Основы материалов для пайки

[summary]Это страница о материалах, которые используются при пайке. Их также называют расходными материалами, потому что они расходуются в процессе работы.[\summary]

Какие основные материалы необходимы для выполнения пайки?

Можно подумать, что припой — это единственное, что расходуется. Но для выполнения работы требуются и другие важные материалы, которые также заканчиваются в процессе.

Мы также расскажем о некоторых инструментах, о необходимости которых вы, возможно, даже не догадывались. Мы начнем с припоя и флюса. Затем перейдем к менее известным вещам, таким как оплетка для выпаивания, средства для очистки от флюса, паяльная лента и сменные жала паяльника.

Припой — это основной материал паяного соединения. Чаще всего вы будете встречать его в виде катушки металлической проволоки, которую легко сгибать и использовать. Состав большинства припоев представляет собой металлический сплав (смесь металлов, которую невозможно разделить механическим путем) с низкой температурой плавления, сердечник которого заполнен флюсом — химическим соединением, помогающим припою смачивать поверхности и растекаться так, как нужно.

Расплавленный сплав припоя прилипает к соединяемым деталям, если они чистые и нагреты выше температуры плавления припоя. Хотя почти весь припой, предназначенный для электроники, содержит сердечник из флюса, вы всё равно можете и должны добавлять флюс при необходимости, чтобы улучшить результат.

[note]Пока вы не освоитесь с процессом, приобретайте припой у надежных поставщиков, которые могут предоставить информацию о припое и составе флюсового сердечника.[\note]

Существует два основных типа сплавов для пайки: свинцовосодержащие и бессвинцовые. Свинцовосодержащий припой легче смачивает поверхности и растекается, требует меньше нагрева и в целом считается более простым в работе. Однако свинец вреден для человека и окружающей среды, поэтому в качестве более безопасной альтернативы был создан бессвинцовый припой.

[note|type=warning]Обратите внимание, что вы все еще можете использовать свинцовосодержащий припой, не отравившись, но это требует идеальных условий и особой осторожности. Дым от свинцовосодержащего припоя не содержит свинца (однако он всё равно опасен при вдыхании), но свинец попадает на руки и рабочую поверхность. Будьте предельно осторожны при работе с таким припоем, надевайте защитные очки и мойте руки и рабочие поверхности после окончания работы. Помните, что устройство, на которое вы нанесли свинцовосодержащий припой, теперь может загрязнять руки или поверхности при контакте, а также выделять свинец в окружающую среду, если попадет на свалку.[\note]

Бессвинцовый припой по большей части заменил свинцовосодержащий в производстве электроники, особенно после того, как в начале 2000-х годов вступили в силу законы об ограничении использования опасных веществ. Тем не менее, существуют отрасли и сферы применения, где по-прежнему используется припой со свинцом, так как соединения, создаваемые бессвинцовым припоем, менее устойчивы к внешним нагрузкам. Для ремонта бытовой электроники предпочтительнее использовать бессвинцовый припой.

Бессвинцовый припой часто представляет собой сплав олова (символ Sn), серебра (Ag) и меди (Cu). Распространенная смесь известна как SAC или 305. Она содержит 3% серебра. Такой припой плавится при более высокой температуре (около 215-220°C), чем свинцовосодержащий (183°C), и с ним немного сложнее работать, в основном потому, что он плавится в диапазоне температур и не так легко смачивает поверхности. Существуют также сплавы только из олова и меди, которые плавятся при еще более высокой температуре (227°C); у них смачивающая способность еще хуже.

Свинцовосодержащий припой на самом деле содержит больше олова, чем свинца. Самый простой в использовании — это припой, содержащий 63% олова и 37% свинца, обычно называемый припоем 63-37. Это эвтектическая смесь (что означает наличие максимально низкой температуры плавления), которая плавится как чистый металл при фиксированной температуре.

Более низкая температура плавления (183°C) и превосходные смачивающие свойства делают припой 63-37 более удобным в использовании. Это предпочтительный сплав для выполнения ремонтных работ. Более низкая температура плавления менее опасна для соседних компонентов. Обратная сторона медали — содержание свинца, который является ядовитым.

Еще один распространенный сплав — 60-40, который плавится при чуть более высокой температуре и не так плавно.

Другие сплавы, используемые при пайке электроники, включают сплавы на основе висмута (Bi) и индия (In). Оба этих типа предназначены для низкотемпературных применений. Числа указывают на процентное содержание каждого металла в сплаве.

Обычно вы будете сталкиваться с этими сплавами при пайке компонентов для поверхностного монтажа (SMD). Висмут-олово (58Bi42Sn) и висмут-олово-серебро (57Bi42Sn1Ag) плавятся при 138-140°C. Их можно использовать для низкотемпературной пайки. Иногда их вплавляют в существующие соединения, чтобы снизить температуру плавления для упрощения ремонта.

Также доступны припои, содержащие индий, с очень низкой температурой плавления, например, сплав индия и олова (52In48Sn), который плавится при 118°C.

[note|type=important]Низкотемпературные сплавы на основе висмута при смешивании со свинцовосодержащим припоем могут образовывать соединения с очень низкой температурой плавления (ниже 100°C). Это может привести к поломке, так как некоторые компоненты могут достигать таких температур в процессе нормальной работы. Вот (длинное) видео с дополнительной информацией.[\note]

Большинство сплавов припоя доступны в виде проволоки с флюсовым сердечником. Кроме того, они также выпускаются в виде пасты и шариков.

Самая распространенная форма — проволока с флюсом в качестве центрального сердечника. Проволока доступна в широком диапазоне диаметров от 0,010 дюйма (0,25 мм) до 0,125 дюйма (3,125 мм). Размер соединения и используемый источник тепла определяют подходящий диаметр.

Состоящая из маленьких шариков припоя в основе из флюса, многие паяльные пасты можно наносить с помощью шприца. Обычно она используется для пайки компонентов поверхностного монтажа.

Это крошечные сферы одинакового размера, используемые для специальных целей, например, для восстановления припоя на чипах с шариковыми выводами (BGA).

Хотя припой является материалом, который создает соединение, флюс необходим для того, чтобы припой растекался и прилипал.

Паяльный флюс — это химическое соединение, обычно состоящее из канифоли (получаемой из сосновой живицы) и реактивного компонента, называемого активатором. Его основная цель — удаление окислов, что помогает ему связываться с другими поверхностями и снижает поверхностное натяжение расплавленного припоя.

Поскольку припой не прилипает к металлу с оксидным слоем, а оксидные слои легче образуются при нагревании, флюс служит как для очистки, так и для защиты соединяемых поверхностей. Флюс должен быть нагрет до температуры активации, около 140°C, чтобы очистить этот оксидный слой и покрыть соединение, защищая его от повторного окисления.

Флюс также способствует смачиванию, позволяя припою легче проникать в небольшие зазоры между компонентами. Это создает соединения с большей площадью поверхности, которые в результате становятся прочнее и лучше проводят ток. Если вы когда-либо сталкивались с проблемой, когда припой плавится в пастообразную консистенцию, добавление большего количества флюса — вероятно, решение, которое поможет привести припой в более жидкое состояние.

Канифоль — самая распространенная основа флюса, с которой вы столкнетесь. Существуют также синтетические смоляные флюсы, которые позволяют подбирать другие свойства флюса.

Распространенные активаторы — это абиетиновая кислота (естественно содержащаяся в сосновой живице), галогениды и амины, которые могут быть как кислотными, так и основными. Их главная задача — вступить в химическую реакцию с окисленным металлом, который образуется на поверхности компонентов при контакте с воздухом. Эти активаторы либо восстанавливают оксиды металлов обратно в чистый металл, либо образуют растворимые хлориды или соли металлов, которые могут быть растворены или поглощены флюсом. Затем флюс служит защитным барьером между металлом и воздухом, предотвращая дальнейшее окисление до того, как припой сможет создать соединение.

Липкие/гелеобразные флюсы легко наносятся, хорошо держатся на месте и обычно используются для пайки компонентов поверхностного монтажа. Это хороший универсальный вид флюса для создания паяных соединений.

Имейте в виду, что слишком много флюса — почти всегда лучше, чем слишком мало. Вы можете очистить излишки флюса, но вы вряд ли получите качественное паяное соединение, если флюса недостаточно.

Флюсы бывают в виде пасты, липкого геля и жидкости. Они также встречаются в виде сердечников в проволочном припое. Содержание твердых веществ обычно обратно пропорционально текучести. Паста (больше всего твердых веществ), затем гель/липкий флюс, затем жидкость (меньше всего твердых веществ).

Некоторые пасты можно наносить жесткой кистью.

Липкие флюсы часто наносятся с помощью шприца и могут использоваться для удержания мелких компонентов на месте во время пайки (отсюда и название «липкий»).

Жидкие флюсы наносятся мягкой кистью или флюс-ручкой и их легко наносить сразу на несколько соединений.

Флюс обладает несколькими характеристиками, которые указываются в описательных обозначениях. Среди них:

• Основа или носитель флюса (из чего состоит основной ингредиент)
  • Канифоль (R) Очень хороший универсальный материал. В основном используется для доработки/ремонта.
  • Смола (RE или RES) Альтернатива канифоли.
  • Водорастворимый — обычно более агрессивный и почти всегда требует очистки после нанесения.
    • Неорганический (IN)
    • Органический (OR)
• Активация — степень, в которой флюс агрессивно удаляет окислы; слишком большая активация не обязательно лучше, так как коррозия обычно увеличивается с активацией. Очистку выполняет активатор. Некоторые носители, такие как канифоль, имеют встроенные кислотные активаторы.
  • Низкая/Отсутствует (L)
  • Средняя/Умеренно активированный (M)
  • Высокая/Активированный (H)
• Галогенид — помогает при удалении окислов, но увеличивает токсичность дыма и паров, а также требует очистки. Сейчас меньше флюсов содержат галогениды.
  • Без галогенидов (0) в конце обозначения.
  • С галогенидами (1) в конце обозначения.

Флюс-ручка с флюсом типа no-clean

Вы можете встретить обозначение «no-clean». Это не другой тип флюса, а характеристика остатков, которые флюс оставляет после процесса пайки. «No-clean» означает, что остатки флюса вряд ли вызовут проблемы с компонентами на печатной плате.

Коррозия — главный фактор, который оценивается при присвоении обозначений «clean» (требующий очистки) / «no-clean». Остатки флюса всё равно могут быть токопроводящими. Часто содержание основы флюса в «no-clean» снижено, поэтому остается меньше потенциально токопроводящих остатков.

Когда печатные платы плотно заполнены компонентами и их почти невозможно очистить, «no-clean» является преимуществом. Иногда вы делаете ремонт, и «no-clean» тоже очень помогает. Тем не менее, если вы можете, то, как правило, лучше очистить остатки флюса с платы, независимо от того, «no-clean» это или нет.

Основной расходный материал — медная оплетка для выпаивания. Она изготовлена из очень тонких медных проволок, сплетенных вместе в форме ленты. Обычно на нее уже нанесен сухой флюс. Когда ее прижимают к соединению и нагревают, припой из соединения впитывается в оплетку, позволяя снять компоненты. Вы можете улучшить эффективность, нанеся немного дополнительного флюса на само соединение, а затем используя оплетку.

У вас всегда должна быть под рукой оплетка для выпаивания. Она бывает разной ширины и может даже иметь флюс уже в составе оплетки. Ошибки случаются, и оплетка для выпаивания — удобный способ их исправить.

Хотя это не совсем расходный материал, стоит упомянуть, что оловоотсос/вакуумный отсос припоя удобен для удаления более крупных компонентов, которые могут быть прикреплены с помощью большего количества припоя.

При пайке, особенно на печатных платах, следует очищать флюс и его остатки (даже от флюсов типа «no-clean»). Для этого можно использовать несколько средств. Для растворения флюса:

• 91–99% изопропиловый спирт является практически универсальным растворителем флюса. Это наиболее часто используемое средство, так как оно легко доступно.
• Очиститель флюса — вероятно, лучший выбор. Если вы его используете, убедитесь, что он подходит для вашего типа флюса.
• Для особо стойких загрязнений можно использовать ацетон, но будьте осторожны. Ацетон может растворить многие виды пластика, которые вы не хотели растворять. Он часто удаляет маркировку на печатной плате и на самих чипах, что может привести к проблемам. Лучше сначала протестировать его, чтобы увидеть, не разбухнет ли плата и не будет ли она повреждена.
• Дистиллированная или деионизированная вода отлично подходит для любого водорастворимого флюса; в большинстве случаев другие очистители на таких флюсах работать не будут или будут работать плохо.

При очистке можно использовать ватные палочки (те, что на длинных деревянных стержнях, а не обычные для чистки ушей) или безворсовые салфетки. Не экономьте на них.

Это не о том, как более эффективно использовать ваш паяльник. Жало паяльника является сменным, если только ваш паяльник не из дешевых. Сменные жала служат двум целям.

1. Они позволяют менять жала, чтобы использовать форму жала, наиболее подходящую для работы, если доступны другие формы.
2. Они позволяют заменить изношенные жала.

Большинство паяльников имеют медное жало с железным покрытием. Жало изнашивается главным образом из-за того, что перегрев приводит к окислению, которое повреждает железное покрытие. Как только покрытие повреждено, жало необходимо выбросить. К сожалению, если ваш паяльник не имеет сменных жал, придется выбросить всё устройство целиком.

По возможности у вас должны быть под рукой два-три вида ленты.

• Малярная лента очень полезна для низкотемпературных работ, таких как удержание выводных компонентов на месте или легкая тепловая защита.
• Полиимидная лента (часто называемая Kapton™) для тепловой защиты, когда вы хотите нагреть только определенную область. Обычный верхний предел составляет 260°C, но она может выдерживать температуру до 400°C.
• Лента из алюминиевой фольги также может служить тепловым экраном, а ее толщина делает ее прочной.

Основная функция этих лент — защита.

• Они помогают избежать расплавления того, что не нужно плавить, например, пластиковых разъемов или других компонентов.
• Они могут защитить чувствительные к нагреву компоненты, такие как интегральные схемы.

Глоссарий терминов по пайке

Как паять и выпаивать соединения

Паяльник не плавит припой

Паяльник не нагревается

Лучшие методы пайки

Жала паяльника

Дополнительная информация о флюсе — стоит почитать

Дополнительная информация о бессвинцовом припое — полезные материалы

Дополнительная информация о свинцовосодержащем припое