спирта, используется для поддержания чистоты металла и припоя и предотвращения его смещения до того, как он расплавится.
Когда серебряный припой плавится, он имеет тенденцию течь в сторону области наибольшего нагрева. Ювелиры могут в некоторой степени контролировать направление движения припоя, направляя его горелкой; иногда он даже идет прямо вверх по шву.
Ряд припоев, в первую очередь сплавы цинка , используются для пайки металлов и сплавов алюминия и в меньшей степени стали и цинка. Эта механическая пайка аналогична операции низкотемпературной пайки, поскольку механические характеристики соединения достаточно хорошие, и ее можно использовать для структурного ремонта этих материалов.
Американское общество сварщиков определяет пайку как использование присадочных металлов с температурой плавления выше 450 °C (842 °F) — или, по традиционному определению в США, выше 800 °F (427 °C). Алюминиевые припои обычно имеют температуру плавления около 730 °F (388 °C). [11] Для этой операции пайки/пайки может использоваться источник тепла пропановой горелки. [12]
Эти материалы часто рекламируются как «сварка алюминия», но этот процесс не включает плавление основного металла и, следовательно, не является сварным швом.
Военный стандарт США или спецификация MIL-SPEC MIL-R-4208 определяет один стандарт для этих припоев/сплавов на основе цинка. [13] Ряд продуктов соответствует этой спецификации. [12] [14] [15] или очень похожие стандарты производительности. [11]
Целью флюса является облегчение процесса пайки. Одним из препятствий на пути к успешной пайке являются загрязнения в месте соединения; например, грязь, масло или окисление . Примеси можно удалить механической очисткой или химическими средствами, но повышенные температуры, необходимые для плавления присадочного металла (припоя), способствуют повторному окислению заготовки (и припоя). Этот эффект усиливается по мере повышения температуры пайки и может полностью предотвратить соединение припоя с заготовкой. Одной из первых форм флюса был древесный уголь , который действует как восстановитель и помогает предотвратить окисление в процессе пайки. Некоторые флюсы выходят за рамки простого предотвращения окисления, а также обеспечивают некоторую форму химической очистки (коррозии). Многие флюсы также действуют как смачивающий агент в процессе пайки, [16] снижая поверхностное натяжение расплавленного припоя и заставляя его течь и легче смачивать детали.
В течение многих лет наиболее распространенным типом флюса, используемого в электронике (мягкая пайка), была канифольная канифоль, полученная из отборных сосновых деревьев . Он был почти идеальным, поскольку не вызывал коррозии и не проводил ток при нормальных температурах, но становился умеренно реактивным (коррозионным) при повышенных температурах пайки. В сантехнике и автомобилестроении, среди прочего, обычно используется флюс на кислотной основе ( соляная кислота ), который обеспечивает довольно агрессивную очистку шва. Эти флюсы нельзя использовать в электронике, поскольку их остатки являются проводящими, что приводит к непреднамеренным электрическим соединениям, а также потому, что они в конечном итоге растворяют провода малого диаметра. Лимонная кислота является отличным водорастворимым флюсом кислотного типа для меди и электроники [17], но после этого ее необходимо смыть.
Флюсы для мягких припоев в настоящее время доступны в трех основных составах:
Для достижения наилучших результатов необходимо тщательно оценить характеристики флюса; очень мягкий флюс, не требующий очистки, может быть вполне приемлем для производственного оборудования, но не обеспечит достаточных характеристик для более разнообразных операций ручной пайки.
Различные типы паяльных инструментов изготавливаются для конкретных применений. Требуемое тепло можно получить за счет сжигания топлива, нагревательного элемента с электрическим приводом или пропускания электрического тока через паяемый элемент. Другой метод пайки состоит в том, чтобы поместить припой и флюс в места соединений паяемого объекта, а затем нагреть весь объект в печи, чтобы расплавить припой; тостеры и ручные инфракрасные лампы использовались любителями для воспроизведения процессов пайки в гораздо меньших масштабах. Третий метод пайки заключается в использовании ванны с припоем , в которой деталь (с флюсом) погружается в небольшую нагретую железную чашку с жидким припоем или насос в ванне с жидким припоем создает приподнятую «волну» припоя, которая быстро проходит. При пайке волновой пайкой используется поверхностное натяжение , чтобы припой не перекрывал изолирующие зазоры между медными линиями покрытых флюсом печатных плат / печатных плат .
Для ручной пайки широко применяется электрический паяльник , состоящий из нагревательного элемента , контактирующего с «утюгом» (большая масса металла, обычно меди), контактирующим с рабочим жалом, изготовленным из меди. Обычно паяльники могут быть оснащены различными жалами: от тупых до очень тонких и долотообразными головками для горячей резки пластмасс, а не пайки. Обычные медные наконечники подвержены эрозии/растворению при горячем припое, и для предотвращения этого их можно покрыть чистым железом. Самые простые утюги не имеют регулировки температуры. Маленькие утюги быстро остывают, когда их используют, скажем, для пайки на металлическом шасси, в то время как у больших утюгов наконечники слишком громоздки для работы с печатными платами (PCB) и подобных мелких работ. Утюг мощностью 25 Вт не обеспечит достаточного тепла для больших электрических разъемов, соединения медного откоса крыши или большого витражного провода. С другой стороны, 100-ваттное утюг может выделять слишком много тепла для печатных плат. Утюги с терморегулированием обладают запасом мощности и способны поддерживать температуру в широком диапазоне работ.
Паяльник очень быстро нагревает медное жало небольшого сечения , пропуская через него большой переменный ток с помощью одновиткового трансформатора большого сечения; медный наконечник затем передает тепло к детали, как и другие паяльники. Паяльник будет больше и тяжелее паяльника с нагревательным элементом той же мощности из-за встроенного трансформатора.
Газовые утюги с каталитическим наконечником для небольшого нагрева без пламени используются для портативных устройств. Термофены и карандаши позволяют дорабатывать пакеты компонентов (например, устройства для поверхностного монтажа ), которые нелегко выполнить с помощью электрических утюгов и пистолетов.
В неэлектронных приложениях в паяльных горелках для нагрева припоя используется пламя, а не жало. Паяльные горелки часто работают на бутане [19] и доступны в различных размерах: от очень маленьких бутан-кислородных горелок, подходящих для очень тонких, но высокотемпературных ювелирных работ, до полноразмерных кислородно-топливных горелок, подходящих для гораздо более крупных работ, таких как медь. трубопроводы. Обычные многофункциональные пропановые горелки, такие же, как для снятия краски и оттаивания труб, можно использовать для пайки труб и других довольно крупных предметов как с насадкой для паяльного наконечника, так и без нее; трубы обычно паяют с помощью горелки, применяя непосредственно открытое пламя.
Паяльник для меди — это инструмент с большой медной головкой и длинной ручкой, который нагревается небольшим прямым пламенем и используется для нагрева листового металла , такого как луженая сталь, для пайки. Типичные паяльники имеют головки весом от одного до четырех фунтов. Головка обеспечивает большую тепловую массу , позволяющую хранить достаточно тепла для пайки больших площадей перед повторным нагревом на огне; чем больше головка, тем дольше рабочее время. Медную поверхность инструмента необходимо постоянно очищать и повторно лужить в процессе использования. Исторически пайка меди была стандартным инструментом, используемым при кузовном ремонте автомобилей, хотя припой для кузова в основном был заменен точечной сваркой для механического соединения и неметаллическими наполнителями для контурирования.
Во время Второй мировой войны и в течение некоторого времени после нее силы ЗОЕ использовали небольшие пиротехнические самопайки для соединений для дистанционного подрыва подрывных и диверсионных взрывчатых веществ. Они состояли из небольшой медной трубки, частично заполненной припоем, и медленногорящего пиротехнического состава, намотанного на трубку. Соединяемые провода вставлялись в трубку, и небольшая капля воспламеняющего состава позволяла поджигать устройство, как спичку, чтобы зажечь пиротехнику и нагревать трубку достаточно долго, чтобы расплавить припой и выполнить соединение. [ нужна цитата ]
Лазерная пайка — это метод, при котором лазер мощностью 30–50 Вт используется для плавления и пайки электрического соединения. Для этой цели используются диодные лазерные системы на основе полупроводниковых переходов. [20] Сюзанна Дженничес запатентовала лазерную пайку в 1980 году. [21]
Длины волн обычно составляют от 808 до 980 нм. Луч доставляется к заготовке по оптическому волокну диаметром 800 мкм и меньше. Поскольку луч на конце волокна быстро расходится, для создания пятна подходящего размера на заготовке на подходящем рабочем расстоянии используются линзы . Для подачи припоя используется механизм подачи проволоки. [22]
Можно паять как свинцово-оловянный, так и серебряно-оловянный материал. Рецепты процесса будут различаться в зависимости от состава сплава . При пайке 44-контактных держателей микросхемы к плате с использованием паяных заготовок уровни мощности составляли порядка 10 Вт, а время пайки составляло примерно 1 секунду. Низкий уровень мощности может привести к неполному смачиванию и образованию пустот, что может ослабить соединение.
Фотонная пайка — относительно новый процесс, в котором для пайки компонентов на печатной плате используется широкополосный свет от быстро пульсирующих ламп-вспышек . [23] Потребление энергии примерно на 85 % меньше, чем у печи оплавления, при этом производительность выше, а занимаемая площадь меньше. Это похоже на фотонное отверждение , при котором паяемые компоненты нагреваются, а подложка остается относительно холодной. [24] Это позволяет использовать высокотемпературные припои, такие как SAC305 , даже на термически хрупких материалах, таких как ПЭТ, целлюлоза и ткани. [25] Вся печатная плата может быть обработана за несколько секунд. В некоторых случаях используются маски, но это можно сделать и без регистрации, что обеспечивает очень высокую скорость обработки.
Индукционная пайка использует индукционный нагрев высокочастотным переменным током в окружающей медной катушке. Это индуцирует токи в паяемой детали, что приводит к выделению тепла из-за более высокого сопротивления соединения по сравнению с окружающим его металлом ( резистивный нагрев ). Этим медным катушкам можно придать форму, более точно подходящую к соединению. Между облицовочными поверхностями помещается присадочный металл (припой), который плавится при достаточно низкой температуре. Флюсы обычно используются при индукционной пайке. Этот метод особенно подходит для непрерывной пайки, в этом случае катушки наматываются на цилиндр или трубу, которую необходимо припаять.
Инфракрасная пайка с фокусом волокна — это метод, при котором множество инфракрасных источников проводятся через волокна , а затем фокусируются на одном месте, в котором происходит пайка соединения. [26] [ не удалось проверить ]
Пайка сопротивлением — это пайка, при которой тепло, необходимое для плавления припоя, создается за счет пропускания электрического тока через спаиваемые детали. Когда электрический ток проводится через любой металл, выделяется тепло; когда этот ток ограничивается меньшей площадью поперечного сечения, тепло, выделяемое во всей цепи, концентрируется в части с уменьшенной площадью поперечного сечения. Ток, осуществляющий нагрев, подается с помощью электродов или наконечников, питаемых от источника низкого напряжения (разомкнутой цепи), обычно 2–7 вольт. Они могут иметь форму пинцета для общих соединений или иметь специальную форму для контакта с деталями, расположенными близко друг к другу.
Пайка сопротивлением отличается от использования проводящего утюга, при котором тепло вырабатывается внутри элемента, а затем передается через теплопроводящий наконечник в область соединения. Холодному паяльнику требуется время для достижения рабочей температуры, и его необходимо поддерживать в горячем состоянии между паяными соединениями. Теплопередача может быть нарушена, если наконечник не смачивается должным образом во время использования. При пайке сопротивлением можно быстро и под строгим контролем создать сильный нагрев непосредственно в области соединения. Это позволяет быстрее достичь необходимой температуры расплава припоя и сводит к минимуму тепловое перемещение от паяного соединения, что помогает минимизировать вероятность термического повреждения материалов или компонентов в окружающей зоне. Тепло выделяется только во время выполнения каждого соединения, что делает пайку сопротивлением более энергоэффективной. Из-за этих преимуществ резистивная пайка широко распространена в отраслях, где пайка осуществляется в небольших помещениях, таких как разъемы и клеммы проводов , а также там, где требуется высокая мощность, например, при распайке автомобильных деталей. [27]
Оборудование для контактной пайки, в отличие от проводящих паяльников, можно использовать для сложных задач пайки и пайки, где могут потребоваться значительно более высокие температуры. В некоторых ситуациях это делает сопротивление сравнимым с пайкой пламенем, но тепло сопротивления более локализовано из-за прямого контакта, тогда как пламя может нагревать большую площадь.
Пайка без флюса с помощью обычного паяльника , ультразвукового паяльника или специализированной паяльной ванны и активного припоя, содержащего активный элемент, чаще всего титан , цирконий или хром . [28] Активные элементы вследствие механической активации вступают в реакцию с поверхностью материалов, которые обычно считаются трудно паяемыми без предварительной металлизации. Активные припои можно защитить от чрезмерного окисления их активного элемента путем добавления редкоземельных элементов с более высоким сродством к кислороду (обычно церия или лантана ). Другой распространенной добавкой является галлий , который обычно вводится в качестве промотора смачивания. Механическую активацию, необходимую для активной пайки, можно выполнить щеткой (например, с помощью щетки из нержавеющей стали или стального шпателя) или ультразвуковой вибрацией (20–60 кГц). Показано, что активная пайка эффективно соединяет керамику, [28] алюминий, титан, кремний, [29] структуры на основе графита и углеродных нанотрубок [30] при температурах ниже 450 °C или при использовании защитной атмосферы.
Медную трубу, или «трубку», обычно соединяют пайкой. При применении в сфере сантехники в Соединенных Штатах пайку часто называют « запотеванием» , а выполненное таким образом соединение трубок называют « запотеванием» .
За пределами Соединенных Штатов термин «запотевание» относится к соединению плоских металлических поверхностей с помощью двухэтапного процесса, при котором припой сначала наносится на одну поверхность, затем этот первый кусок помещается на место напротив второй поверхности, и оба повторно нагреваются до добиться желаемого сустава.
Медная трубка отводит тепло намного быстрее, чем может обеспечить обычный ручной паяльник или пистолет, поэтому для подачи необходимой мощности чаще всего используется пропановая горелка ; для труб и фитингов больших размеров используется горелка, работающая на МАПП , ацетилене или пропилене , с атмосферным воздухом в качестве окислителя; МАПП/кислород или ацетилен/кислород используются редко, поскольку температура пламени намного выше температуры плавления меди. Слишком большое количество тепла разрушает состояние закаленных медных трубок и может выжечь флюс из соединения до того, как будет добавлен припой, что приведет к повреждению соединения. Для трубок большего размера используется горелка со сменными завихряющими наконечниками различных размеров для обеспечения необходимой мощности нагрева. В руках опытного мастера более горячее пламя ацетилена, МАПП или пропилена позволяет выполнить больше соединений в час без ущерба для закалки меди.
Однако для пайки соединений медных труб диаметром от 8 до 22 мм ( от 3 ⁄ 8 до 7 ⁄ 8 дюймов) можно использовать электрический инструмент . Например, Antex Pipemaster рекомендуется использовать в ограниченном пространстве, когда открытое пламя опасно, а также для самостоятельного использования. В инструменте, похожем на плоскогубцы , используются нагретые губки, которые полностью охватывают трубу, позволяя расплавить соединение всего за 10 секунд. [31]
Фитинги под пайку, также известные как «капиллярные фитинги», обычно используются для медных соединений. Эти фитинги представляют собой короткие отрезки гладкой трубы, предназначенные для надевания на внешнюю часть ответной трубки. Обычно используемые фитинги включают прямые соединители, переходники, колена и тройники. Существует два типа паяных фитингов: «фитинги с торцевой подачей», которые не содержат припоя, и « фитинги с кольцом для пайки » (также известные как йоркширские фитинги), в которых кольцо припоя находится в небольшой круглой выемке внутри фитинга.
Как и все паяные соединения, все соединяемые детали должны быть чистыми и не содержать оксидов. Для труб и фитингов стандартных размеров доступны внутренние и внешние проволочные щетки; Также часто используются наждачная шкурка и проволочная вата, хотя изделия из металлической шерсти не рекомендуются, поскольку они могут содержать масло, которое может загрязнить соединение.
Из-за размера задействованных деталей, а также высокой активности и склонности пламени к загрязнению водопроводные флюсы обычно гораздо более химически активны и часто более кислы, чем электронные флюсы. Поскольку сантехнические соединения можно выполнять под любым углом, даже в перевернутом виде, сантехнические флюсы обычно представляют собой пасты, которые остаются на месте лучше, чем жидкости. Флюс наносится на все поверхности соединения, внутри и снаружи. Остатки флюса удаляются после завершения соединения, чтобы предотвратить эрозию и разрушение соединения.
Доступно множество составов сантехнических припоев с различными характеристиками, такими как более высокая или более низкая температура плавления, в зависимости от конкретных требований работы. Строительные нормы и правила в настоящее время почти повсеместно требуют использования бессвинцового припоя для трубопроводов питьевой воды (а также флюс должен быть одобрен для применения в питьевой воде), хотя традиционный оловянно-свинцовый припой все еще доступен. Исследования показали, что водопроводные трубы, паяные свинцом, могут привести к повышению уровня свинца в питьевой воде. [32] [33]
Поскольку медная труба быстро отводит тепло от стыка, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы обеспечить надлежащий прогрев стыка для получения хорошего соединения. После того, как соединение должным образом очищено, обработано флюсом и установлено, пламя горелки воздействует на самую толстую часть соединения, обычно на фитинг с трубой внутри него, а припой наносится на зазор между трубкой и фитингом. Когда все детали прогреются, припой расплавится и потечет в соединение под действием капиллярных сил. Возможно, придется перемещать горелку вокруг шва, чтобы обеспечить смачивание всех участков. Однако установщик должен позаботиться о том, чтобы не перегреть паяемые участки. Если трубка начинает обесцвечиваться, это означает, что трубка была перегрета и начинает окисляться, прекращая подачу припоя и вызывая нарушение герметичности паяного соединения. Перед окислением расплавленный припой будет следовать за теплом горелки вокруг соединения. Когда стык как следует смачивается, припой, а затем и тепло снимают, и пока стык еще очень горячий, его обычно протирают сухой тряпкой. Это удалит излишки припоя, а также остатки флюса до того, как он остынет и затвердеет. При паяном кольцевом соединении соединение нагревается до тех пор, пока по краю фитинга не станет видно кольцо расплавленного припоя, и ему дают остыть.
Из трех способов соединения медных трубок пайка требует наибольшего мастерства, но пайка меди — очень надежный процесс при соблюдении некоторых основных условий:
Медь — только один материал, который соединяют таким образом. Латунные фитинги часто используются для клапанов или в качестве соединительного фитинга между медью и другими металлами. Таким образом припаивают медные трубки при изготовлении духовых инструментов и некоторых деревянных духовых (саксофон и флейта) музыкальных инструментов.
Проволочная щетка , проволочная вата и наждачная шкурка обычно используются для подготовки сантехнических соединений к соединению. Кисти из щетины обычно используются для нанесения флюса для сантехнической пасты. Тяжелая тряпка обычно используется для удаления флюса с сантехнического соединения до того, как он остынет и затвердеет. Также можно использовать щетку из стекловолокна.
При пайке труб, плотно соединенных с клапанами, например, в холодильных системах, может возникнуть необходимость защитить клапан от тепла, которое может повредить резиновые или пластиковые компоненты внутри. В этом случае влажная ткань, обернутая вокруг клапана, часто может отводить достаточное количество тепла за счет кипячения. вода для защиты клапана. [ нужна цитата ]
При соединении медных трубок несоблюдение надлежащего нагрева и заполнения соединения может привести к образованию «пустоты». Обычно это является результатом неправильного размещения пламени. Если тепло пламени не направлено на заднюю часть чашки фитинга, а паяльная проволока приложена в градусах [ количественно ] напротив пламени, то припой быстро заполнит отверстие фитинга, удерживая некоторое количество флюса внутри соединения. Этот пузырь захваченного потока и есть пустота; область внутри паяного соединения, где припой не может полностью заполнить чашку фитинга, поскольку флюс запечатывается внутри соединения, не позволяя припою занимать это пространство.
Исторически жала для пайки витражного стекла были медными и нагревались путем помещения в жаровню с горящим углем . Было использовано несколько советов; когда один наконечник остывал после использования, его помещали обратно в жаровню с древесным углем и использовали следующий наконечник.
В последнее время стали использовать паяльники с электрическим нагревом. Они нагреваются с помощью катушки или керамического нагревательного элемента внутри кончика утюга. Доступны различные номинальные мощности, а температуру можно контролировать электронно. Эти характеристики позволяют использовать более длинные бусины, не прерывая работу для замены наконечников. Паяльники, предназначенные для использования с электроникой, часто эффективны, хотя иногда они недостаточно мощны из-за тяжелой меди и свинца, которые использовались при работе с витражами. Олеиновая кислота — классический флюс, используемый для улучшения паяемости.
Витраж типа Тиффани изготавливается путем наклеивания медной фольги по краям кусочков стекла и последующей их спайки. Этот метод позволяет создавать объемные витражи.
При креплении электронных компонентов к печатной плате правильный выбор и использование флюса помогает предотвратить окисление во время пайки; это важно для хорошего смачивания и теплопередачи. Жало паяльника должно быть чистым и предварительно луженым припоем, чтобы обеспечить быструю передачу тепла.
Электронные соединения обычно выполняются между лужеными поверхностями, редко требующими механической очистки, хотя потускневшие выводы компонентов и медные дорожки с темным слоем оксидной пассивации (из-за старения), как на новой макетной плате, стоявшей на полке около года или более, возможно, потребуется механическая очистка.
Для упрощения пайки новичкам обычно советуют наносить паяльник и припой на место соединения отдельно, а не наносить припой непосредственно на утюг. Когда нанесено достаточное количество припоя, припой удаляется. Когда поверхности достаточно нагреты, припой будет растекаться по заготовкам. Затем железо удаляется из сустава.
Если все металлические поверхности не были должным образом очищены («флюсированы») или не доведены до температуры плавления используемого припоя, результатом будет ненадежное соединение («холодная пайка»), даже если его внешний вид может свидетельствовать об обратном.
Излишки припоя, неизрасходованный флюс и остатки иногда стирают с жала паяльника между стыками. Кончик насадки (обычно с железным покрытием для уменьшения эрозии) в горячем состоянии смачивается припоем («луженым»), чтобы облегчить пайку и свести к минимуму окисление и коррозию самого наконечника.
После вставки компонента, монтируемого в сквозное отверстие , лишний провод отрезается, оставляя длину, равную радиусу контактной площадки.
Методы ручной пайки требуют большого мастерства при пайке корпусов микросхем поверхностного монтажа с малым шагом . В частности, устройства с шариковой решеткой (BGA), как известно, сложно, если вообще возможно, переделать вручную.
В процессе пайки могут возникнуть различные проблемы, которые приводят к выходу из строя соединений сразу или после определенного периода использования.
Наиболее распространенный дефект при ручной пайке возникает из-за того, что соединяемые детали не превышают температуру ликвидуса припоя, что приводит к образованию соединения «холодной пайки». Обычно это происходит из-за того, что паяльник используется для нагрева непосредственно припоя, а не самих деталей. При правильном выполнении утюг нагревает соединяемые детали, которые, в свою очередь, расплавляют припой, гарантируя достаточный нагрев соединяемых деталей для тщательного смачивания. При использовании припойной проволоки со встроенным флюсовым сердечником сначала нагрев припоя может привести к испарению флюса до того, как он очистит паяемые поверхности.
Холоднопаянное соединение может не проводить ток вообще или может проводить ток лишь с перерывами. Холодная пайка также встречается в массовом производстве и является частой причиной того, что оборудование проходит испытания, но выходит из строя иногда через несколько лет эксплуатации.
«Сухое соединение» возникает при перемещении охлаждающего припоя. Поскольку неэвтектические припои имеют небольшой диапазон пластичности, соединение нельзя перемещать до тех пор, пока припой не остынет до температур ликвидуса и солидуса. Сухие соединения часто возникают из-за того, что соединение перемещается, когда паяльник вынимается из соединения. Они слабы механически и плохо проводят электричество.
Для ручной пайки источник тепла выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для размера соединения, которое необходимо выполнить. Паяльник мощностью 100 Вт может обеспечить слишком много тепла для печатных плат (PCB), а паяльник мощностью 25 Вт не обеспечит достаточно тепла для больших электрических разъемов.
Использование инструмента со слишком высокой температурой может привести к повреждению чувствительных компонентов, но длительный нагрев слишком холодным или недостаточно запитанным инструментом также может привести к тепловому повреждению. Чрезмерный нагрев печатной платы может привести к ее расслоению — медные дорожки могут оторваться от подложки, особенно на односторонних печатных платах без покрытия сквозных отверстий .
При ручной пайке на выводах термочувствительных компонентов можно использовать радиатор , например зажим «крокодил», чтобы уменьшить передачу тепла к компонентам и избежать их повреждения. Это особенно применимо к германиевым деталям.
Радиатор ограничивает температуру корпуса компонента, поглощая и рассеивая тепло, уменьшая тепловое сопротивление между компонентом и воздухом. При этом термическое сопротивление выводов поддерживает разницу температур между припаиваемой частью выводов и корпусом компонента. Таким образом, выводы становятся достаточно горячими, чтобы расплавить припой, в то время как корпус компонента остается холодным. Радиатор будет означать использование большего количества тепла для завершения соединения, поскольку тепло, поглощаемое радиатором, не будет нагревать детали.
Компоненты, которые во время работы рассеивают большое количество тепла, иногда размещают над печатной платой, чтобы избежать ее перегрева. С большими устройствами можно использовать пластиковые или металлические монтажные зажимы или держатели, чтобы улучшить рассеивание тепла и уменьшить нагрузку на суставы.
При визуальном осмотре хорошее паяное соединение выглядит гладким, ярким и блестящим, с четко видимым контуром припаянного провода. В целом, красивая пайка — это хорошее соединение.
Матово-серая поверхность является хорошим индикатором того, что соединение сместилось во время пайки. Сухой шов сразу после выполнения шва имеет характерный матовый или зернистый вид. Такое появление вызвано кристаллизацией жидкого припоя. Слишком мало припоя приведет к сухому и ненадежному соединению.
Соединения холодной пайки тусклые, иногда с трещинами или рябинами. Если в соединении есть комки или шарики блестящего припоя, металл не смачивается должным образом. Слишком много припоя (знакомое новичкам «капля припоя») не обязательно вредно, но обычно означает плохое смачивание.
Идеально подойдет вогнутое филе. Граница между припоем и заготовкой в хорошем соединении будет иметь небольшой угол. Это говорит о хорошем смачивании и минимальном использовании припоя, а значит и о минимальном нагреве термочувствительных компонентов. Соединение может быть и хорошее, но если используется большое количество ненужного припоя, то явно требовался лишний нагрев.
Бессвинцовые припои могут охлаждаться и становиться тусклыми, даже если соединение хорошее. Припой выглядит блестящим в расплавленном состоянии и внезапно мутнеет по мере затвердевания, хотя при охлаждении его не трогали.
Неправильно выбранный или нанесенный флюс может привести к разрушению соединения. Без флюса соединение может оказаться нечистым или окислиться, что приведет к некачественному соединению.
Для работы с электроникой обычно используется припой с флюсовым сердечником, но можно использовать дополнительный флюс из флюсового карандаша или дозировать его из маленькой бутылочки с помощью иглы, похожей на шприц.
Некоторые флюсы рассчитаны на то, чтобы оставаться стабильными и неактивными при охлаждении, и их не нужно очищать, хотя при желании это можно сделать. Если используются такие флюсы, очистка может быть просто вопросом эстетики или облегчением визуального осмотра соединений в специализированных «критических» приложениях, таких как медицинское оборудование, военная и аэрокосмическая промышленность. Для спутников это также уменьшит вес, немного, но полезно. При высокой влажности, поскольку даже некоррозионный флюс может оставаться слегка активным, его можно удалить, чтобы со временем уменьшить коррозию.
Некоторые флюсы вызывают коррозию, поэтому после пайки остатки флюса необходимо удалять. Если его не очистить должным образом, флюс может вызвать коррозию соединения или печатной платы. Вода, спирт, ацетон или другие растворители, совместимые с флюсом и соответствующими деталями, обычно используются с ватными тампонами или щетками из щетины.
В некоторых приложениях печатная плата также может быть покрыта каким-либо защитным материалом, например лаком , чтобы защитить ее и открытые паяные соединения от окружающей среды.
Использованный припой содержит некоторые растворенные недрагоценные металлы и непригоден для повторного использования при создании новых соединений. Как только способность припоя к основному металлу достигнута, он перестает правильно соединяться с основным металлом, что обычно приводит к хрупкому холодному паяному соединению с кристаллическим внешним видом.
Перед перепайкой рекомендуется удалить припой из соединения — можно использовать распайочные оплетки (или фитили) или вакуумное оборудование для распайки ( присоски для припоя ). Фитили для распайки содержат большое количество флюса, который удалит окисление с медной дорожки и любых имеющихся выводов устройства. В результате останется яркий, блестящий и чистый переход, который можно будет перепаять.
Более низкая температура плавления припоя означает, что его можно расплавить от основного металла, оставив его практически неповрежденным, хотя внешний слой будет «луженый» припоем. Остается флюс, который можно легко удалить абразивными или химическими процессами. Этот луженый слой позволит припою растекаться по новому соединению, в результате чего образуется новое соединение, а также позволит новому припою растекаться очень быстро и легко.
В настоящее время печатные платы массового производства в основном паяются волновой пайкой или паяются оплавлением , хотя ручная пайка производственной электроники также по-прежнему широко используется.
При пайке волновой пайкой компоненты подготавливаются (обрезаются или модифицируются) и устанавливаются на печатную плату. Иногда, чтобы предотвратить перемещение, их временно удерживают на месте небольшими каплями клея или закрепляют приспособлением, а затем сборку пропускают над текущим припоем в контейнере для массовых грузов. Этот поток припоя вынужден создавать стоячую волну , поэтому вся печатная плата не погружается в припой, а просто касается ее. В результате припой остается на контактах и контактных площадках, но не на самой плате.
Пайка оплавлением — это процесс, при котором паяльная паста (смесь предварительно легированного порошка припоя и флюса, имеющего консистенцию, похожую на арахисовое масло [7] ) используется для приклеивания компонентов к их крепежным площадкам, после чего сборка нагревается инфракрасной лампой, карандашом с горячим воздухом или, что чаще, пропускается через тщательно контролируемую печь.
Поскольку разные компоненты лучше всего собирать разными методами, для одной печатной платы обычно используют два или более процессов. Например, детали для поверхностного монтажа могут быть припаяны первыми, затем следует процесс пайки волной для компонентов, монтируемых в сквозные отверстия , а более объемные детали припаиваются вручную в последнюю очередь.
Оплавление горячим стержнем — это процесс селективной пайки, при котором две предварительно флюсованные детали с припоем нагреваются с помощью нагревательного элемента (называемого термодом) до температуры, достаточной для плавления припоя.
Давление применяется на протяжении всего процесса (обычно 15 секунд), чтобы гарантировать, что компоненты остаются на месте во время охлаждения. Нагревательный элемент нагревается и охлаждается при каждом подключении. В нагревательном элементе можно использовать мощность до 4000 Вт , что позволяет быстро паять и получать хорошие результаты при соединениях, требующих высокой энергии. [34]
Экологическое законодательство во многих странах привело к изменению рецептуры как припоев, так и флюсов.
Директивы RoHS в Европейском сообществе требовали, чтобы к 1 июля 2006 года многие новые электронные платы не содержали свинца, в основном в промышленности потребительских товаров, но также и в некоторых других. В Японии производители отказались от использования свинца еще до принятия закона из-за дополнительных затрат на переработку продуктов, содержащих свинец. [35]
Водорастворимые флюсы без канифоли все чаще используются с 1980-х годов, чтобы паяные платы можно было очищать водой или очистителями на водной основе. Это исключает опасные растворители из производственной среды и заводских сточных вод.
Даже без присутствия свинца при пайке могут выделяться пары, вредные и/или токсичные для человека. Настоятельно рекомендуется использовать устройство, которое может удалять пары из рабочей зоны либо путем вентиляции снаружи, либо путем фильтрации воздуха. [36]
Бессвинцовая пайка требует более высоких температур, чем пайка свинцом/оловом. Эвтектический припой Sn Pb 63/37 плавится при183 °С . Бессвинцовый припой SAC плавится при217–220 °С . Тем не менее, в ходе этой попытки возникло множество новых технических проблем. Чтобы снизить температуру плавления припоев на основе олова, пришлось исследовать различные новые сплавы с добавками меди, серебра и висмута в качестве типичных второстепенных добавок для снижения температуры плавления и контроля других свойств. Кроме того, олово является более коррозийным металлом и в конечном итоге может привести к выходу из строя паяльных ванн [ необходимы пояснения ] . [35]
Бессвинцовая конструкция также распространилась на компоненты, контакты и разъемы. В большинстве этих булавок использовались медные рамки со свинцовой, оловянной, золотой или другой отделкой. Оловянные покрытия являются наиболее популярными из бессвинцовых покрытий. Тем не менее, возникает вопрос, как поступить с оловянными усами . Нынешнее движение возвращает электронную промышленность к проблемам, которые решались в 1960-х годах добавлением свинца. JEDEC создал систему классификации, чтобы помочь производителям электроники, не содержащей свинец, решить, какие меры следует принять против усов в зависимости от их применения.
