Пайка ( США : / ˈsɒdərɪŋ / ; Великобритания : / ˈs oʊl dərɪŋ / ) — это процесс соединения двух металлических поверхностей с использованием присадочного металла , называемого припоем . Процесс пайки включает в себя нагревание соединяемых поверхностей и расплавление припоя, которому затем дают остыть и затвердеть, создавая прочное и долговечное соединение .
Пайка широко применяется в электронной промышленности для изготовления и ремонта печатных плат (ПП) и других электронных компонентов. Она также применяется в сантехнике и металлообработке , а также в производстве ювелирных изделий и других декоративных изделий.
Припой, используемый в этом процессе, может различаться по составу, при этом для разных применений используются разные сплавы. Распространенные припойные сплавы включают олово-свинец, олово-серебро и олово-медь, среди прочих. 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, температура и способ нагрева также играют важную роль в процессе пайки. Различные типы припоя требуют разных температур для плавления, и нагрев должен тщательно контролироваться, чтобы избежать повреждения соединяемых материалов или создания слабых соединений.
Существует несколько методов нагрева, используемых при пайке, включая паяльники, горелки и термофены . Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, а выбор метода зависит от области применения и соединяемых материалов.
Пайка — важный навык для многих отраслей промышленности и хобби, и для достижения хороших результатов требуется сочетание технических знаний и практического опыта.
Существуют доказательства того, что пайка использовалась еще 5000 лет назад в Месопотамии. [1] Считается, что пайка и пайка мягким припоем появились очень рано в истории металлообработки, вероятно, до 4000 г. до н. э. [2] Шумерские мечи, датируемые примерно 3000 г. до н. э., собирались с помощью 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 пломбирования до изготовления ювелирных изделий и музыкальных инструментов.
Пайка обеспечивает достаточно прочные, но обратимые соединения между медными трубами в водопроводных системах, а также соединения в листовых металлических предметах, таких как консервные банки, кровельные гидроизоляционные покрытия , водосточные желоба и автомобильные радиаторы .
Детали ювелирных изделий, станки и некоторые компоненты холодильного и сантехнического оборудования часто собираются и ремонтируются с помощью высокотемпературного процесса пайки серебром. Небольшие механические детали также часто спаиваются или припаиваются. Пайка также используется для соединения свинцовой фольги 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 волной припоя или использование печей, позволяют выполнять множество соединений на сложной печатной плате за одну операцию, что значительно снижает себестоимость электронных устройств.
Музыкальные инструменты, особенно медные и деревянные духовые инструменты, используют комбинацию пайки и пайки твердым припоем при сборке. Латунные корпуса часто спаиваются, в то время как клавишные инструменты и распорки чаще всего спаиваются.
Паяемость подложки — это мера легкости, с которой можно выполнить паяное соединение с этим материалом.
Некоторые металлы паять легче, чем другие. Медь, цинк, латунь, серебро и золото паять легко. Железо, мягкая сталь и никель следуют по сложности. Из-за их тонкой, прочной оксидной пленки нержавеющая сталь и некоторые алюминиевые сплавы паять еще сложнее. Титан , магний , чугун , некоторые высокоуглеродистые стали , керамику и графит можно паять, но это включает в себя процесс, похожий на соединение карбидов: сначала они покрываются подходящим металлическим элементом, который вызывает межфазную связь.
Припойные материалы доступны во многих различных сплавах для различных применений. В сборке электроники эвтектический сплав с 63% олова и 37% свинца (или 60/40, что почти идентично по температуре плавления) был сплавом выбора. Другие сплавы используются для сантехники, механической сборки и других применений. Некоторые примеры мягкого припоя: олово-свинец для общего назначения, 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.
Эвтектическая формула имеет преимущества при пайке: температуры ликвидуса и солидуса одинаковы, поэтому пластичная фаза отсутствует, и она имеет самую низкую возможную температуру плавления. Наличие самой низкой возможной температуры плавления минимизирует тепловую нагрузку на электронные компоненты во время пайки. А отсутствие пластичной фазы обеспечивает более быстрое смачивание при нагревании припоя и более быструю установку при охлаждении припоя. Неэвтектическая формула должна оставаться неподвижной при падении температуры через температуры ликвидуса и солидуса. Любое движение во время пластичной фазы может привести к трещинам, что приведет к ненадежному соединению.
Ниже перечислены распространенные формулы припоя на основе олова и свинца. Дробь представляет собой процентное содержание сначала олова, затем свинца, в сумме 100%:
По экологическим причинам и в связи с введением таких правил, как Европейская директива RoHS (Ограничение содержания опасных веществ ), бессвинцовые припои становятся все более широко используемыми. Их также рекомендуют использовать везде, где могут контактировать маленькие дети (поскольку маленькие дети, скорее всего, будут класть вещи 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, плавясь при температуре около 220 °C (428 °F), [3] что затрудняет создание надежных соединений с их помощью.
Другие распространенные припои включают низкотемпературные составы (часто содержащие висмут ), которые часто используются для соединения ранее спаянных узлов без распайки более ранних соединений, и высокотемпературные составы (обычно содержащие серебро ), которые используются для высокотемпературных операций или для первой сборки элементов, которые не должны распаиваться во время последующих операций. Сплав серебра с другими металлами изменяет температуру плавления, адгезионные и смачивающие характеристики, а также прочность на разрыв. Из всех припоев серебряные припои имеют наибольшую прочность и самое широкое применение. [4] Специальные сплавы доступны с такими свойствами, как более высокая прочность, способность паять алюминий, лучшая электропроводность и более высокая коррозионная стойкость. [5]
Существует три вида пайки, каждый из которых требует все более высоких температур и обеспечивает все большую прочность соединения:
Сплав присадочного металла для каждого типа пайки можно регулировать, чтобы изменять температуру плавления присадочного металла. Пайка существенно отличается от склеивания тем, что присадочные металлы напрямую соединяются с поверхностями деталей в месте соединения, образуя соединение, которое является как электропроводящим, так и газо- и жидконепроницаемым. [7]
Мягкая пайка характеризуется температурой плавления присадочного металла ниже примерно 400 °C (752 °F), [8] тогда как серебряная пайка и пайка твердым припоем используют более высокие температуры, обычно требующие пламени или угольной дуговой горелки для плавления присадочного металла. Мягкие припои обычно представляют собой сплавы (часто содержащие свинец ), которые имеют температуру ликвидуса ниже 350 °C (662 °F).
В этом процессе пайки к соединяемым частям подается тепло, в результате чего припой плавится и связывается с заготовками в процессе поверхностного сплавления, называемом смачиванием . В многожильных проводах припой втягивается в провод между жилами за счет капиллярного действия в процессе, называемом «затеканием». Капиллярное действие также имеет место, когда заготовки находятся очень близко друг к другу или соприкасаются. Прочность соединения на разрыв зависит от используемого присадочного металла; при электропайке небольшая прочность на разрыв возникает из-за добавленного припоя, поэтому рекомендуется скручивать или складывать провода вместе перед пайкой, чтобы обеспечить некоторую механическую прочность соединения. Хорошее паяное соединение создает электропроводящее, водо- и газонепроницаемое соединение.
Каждый тип припоя имеет свои преимущества и недостатки. Мягкий припой так называется из-за мягкого свинца, который является его основным ингредиентом. Мягкая пайка использует самые низкие температуры (и поэтому меньше всего термически нагружает компоненты), но не создает прочного соединения и не подходит для механических несущих нагрузку приложений. Она также не подходит для высокотемпературных приложений, так как теряет прочность и в конечном итоге плавится. Серебряная пайка, используемая ювелирами, машинистами и в некоторых сантехнических приложениях, требует использования горелки или другого источника высокой температуры и намного прочнее мягкой пайки. Пайка обеспечивает самые прочные из несварных соединений, но также требует самых высоких температур для расплавления присадочного металла, требуя горелку или другой источник высокой температуры и затемненные очки для защиты глаз от яркого света, создаваемого раскаленной добела работой. Ее часто используют для ремонта чугунных предметов, кованой мебели и т. д.
Операции пайки можно выполнять ручными инструментами, по одному соединению за раз или массово на производственной линии. Ручная пайка обычно выполняется паяльником , паяльником или горелкой, а иногда и карандашом с горячим воздухом. Листовые работы традиционно выполнялись с помощью «паяльных медей», 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 одних и тех же элементов очистки металлических деталей, которые должны быть соединены, подгонки соединения, нагрева деталей, нанесения флюса, нанесения присадки, отвода тепла и удерживания сборки в неподвижном состоянии до полного затвердевания присадочного металла. В зависимости от природы используемого флюсового материала и области применения может потребоваться очистка соединения после его охлаждения.
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 припоя, который используется. Некоторые мягкие припои представляют собой «серебряносодержащие» сплавы, используемые для пайки посеребренных предметов. Припои на основе свинца не следует использовать для драгоценных металлов, поскольку свинец растворяет металл и портит его.
Различие между пайкой и пайкой твердым припоем основано на температуре плавления припоя. Температура 450 °C обычно используется в качестве практической границы между пайкой и пайкой твердым припоем. Мягкую пайку можно выполнять с помощью нагретого паяльника, тогда как другие методы обычно требуют более высокой температуры горелки или печи для расплавления припоя.
Обычно требуется другое оборудование, поскольку паяльник не может достичь достаточно высоких температур для твердой пайки или пайки твердым припоем. Припой для пайки прочнее серебряного припоя, который прочнее мягкого припоя на основе свинца. Припои для пайки разрабатываются в первую очередь для 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 используемая температура (для предотвращения теплового повреждения электронных компонентов и изоляции).
Так как соединение производится с использованием металла с более низкой температурой плавления, чем заготовка, соединение ослабевает по мере приближения температуры окружающей среды к температуре плавления присадочного металла. По этой причине более высокотемпературные процессы производят соединения, которые эффективны при более высоких температурах. Паяные соединения могут быть такими же прочными 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 описывается как легкий, средний или твердый 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 740 °C (1370 °F). Если необходимо несколько соединений, то ювелир начнет с твердого или сверхтвердого припоя и перейдет на припои с более низкой температурой для последующих соединений.
Серебряный припой в некоторой степени поглощается окружающим металлом, в результате чего соединение оказывается прочнее, чем соединяемый металл. Соединяемый металл должен быть идеально ровным, так как серебряный припой обычно не может использоваться в качестве наполнителя и не заполняет зазоры.
Другое различие между пайкой и пайкой заключается в том, как наносится припой. При пайке обычно используются стержни, которые прикасаются к соединению во время нагрева. При пайке серебром небольшие кусочки припойной проволоки помещаются на металл перед нагреванием. Флюс, часто изготавливаемый из борной кислоты и денатурированного спирта, используется для поддержания чистоты металла и припоя и предотвращения перемещения припоя до его расплавления.
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 будет течь прямо вверх вдоль шва.
Ряд припоев, в первую очередь цинковые сплавы, используются для пайки алюминия и сплавов и в меньшей степени стали и цинка. Эта механическая пайка похожа на операцию низкотемпературной пайки, в которой механические характеристики соединения достаточно хороши, и ее можно использовать для структурного ремонта этих материалов.
Американское общество сварки определяет пайку как использование присадочных металлов с температурой плавления более 450 °C (842 °F) — или, согласно традиционному определению в Соединенных Штатах, более 800 °F (427 °C). Алюминиевые припои обычно имеют температуру плавления около 730 °F (388 °C). [11] Эта операция пайки/пайки может использовать источник тепла в виде пропановой горелки. [12]
Эти материалы часто рекламируются как «сварка алюминия», но этот процесс не подразумевает плавления основного металла и, следовательно, не является сваркой в полном смысле этого слова.
Военный стандарт США или спецификация MIL-SPEC MIL-R-4208 определяет один стандарт для этих сплавов для пайки/пайки на основе цинка. [13] Ряд продуктов соответствуют этой спецификации. [12] [14] [15] или очень похожим стандартам производительности. [11]
Целью флюса является облегчение процесса пайки. Одним из препятствий для успешного паяного соединения является примесь в месте соединения; например, грязь, масло или окисление . Примеси можно удалить механической очисткой или химическими средствами, но повышенные температуры, необходимые для расплавления присадочного металла (припоя), побуждают заготовку (и припой) повторно окисляться. Этот эффект усиливается по мере повышения температуры пайки и может полностью предотвратить соединение припоя с заготовкой. Одной из самых ранних форм флюса был древесный уголь , который действует как восстановитель и помогает предотвратить окисление в процессе пайки. Некоторые флюсы выходят за рамки простого предотвращения окисления и также обеспечивают некоторую форму химической очистки (коррозии). Многие флюсы также действуют как смачивающий агент в процессе пайки, [16] уменьшая поверхностное натяжение расплавленного припоя и заставляя его течь и смачивать заготовки легче.
В течение многих лет наиболее распространенным типом флюса, используемого в электронике (мягкая пайка), был флюс на основе канифоли , из отборных сосновых деревьев . Он был почти идеальным, так как был некоррозионным и непроводящим при нормальных температурах, но становился умеренно реактивным (коррозионным) при повышенных температурах пайки. Сантехнические и автомобильные приложения, среди прочего, обычно используют флюс на основе кислоты ( соляной кислоты ), который обеспечивает довольно агрессивную очистку соединения. Эти флюсы нельзя использовать в электронике, потому что их остатки являются проводящими, что приводит к непреднамеренным электрическим соединениям, и 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 смывать.
Флюсы для мягкой пайки в настоящее время доступны в трех основных формулах:
Для достижения наилучших результатов необходимо тщательно оценить эффективность флюса; очень мягкий «не требующий отмывки» флюс может оказаться вполне приемлемым для производственного оборудования, но не обеспечить адекватной эффективности для более разнообразных операций ручной пайки.
Различные типы паяльных инструментов изготавливаются для конкретных применений. Необходимое тепло может быть получено от сжигания топлива или от электрического нагревательного элемента или путем пропускания электрического тока через спаиваемый предмет. Другой метод пайки заключается в размещении припоя и флюса в местах соединений спаиваемого предмета, а затем нагревании всего предмета в печи для расплавления припоя; тостеры и ручные инфракрасные фонари использовались любителями для воспроизведения производственных процессов пайки в гораздо меньших масштабах. Третий метод пайки заключается в использовании припойной ванны , 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, через которую деталь быстро проходит. Пайка волной припоя использует поверхностное натяжение , чтобы не дать припою перекрыть изолирующие зазоры между медными линиями покрытых флюсом печатных плат / печатных плат .
Электрический паяльник широко используется для ручной пайки, он состоит из нагревательного элемента , контактирующего с «железом» (большая масса металла, обычно меди), который контактирует с рабочим наконечником из меди. Обычно паяльники могут быть оснащены различными наконечниками, от тупых до очень тонких, до зубильных головок для горячей резки пластика, а не пайки. Простые медные наконечники подвержены эрозии/растворению в горячем припое и могут быть покрыты чистым железом, чтобы предотвратить это. Самые простые паяльники не имеют регулировки температуры. Маленькие паяльники быстро остывают, когда используются для пайки, скажем, металлического шасси, в то время как большие паяльники имеют слишком громоздкие наконечники для работы с печатными платами (ПП) и подобной тонкой работы. 25-ваттный паяльник не даст достаточно тепла для больших электрических разъемов, соединения медной кровли или большого витражного вывода. С другой стороны, 100-ваттный паяльник может дать слишком много тепла для ПП. Утюги с регулируемой температурой имеют запас мощности и могут поддерживать температуру в широком диапазоне работ.
Паяльник очень быстро нагревает медный наконечник небольшого сечения, проводя через него большой переменный ток с помощью одновиткового трансформатора большого сечения; затем медный наконечник проводит тепло к детали, как и другие паяльники. Паяльник будет больше и тяжелее паяльника с нагревательным элементом той же мощности из-за встроенного трансформатора.
Газовые паяльники, использующие каталитический наконечник для небольшого нагрева без пламени, используются для портативных приложений. Пистолеты и карандаши с горячим воздухом позволяют переделывать пакеты компонентов (например, поверхностно монтируемые устройства), которые нелегко выполнить с помощью электрических паяльников и пистолетов.
Для неэлектронных применений паяльные горелки используют пламя, а не паяльный наконечник для нагрева припоя. Паяльные горелки часто работают на бутане [19] и доступны в размерах от очень маленьких бутаново-кислородных установок, подходящих для очень тонкой, но высокотемпературной ювелирной работы, до полноразмерных кислородно-топливных горелок, подходящих для гораздо более крупных работ, таких как медные трубы. Обычные многоцелевые пропановые горелки, такие же, как для термоудаления краски и размораживания труб, могут использоваться для пайки труб и других довольно больших объектов как с насадкой для паяльника, так и без нее; трубы обычно паяют горелкой, напрямую прикладывая открытое пламя.
Паяльник — это инструмент с большой медной головкой и длинной ручкой, который нагревается небольшим прямым пламенем и используется для подачи тепла на листовой металл, такой как луженая сталь, для пайки. Типичные паяльники имеют головки весом от одного до четырех фунтов. Головка обеспечивает большую тепловую массу для хранения достаточного количества тепла для пайки больших поверхностей до необходимости повторного нагрева на огне; чем больше головка, тем дольше рабочее время. Медную поверхность инструмента необходимо постоянно очищать и повторно покрывать оловом во время использования. Исторически паяльники были стандартными инструментами, используемыми в кузовном ремонте автомобилей, хотя кузовной припой в основном был заменен точечной сваркой для механического соединения и неметаллическими наполнителями для контурирования.
Во время Второй мировой войны и некоторое время после нее силы УСО использовали небольшие пиротехнические самоспаянные соединения для создания соединений для дистанционного подрыва взрывчатых веществ для подрыва и саботажа. Они состояли из небольшой медной трубки, частично заполненной припоем, и медленно горящего пиротехнического состава, обернутого вокруг трубки. Провода, которые нужно было соединить, вставлялись в трубку, а небольшая капля воспламеняющего состава позволяла чиркнуть устройством как спичкой, чтобы поджечь пиротехнику и нагреть трубку достаточно долго, чтобы расплавить припой и сделать соединение. [ необходима цитата ]
Лазерная пайка — это метод, при котором лазер мощностью 30–50 Вт используется для расплавления 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]
Длина волны обычно составляет от 808 нм до 980 нм. Луч доставляется через оптоволокно к заготовке с диаметром волокна 800 мкм и меньше. Поскольку луч из конца волокна быстро расходится, используются линзы для создания подходящего размера пятна на заготовке на подходящем рабочем расстоянии. Для подачи припоя используется устройство подачи проволоки. [22]
Можно паять как свинцово-оловянный, так и серебряно-оловянный материал. Рецепты процесса будут различаться в зависимости от состава сплава . Для пайки 44-контактных держателей чипов к плате с использованием паяльных заготовок уровни мощности были порядка 10 Вт, а время пайки — примерно 1 секунда. Низкие уровни мощности могут привести к неполному смачиванию и образованию пустот, что может ослабить соединение.
Фотонная пайка — относительно новый процесс, который использует широкополосный свет от быстро пульсирующих ламп-вспышек для пайки компонентов на печатной плате. [23] Потребление энергии примерно на 85% меньше, чем у печи оплавления, в то время как производительность выше, а площадь основания меньше. Это похоже на фотонное отверждение , в том смысле, что спаиваемые компоненты нагреваются, в то время как подложка остается относительно холодной. [24] Это позволяет использовать высокотемпературные припои, такие как SAC305 , даже на термически хрупких подложках, таких как ПЭТ, целлюлоза и ткани. [25] Вся печатная плата может быть обработана за несколько секунд. В некоторых случаях используются маски, но это также может быть выполнено 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, которые генерируют тепло из-за более высокого сопротивления соединения по сравнению с окружающим металлом ( резистивный нагрев ). Эти медные катушки могут быть сформированы для более точного соответствия соединению. Присадочный металл (припой) помещается между обращенными поверхностями, и этот припой плавится при довольно низкой температуре. При индукционной пайке обычно используются флюсы. Этот метод особенно подходит для непрерывной пайки, в этом случае эти катушки оборачиваются вокруг цилиндра или трубы, которые необходимо спаять.
Инфракрасная пайка с фокусировкой волокон — это метод, при котором множество инфракрасных источников пропускаются через волокна , а затем фокусируются в одной точке, в которой происходит пайка соединения. [26] [ проверка не удалась ]
Пайка сопротивлением — это пайка, при которой тепло, необходимое для расплавления припоя, создается путем пропускания электрического тока через свариваемые детали. При прохождении электрического тока через любой металл выделяется тепло; когда этот ток ограничивается меньшей площадью поперечного сечения, тепло, вырабатываемое во всей цепи, концентрируется в части с уменьшенной площадью поперечного сечения. Ток, осуществляющий нагрев, подается электродами или наконечниками, запитанными от источника низкого напряжения (разомкнутой цепи), обычно 2–7 вольт. Они могут быть похожи на пинцет для общих соединений или иметь специальную форму для контакта с деталями, расположенными близко друг к другу.
Резистивная пайка отличается от использования проводящего паяльника, где 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 горячим между паяными соединениями. Теплопередача может быть затруднена, если наконечник не смачивается должным образом во время использования. При резистивной пайке интенсивное тепло может быстро вырабатываться непосредственно в области соединения и строго контролироваться. Это позволяет быстрее набирать необходимую температуру расплава припоя и минимизирует тепловое перемещение от паяного соединения, что помогает минимизировать вероятность термического повреждения материалов или компонентов в окружающей области. Тепло вырабатывается только во время выполнения каждого соединения, что делает резистивную пайку более энергоэффективной. Благодаря этим преимуществам резистивная пайка распространена в отраслях, где паяют в небольших пространствах, таких как разъемы и клеммы проводов , и где требуется высокая мощность, например, при распайке автомобильных деталей. [27]
Оборудование для пайки сопротивлением, в отличие от кондуктивных паяльников, может использоваться для сложных пайки и пайки твердым припоем, где могут потребоваться значительно более высокие температуры. Это делает сопротивление сопоставимым с пламенной пайкой в некоторых ситуациях, 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 припойной ванны и активного припоя, содержащего активный элемент, чаще всего титан , цирконий или хром . [28] Активные элементы, благодаря механической активации, реагируют с поверхностью материалов, которые обычно считаются трудно поддающимися пайке 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 — обычно вводится как усилитель смачивания. Механическая активация, необходимая для активной пайки, может быть выполнена путем чистки (например, с использованием щетки из нержавеющей проволоки или стального шпателя) или ультразвуковой вибрации (20–60 кГц). Было показано, что активная пайка эффективно связывает керамику, [28] алюминий, титан, кремний, [29] графит и структуры на основе углеродных нанотрубок [30] при температурах ниже 450 °C или с использованием защитной атмосферы.
Медная труба, или «трубка», обычно соединяется пайкой. При использовании в сантехническом контексте в Соединенных Штатах пайка часто называется « потением» , а трубное соединение, выполненное таким образом, называется « потевшим соединением» .
За пределами США «выпаиванием» называют соединение плоских металлических поверхностей с помощью двухэтапного процесса, при котором припой сначала наносится на одну поверхность, затем эта первая деталь помещается на вторую поверхность, и обе поверхности повторно нагреваются для достижения желаемого соединения.
Медные трубки отводят тепло гораздо быстрее, чем обычный ручной паяльник или пистолет, поэтому для подачи необходимой мощности чаще всего используется пропановая горелка ; для трубок и фитингов больших размеров используется горелка 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 много тепла разрушает закалку закаленных медных трубок и может выжечь флюс из соединения до добавления припоя, что приведет к неисправному соединению. Для трубок большего размера используется горелка, оснащенная различными размерами сменных завихряющихся наконечников, для подачи необходимой мощности нагрева. В руках опытного мастера более горячее пламя ацетилена, МАПП или пропилена позволяет выполнять больше соединений в час без повреждения закалки меди.
Однако можно использовать электрический инструмент для пайки соединений медных труб размером от 8 до 22 мм ( от 3 ⁄ 8 до 7 ⁄ 8 дюйма). Например, Antex Pipemaster рекомендуется использовать в ограниченном пространстве, когда открытое пламя опасно, или для пользователей, которые делают все сами . Инструмент, похожий на плоскогубцы, использует нагретые подогнанных 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 скольжения по внешней стороне сопрягаемой трубы. Обычно используемые фитинги включают прямые соединители, редукторы, изгибы и тройники. Существует два типа фитингов под пайку: «фитинги с концевой подачей», которые не содержат припоя, и « фитинги с кольцевым припоем » (также известные как йоркширские фитинги), в которых в небольшом круглом углублении внутри фитинга находится кольцо припоя.
Как и в случае со всеми паяными соединениями, все соединяемые части должны быть чистыми и свободными от окислов. Внутренние и внешние проволочные щетки доступны для обычных размеров труб и фитингов; также часто используются наждачная бумага и проволочная вата, хотя изделия из металлической ваты не рекомендуются, так как они могут содержать масло, которое может загрязнить соединение.
Из-за размера задействованных деталей, а также высокой активности и тенденции к загрязнению пламени, сантехнические флюсы обычно гораздо более химически активны и часто более кислые, чем электронные флюсы. Поскольку сантехнические соединения могут быть выполнены под любым углом, даже вверх дном, сантехнические флюсы обычно формулируются как пасты, которые остаются на месте лучше, чем жидкости. Флюс наносится на все поверхности соединения, как внутри, так и снаружи. Остатки флюса удаляются после завершения соединения, чтобы предотвратить эрозию и выход из строя соединения.
Доступно множество формул сантехнических припоев с различными характеристиками, такими как более высокая или более низкая температура плавления, в зависимости от конкретных требований работы. Строительные нормы в настоящее время почти повсеместно требуют использования бессвинцового припоя для питьевых водопроводных труб (а также флюс должен быть одобрен для применения в питьевой воде), хотя традиционный оловянно-свинцовый припой все еще доступен. Исследования показали, что свинцовая пайка сантехнических труб может привести к повышению уровня свинца в питьевой воде. [32] [33]
Так как медная труба быстро отводит тепло от стыка, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы обеспечить надлежащий прогрев стыка для получения хорошего соединения. После того, как стык будет должным образом очищен, обработан флюсом и установлен, пламя горелки направляется на самую толстую часть стыка, как правило, на фитинг с трубой внутри него, а припой наносится на зазор между трубкой и фитингом. Когда все части прогреты, припой расплавится и потечет в стык за счет капиллярного эффекта. Возможно, придется перемещать горелку вокруг стыка, чтобы убедиться, что все области смочены. Однако установщик должен следить за тем, чтобы не перегреть паяемые области. Если трубка начинает обесцвечиваться, это означает, что трубка была перегрета и начинает окисляться, останавливая поток припоя и приводя к тому, что паяное соединение не будет герметично закрытым должным образом. До окисления расплавленный припой будет следовать за теплом горелки вокруг стыка. Когда соединение должным образом смачивается, припой, а затем и тепло удаляются, и пока соединение еще очень горячее, его обычно протирают сухой тряпкой. Это удаляет излишки припоя, а также остатки флюса, прежде чем он остынет и затвердеет. При кольцевом паяном соединении соединение нагревают до тех пор, пока вокруг края фитинга не станет видно кольцо расплавленного припоя, и дают ему остыть.
Из трех методов соединения медных трубок паяные соединения требуют наибольшего мастерства, однако пайка меди является очень надежным процессом при соблюдении некоторых основных условий:
Медь — единственный материал, который соединяется таким образом. Латунные фитинги часто используются для клапанов или в качестве соединительного фитинга между медью и другими металлами. Латунные трубы спаиваются таким образом при изготовлении духовых инструментов и некоторых деревянных духовых инструментов (саксофон и флейта)
Проволочная щетка , проволочная вата и наждачная шкурка обычно используются для подготовки сантехнических соединений к соединению. Щетинные щетки обычно используются для нанесения сантехнического пастообразного флюса. Тяжелая тряпка обычно используется для удаления флюса с сантехнического соединения до того, как он остынет и затвердеет. Также можно использовать стекловолоконную щетку.
При пайке труб, тесно 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 мокрая ткань, обернутая вокруг клапана, часто может отвести достаточно тепла через кипящую воду, чтобы защитить клапан. [ необходима ссылка ]
При соединении медных трубок ненадлежащий нагрев и заполнение стыка может привести к образованию «пустоты». Обычно это происходит из-за неправильного размещения пламени. Если тепло пламени не направлено на заднюю часть чаши фитинга, а припойная проволока приложена под углом [ количественно ] к пламени, то припой быстро заполнит отверстие фитинга, удерживая часть флюса внутри стыка. Этот пузырек захваченного флюса и есть пустота; область внутри паяного соединения, где припой не может полностью заполнить чашу фитинга, потому что флюс запечатывается внутри стыка, не давая припою занять это пространство.
Исторически наконечники для пайки цветного стекла были медными, нагреваемыми путем помещения в жаровню с древесным углем . Использовалось несколько наконечников; когда один наконечник остывал после использования, его помещали обратно в жаровню с древесным углем и использовали следующий наконечник.
В последнее время используются паяльники с электрическим нагревом. Они нагреваются спиралью или керамическим нагревательным элементом внутри наконечника паяльника. Доступны различные номинальные мощности, а температура может контролироваться электроникой. Эти характеристики позволяют использовать более длинные бусины, не прерывая работу для смены наконечников. Паяльники, предназначенные для электронного использования, часто эффективны, хотя иногда они недостаточно мощные для тяжелой меди и свинца, которые использовались в работе с витражами. Олеиновая кислота — классический флюсовый материал, который используется для улучшения паяемости.
Витражи типа Тиффани изготавливаются путем оклеивания краев стеклянных деталей медной фольгой и последующей их пайки. Этот метод позволяет создавать объемные витражи.
Для крепления электронных компонентов к печатной плате правильный выбор и использование флюса помогает предотвратить окисление во время пайки; он необходим для хорошего смачивания и теплопередачи. Наконечник паяльника должен быть чистым и предварительно залуженным припоем для обеспечения быстрой теплопередачи.
Электронные соединения обычно выполняются между поверхностями, которые были покрыты оловом и редко требуют механической очистки, хотя потускневшие выводы компонентов и медные дорожки с темным слоем оксидной пассивации (из-за старения), как на новой прототипной плате, которая пролежала на полке около года или больше, могут нуждаться в механической очистке.
Для упрощения пайки новичкам обычно советуют наносить паяльник и припой на соединение по отдельности, а не наносить припой непосредственно на паяльник. Когда нанесено достаточно припоя, припойная проволока удаляется. Когда поверхности достаточно нагреты, припой будет растекаться по заготовкам. Затем паяльник удаляется из соединения.
Если все металлические поверхности не были должным образом очищены («обработаны флюсом») или не были полностью доведены до температуры выше температуры плавления используемого припоя, результатом будет ненадежное соединение («холодная пайка»), даже если его внешний вид может свидетельствовать об обратном.
Избыток припоя, неизрасходованный флюс и остатки иногда вытираются с жала паяльника между соединениями. Наконечник паяльника (обычно покрытый железом для уменьшения эрозии) смачивается припоем («луженый»), когда он горячий, чтобы облегчить пайку и минимизировать окисление и коррозию самого жала.
После установки компонента, монтируемого в сквозное отверстие , излишки вывода отрезаются, оставляя длину, примерно равную радиусу контактной площадки.
Методы ручной пайки требуют большого мастерства для мелкой пайки корпусов микросхем поверхностного монтажа . В частности, устройства BGA ( ball grid array ) печально известны тем, что их трудно, если не невозможно, переделывать вручную.
В процессе пайки могут возникнуть различные проблемы, которые приводят к тому, что соединения перестают функционировать сразу или после определенного периода использования.
Наиболее распространенный дефект при ручной пайке возникает, когда соединяемые детали не превышают температуру ликвидуса припоя, что приводит к соединению «холодной пайки». Обычно это происходит из-за того, что паяльник используется для непосредственного нагрева припоя, а не самих деталей. При правильном выполнении паяльник нагревает соединяемые детали, которые в свою очередь расплавляют припой, гарантируя достаточное количество тепла в соединяемых деталях для полного смачивания. Если используется проволочный припой со встроенным флюсовым сердечником, то предварительный нагрев припоя может привести к испарению флюса до того, как он очистит паяемые поверхности.
Холоднопаянное соединение может вообще не проводить ток или проводить ток только периодически. Холоднопаянные соединения также встречаются в массовом производстве и являются частой причиной оборудования, которое проходит испытания, но выходит из строя иногда после многих лет эксплуатации.
«Сухое соединение» возникает, когда остывающий припой перемещается. Поскольку неэвтектические припойные сплавы имеют небольшой пластический диапазон, соединение нельзя перемещать, пока припой не остынет до температур ликвидуса и солидуса. Сухие соединения часто возникают, когда соединение перемещается, когда паяльник отводится от соединения. Они механически слабы и являются плохими проводниками электричества.
Для ручной пайки инструмент источника тепла выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для размера соединения, которое должно быть выполнено. Паяльник мощностью 100 Вт может обеспечить слишком много тепла для печатных плат (ПП), в то время как паяльник мощностью 25 Вт не обеспечит достаточно тепла для больших электрических разъемов.
Использование инструмента со слишком высокой температурой может повредить чувствительные компоненты, но длительный нагрев слишком холодным или недостаточно мощным инструментом также может привести к тепловому повреждению. Чрезмерный нагрев печатной платы может привести к расслоению — медные дорожки могут фактически оторваться от подложки, особенно на односторонних печатных платах без металлизации сквозных отверстий .
При ручной пайке можно использовать радиатор , например, зажим типа «крокодил», на выводах термочувствительных компонентов, чтобы уменьшить передачу тепла к компонентам и избежать их повреждения. Это особенно применимо к германиевым деталям.
Теплоотвод ограничивает температуру корпуса компонента, поглощая и рассеивая тепло, уменьшая тепловое сопротивление между компонентом и воздухом. Между тем, тепловое сопротивление выводов поддерживает разницу температур между частью выводов, которая паяется, и корпусом компонента. Таким образом, выводы становятся достаточно горячими, чтобы расплавить припой, в то время как корпус компонента остается более холодным. Теплоотвод будет означать использование большего количества тепла для завершения соединения, поскольку тепло, поглощаемое радиатором, не будет нагревать рабочие детали.
Компоненты, которые рассеивают большое количество тепла во время работы, иногда приподнимаются над печатной платой, чтобы избежать перегрева печатной платы. Пластиковые или металлические монтажные зажимы или держатели могут использоваться с большими устройствами, чтобы способствовать рассеиванию тепла и снизить напряжение в соединениях.
При визуальном осмотре хорошее паяное соединение будет выглядеть гладким, ярким и блестящим, с четко видимым контуром спаянного провода. В общем, хорошо выглядящее паяное соединение — это хорошее соединение.
Матово-серая поверхность является хорошим индикатором соединения, которое было перемещено во время пайки. Сухое соединение имеет характерный тусклый или зернистый вид сразу после выполнения соединения. Этот вид вызван кристаллизацией жидкого припоя. Слишком мало припоя приведет к сухому и ненадежному соединению.
Холодные паяные соединения тусклые, иногда потрескавшиеся или в оспинах. Если в соединении есть комки или шарики блестящего припоя, металл не смочен должным образом. Слишком много припоя (знакомая новичкам «капля припоя») не обязательно некачественно, но, как правило, означает плохое смачивание.
Идеальным вариантом является вогнутая галтель. Граница между припоем и заготовкой в хорошем соединении будет иметь малый угол. Это указывает на хорошее смачивание и минимальное использование припоя, а значит, и минимальный нагрев термочувствительных компонентов. Соединение может быть хорошим, но если используется большое количество ненужного припоя, то, очевидно, требовался избыточный нагрев.
Формулы припоя без свинца могут остывать до матовой поверхности, даже если соединение хорошее. Припой выглядит блестящим, пока расплавлен, и внезапно мутнеет, когда затвердевает, даже если он не был потревожен во время охлаждения.
Неправильно выбранный или примененный флюс может привести к поломке соединения. Без флюса соединение может быть нечистым или может окислиться, что приведет к некачественному соединению.
Для электронных работ обычно используется проволочный припой с флюсовым сердечником, но можно использовать дополнительный флюс из флюсового карандаша или дозировать его из небольшого флакона с помощью иглы, похожей на шприц.
Некоторые флюсы разработаны так, чтобы быть стабильными и неактивными в холодном состоянии и не нуждаться в очистке, хотя при желании это можно сделать. Если используются такие флюсы, очистка может быть просто вопросом эстетики или для облегчения визуального осмотра соединений в специализированных «критически важных» приложениях, таких как медицинские приборы, военная и аэрокосмическая промышленность. Для спутников это также уменьшит вес, немного, но полезно. При высокой влажности, поскольку даже некоррозионный флюс может оставаться слегка активным, флюс можно удалить, чтобы уменьшить коррозию с течением времени.
Некоторые флюсы едкие, и остатки флюса необходимо удалить после пайки. Если не очистить их должным образом, флюс может разъесть соединение или печатную плату. Вода, спирт, ацетон или другие растворители, совместимые с флюсом и деталями, обычно используются с ватными тампонами или щетинными щетками.
В некоторых случаях печатная плата может быть также покрыта каким-либо защитным материалом, например, лаком, для защиты ее и открытых паяных соединений от воздействия окружающей среды.
Использованный припой содержит некоторые растворенные базовые металлы и не подходит для повторного использования при создании новых соединений. После того, как емкость припоя для базового металла будет достигнута, он больше не будет должным образом соединяться с базовым металлом, что обычно приводит к хрупкому холодному паяному соединению с кристаллическим внешним видом.
Хорошей практикой является удаление припоя из соединения перед повторной пайкой — можно использовать оплетки для удаления припоя (или фитили) или вакуумное оборудование для удаления припоя ( припойные отсосы ). Фитили для удаления припоя содержат много флюса, который удалит окисление с медной дорожки и любых имеющихся выводов устройства. Это оставит яркое, блестящее, чистое соединение для повторной пайки.
Более низкая температура плавления припоя означает, что его можно расплавить от основного металла, оставив его в основном нетронутым, хотя внешний слой будет "облужен" припоем. Остается флюс, который можно легко удалить абразивными или химическими процессами. Этот облуженный слой позволит припою течь на новое соединение, в результате чего получится новое соединение, а также сделает новый припой текущим очень быстро и легко.
В настоящее время печатные платы массового производства в основном монтируются методом пайки волной или оплавлением припоя , хотя ручная пайка в производственной электронике также по-прежнему широко применяется.
При пайке волной припоя компоненты подготавливаются (обрезаются или модифицируются) и устанавливаются на печатную плату. Иногда, чтобы предотвратить перемещение, их временно удерживают на месте небольшими каплями клея или закрепляют с помощью приспособления, затем сборку пропускают над текущим припоем в контейнере для пайки. Этот поток припоя вынужден создавать стоячую волну , так что вся печатная плата не погружается в припой, а лишь касается его. В результате припой остается на штырьках и контактных площадках, но не на самой печатной плате.
Пайка оплавлением припоя — это процесс, при котором паяльная паста (смесь предварительно легированного припойного порошка и флюса-носителя, имеющая консистенцию, похожую на арахисовое масло [7] ) используется для приклеивания компонентов к их контактным площадкам, после чего сборка нагревается инфракрасной лампой, стержнем горячего воздуха или, что более распространено, путем пропускания ее через тщательно контролируемую печь.
Поскольку различные компоненты лучше всего собирать с помощью разных методов, для одной печатной платы обычно используют два или более процессов. Например, поверхностные детали могут быть сначала спаяны оплавлением, затем следует процесс пайки волной для компонентов, монтируемых в отверстия , а более объемные детали паяются вручную в последнюю очередь.
Оплавление припоя горячим припоем — это селективный процесс пайки, при котором две предварительно обработанные флюсом и покрытые припоем детали нагреваются нагревательным элементом (называемым термодом) до температуры, достаточной для расплавления припоя.
Давление применяется в течение всего процесса (обычно 15 секунд), чтобы гарантировать, что компоненты остаются на месте во время охлаждения. Нагревательный элемент нагревается и охлаждается для каждого соединения. В нагревательном элементе может использоваться до 4000 Вт , что позволяет быстро производить пайку, хорошие результаты с соединениями, требующими большого количества энергии. [34]
Экологическое законодательство во многих странах привело к изменению рецептур как припоев, так и флюсов.
Директивы RoHS в Европейском сообществе требовали, чтобы многие новые электронные платы были без свинца к 1 июля 2006 года, в основном в потребительской промышленности, но и в некоторых других. В Японии свинец был постепенно выведен из обращения производителями до принятия законодательства из-за дополнительных расходов на переработку продуктов, содержащих свинец. [35]
Водорастворимые флюсы на основе неканифоли 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 из заводских стоков.
Даже без присутствия свинца пайка может выделять пары, которые вредны и/или токсичны для человека. Настоятельно рекомендуется использовать устройство, которое может удалять пары из рабочей зоны либо путем проветривания снаружи, либо путем фильтрации воздуха. [36]
Пайка без свинца требует более высоких температур пайки, чем пайка свинцом/оловом. Эвтектический припой Sn Pb 63/37 плавится при183 °C . Бессвинцовый припой SAC плавится при217–220 °C . Тем не менее, в связи с этим начинанием возникло много новых технических проблем. Чтобы снизить температуру плавления припоев на основе олова, пришлось исследовать различные новые сплавы с добавками меди, серебра, висмута в качестве типичных второстепенных добавок для снижения температуры плавления и контроля других свойств. Кроме того, олово является более едким металлом и в конечном итоге может привести к выходу из строя ванн для пайки [ необходимо разъяснение ] . [35]
Бессвинцовое строительство также распространилось на компоненты, контакты и разъемы. Большинство этих контактов использовали медные рамки и либо свинцовые, оловянные, золотые или другие покрытия. Оловянные покрытия являются самыми популярными из бессвинцовых покрытий. Тем не менее, это поднимает вопрос о том, как бороться с оловянными усами . Текущее движение возвращает электронную промышленность к проблемам, решенным в 1960-х годах путем добавления свинца. JEDEC создала систему классификации, чтобы помочь производителям бессвинцовой электроники решить, какие меры следует принять против усов, в зависимости от их применения.
