Надоело портить дорогую электронику неудачной пайкой? Пришло время вернуться к основам и понять, как на самом деле работает пайка
Пайка – удивительно легкий навык, который можно приобрести, если знать, что делаешь. Последнее очень важно, поскольку это ремесло включает в себя манипуляции с компонентами, рассчитанными на максимальную температуру 250°F, с помощью инструмента, работающего при температуре 650°F
Поле для ошибки здесь весьма ограничено, а ошибки часто бывают катастрофическими и дорогостоящими, что отбивает у большинства начинающих желание упорно преодолевать первые неудачи. Однако этого можно полностью избежать, если с самого начала правильно изучить основы
Читайте дальше, чтобы узнать основы пайки и избавить себя от ужасов обугленной электроники и разбитых мечтаний
Зачем нужно заниматься пайкой?
На самом базовом уровне пайка создает надежные электрические (и, соответственно, механические) соединения между проводящими металлическими компонентами. Это включает в себя соединение пары проводов или электронного компонента на печатной плате (PCB)
Критически мыслящие люди среди вас могут задаться вопросом, почему бы просто не скрутить провода вместе или не прикрепить компоненты к печатной плате с помощью гаек и болтов. У такого подхода есть две основные проблемы. Во-первых, такие соединения не являются механически стабильными при движении или вибрации. Во-вторых, несмотря на механическую прочность, крепежные элементы совсем не устойчивы к электрическим нагрузкам
Мы обратились за помощью к д-руЛакшми Нараяна Рамасубраманиана с кафедры материаловедения и инженерии Индийского технологического института в Дели, чтобы прояснить некоторые технические аспекты пайки
Чувствительной электронике абсолютно необходимы электрические соединения с низким сопротивлением для поддержания стабильной проводимости в течение всего срока службы изделия. Этого трудно достичь простым соединением компонентов с помощью крепежных элементов. Неизбежный воздушный зазор между компонентами в таких соединениях приводит к окислению (или ржавчине для черных металлов), что значительно снижает электропроводность. Эти препятствия делают пайку незаменимой для низковольтных приложений прецизионной электроники
Похожие: Как модернизировать 3D-принтер Ender-3
Когда вы спаиваете два компонента, сам припой соединяется с металлом (обычно медью), образуя совершенно новый сплав. Пайка, по сути, соединяет компоненты на молекулярном уровне, не оставляя воздушного зазора и тем самым исключая возможность окисления. Дополнительная механическая стабильность является приятным бонусом
Действие эвтектического сплава припоя и металлического растворителя
Соединение металлов путем их расплавления – рискованное предложение, учитывая, что большинство полупроводниковых компонентов рассчитаны на работу при максимальной температуре 250°F. Использование тепла для соединения выводов интегральной микросхемы с площадками на печатной плате не представляется возможным, поскольку медь плавится при температуре 1984°F. Вы наверняка поджарите компонент задолго до того, как создадите надежное соединение
Именно здесь в игру вступают уникальный состав и термодинамические свойства припоя
Припой – это эвтектический сплав, состоящий из свинца и олова. Эвтектика очень важна, поскольку позволяет сплаву плавиться при значительно более низкой температуре по сравнению с металлами, входящими в его состав. В то время как чистые свинец и олово плавятся при температурах 620°F и 450°F соответственно, сплав припоя, состоящий из этих двух металлов, смешанных в соотношении 63:37, начинает плавиться уже при температуре 361°F
Image Credit: Nachiket Mhatre.
Хотя может показаться, что пайка заключается в расплавлении медных проводов или выводов компонентов на печатной плате, на самом деле этот процесс происходит благодаря действию металлического растворителя припоя. Когда горячий припой попадает на медные выводы компонентов, он действует как растворитель, проникая и растворяя открытые медные поверхности. Это действие растворителя сплавляет их на молекулярном уровне, образуя совершенно новый сплав в интерметаллическом слое
Это явление называется смачиванием, и оно абсолютно критично для процесса пайки — то есть превращения разрозненных компонентов в непрерывное и электропроводящее тело гибридного сплава
Похожие: Захватывающие проекты электроники ‘Сделай сам’ стоимостью до 15 долларов
Борьба с окислением с помощью флюса
Действие металлического растворителя припоя является основой успешных паяных соединений. Однако, с практической точки зрения, припой не может сам по себе инициировать смачивание. Этот процесс катализируется путем подвода тепла как к припою, так и к медным выводам компонентов
Это проблема, поскольку под воздействием тепла открытые медные поверхности быстро окисляются в присутствии воздуха. Возникающий при этом оксидный пограничный слой действует как барьер, который делает невозможным смачивание. Проблема усугубляется грязью, копотью, маслами от пальцев, смазкой и другими загрязнениями, присутствующими на поверхностях компонентов. Они еще больше подавляют действие растворителя металла, необходимое для успешного паяного соединения
Вы можете попробовать очистить поверхности, но при повторном нагреве медных выводов вы столкнетесь с совершенно новым оксидным слоем. Если бы только существовал способ удалить оксидный слой во время пайки. Ну, именно это и делает флюс
Флюс состоит из канифоли, которая представляет собой твердую форму смолы, получаемую из растений. Для целей электроники канифоль используется либо сама по себе, либо в сочетании с мягкими активаторами, которые позволяют полученному флюсу оставаться некорродирующим и непроводящим при комнатной температуре. При достаточном нагреве она становится достаточно активной для химического удаления окислов и других загрязнений
Image Credit: Kevin Hadley/Creative Commons License.
Когда вы покрываете поверхности, предназначенные для пайки, флюсом, тепло, применяемое в процессе пайки, катализирует флюс и удаляет примеси. Это обнажает чистую медь и делает возможным смачивание. Флюс может быть нанесен на компоненты перед пайкой, но он также вводится во время процесса через саму паяльную проволоку
Большинство современных паяльных проводов имеют внутреннюю жилу, заполненную канифольным флюсом, который автоматически дозируется во время пайки
Когда паять и когда не паять
Теперь, когда мы разобрались в науке пайки, не менее важно знать, когда паять и когда это плохая идея. Все, что связано с печатными платами, почти всегда паяется. Этот процесс обеспечивает отличную электропроводность и достаточную степень механического крепления, при этом значительно уменьшая общий размер ваших электронных проектов
Однако иногда полезно знать, когда не следует прибегать к пайке
Хотя провода могут быть припаяны друг к другу или к печатным платам, вы должны пересмотреть свои взгляды, если требуемое применение связано с любой степенью движения или вибрации. Автомобильная промышленность, робототехника и 3D-печать являются отличными примерами, где пайка обычно ограничивается печатными платами и категорически избегается для всех кабельных окончаний
Это связано с тем, что паяные соединения твердые, но хрупкие и поэтому уязвимы к усталости при изгибе. Определенно нежелательная черта для электрических соединений, подверженных постоянной вибрации и движению. Паяные кабели в таких приложениях подвергаются усталости при изгибе и, как следствие, выходят из строя в хрупких соединениях
Именно поэтому кабельные соединения, подверженные таким нагрузкам, в таких случаях обжимаются, а не припаиваются
Хотя это может показаться нелогичным, пайка – не единственный способ добиться газонепроницаемых, устойчивых к окислению соединений. Огромное давление, создаваемое при обжиме, сплавляет медные провода на молекулярном уровне, что делает их идеально газонепроницаемыми
На самом деле, обжимные соединения как механически, так и электрически превосходят свои паяные аналоги, а также устойчивы к усталости при изгибе. Д-р. Рамасубраманиан называет отсутствие интерметаллидов в обжимных соединениях основной причиной того, что интерфейс чистой меди демонстрирует улучшенную проводимость по сравнению с паяными соединениями
Он также объясняет, что соединение меди с медью в обжимных соединениях по своей природе прочнее, поскольку схожие атомы имеют тенденцию образовывать прочные, стабильные связи. С другой стороны, разнородные атомы меди, свинца и олова, присутствующие в паяных соединениях, образуют относительно более слабые связи, которые находятся под постоянным напряжением, что, в свою очередь, ускоряет усталостное растрескивание при механических нагрузках
Похожие статьи: Руководство для начинающих по 3D-принтерам DIY Voron
Именно поэтому в моторном отсеке вашего автомобиля вы не найдете ни одной паяной заделки кабеля. То же самое касается 3D-принтеров и любых других устройств, подверженных постоянной вибрации и движению
Чем больше вы знаете
Знание основ механики пайки и того, когда уместно применять ее в своих проектах, поможет сделать разницу между успехом и сотней долларов за поврежденную электронику
Комментировать