Паяльники и паяльные станции

Пайкой называют процесс соединения деталей с помощью введения между ними расплавленного материала – припоя, температура которого, как правило, ниже температуры плавления соединяемых деталей. Целью пайки является получение механического соединения или электрического контакта. Далее будет рассматриваться в основном пайка электронных компонентов.

Немного истории

Соединение металлов пайкой применялось еще в античные времена. Считается, что эта технологическая операция существует не менее 5000 лет. Еще когда человечество не знало железа и стали, получили распространение медь, золото и их сплавы. Но уже тогда мастера-чеканщики применяли соединение частей изделий при помощи пайки.

Археологи находили золотые сосуды, ручки которых были припаяны золотом, а также сплавами золота и серебра. Изделия из золота со следами пайки были найдены при раскопках гробниц древнейшего государства Вавилон. Ученые датировали находки 3200 г. до н.э.

Паяные украшения были найдены также в египетских пирамидах. Этот факт доказывает, что искусство пайки было известно в древнем Египте уже во втором тысячелетии до нашей эры. Самое интересное в том, что египтяне паяли не чистым золотом, а изобрели способ снизить температуру плавления золотого припоя.

Для этой цели золотой порошок отжигали в порошке из древесного угля. В результате чего поверхностный слой золота насыщался углеродом (в технологии металлов такой процесс называется цементацией), получался золото-углеродистый сплав. Температура плавления этого сплава получалась несколько ниже, чем у чистого золота. Такие припои называются твердыми.

Мягкие припои на основе олова и свинца упоминаются в сочинениях римского писателя и ученого Плиния – старшего, жившего в 1 веке нашей эры. Так в сочинении «История природы» упоминается о применении двух оловянно-свинцовых припоев – тетрария (2/3 свинца, 1/3 олова) и аргентария (50% свинца и 50% олова). Самое интересное, что такие сплавы применяются до сих пор. Первый из них часто называют третником, а второй половинником.

При раскопках Помпеи, погибшей при извержении вулкана Везувия, археологами были обнаружены свинцовые водопроводные трубы, соединение которых произведено пайкой оловянно-свинцовыми припоями. Такие же трубы удалось обнаружить на раскопках в Ливии и Нубии.

При раскопках поселений IV-V веков нашей эры на территории верхнего Поволжья были обнаружены изделия, в частности ножи, паяные медью. В Киевской Руси методом горновой пайки мастера паяли медью замки, ключи, ножи, что говорит о высоких технических знаниях мастеров тех древних лет.

Паяльники для ручной пайки

Таким образом, можно считать, что пайка железа, меди и ее сплавов, а также алюминия появилась только после пайки драгоценных металлов. Позднее появились и инструменты для ручной пайки. Такие паяльники назывались жаровыми и разогревались в печи.

Позднее для этих целей стали применяться паяльные лампы, работающие на бензине. Жаровые паяльники применяются до настоящего времени, и купить такой паяльник можно даже в интернет-магазинах. Внешний вид жарового паяльника показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Жаровой паяльник

Электрические паяльники

И только в 1921 году был создан электрический паяльник. Патент на изобретение получил Эрнст Сакс, впоследствии основатель фирмы ERSA. Благодаря предприимчивости изобретателя электрический паяльник быстро завоевал симпатию во всем мире, являясь прототипом для создания различных конструкций паяльных инструментов. Получается, что на данный момент электрический паяльник имеет весьма почтенный возраст – 93 года. Первый электрический паяльник показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Первый электрический паяльник

Паяльник имел форму топорика, был похож на жаровой паяльник и предназначался, в основном, для лудильных работ. Подобные паяльники существуют и до сих пор. Мощность таких паяльников находится в пределах 500…800 Вт. Применяются в основном для пайки крупных деталей, например автомобильных радиаторов, садовых леек, ведер и т.п.

Как устроен электрический паяльник

Принцип действия электрического паяльника достаточно простой. Вокруг паяльного стержня, который часто называют жалом, расположена спираль из проволоки с высоким удельным сопротивлением. При прохождении через спираль тока, она разогревается, а полученное тепло отдается паяльному стержню. Естественно, что спираль изолирована от жала и от корпуса жаропрочным изолятором. В качестве изолятора чаще всего применяется слюда. Такова классическая схема паяльника дожившего до наших времен.

Паяльники советских времен

В советские времена промышленностью выпускалось много различных паяльников. В радиолюбительской практике чаще всего применялись, и применяются до сих пор, паяльники серии ЭПСН мощностью 25…100Вт. В паспорте, прилагавшемся к паяльникам, было написано: «Конструкция паяльника неразборная». Правда, к чести производителей надо сказать, что служили эти паяльники долго. Внешний вид этих паяльников показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Паяльники серии ЭПСН

Но не все так плохо и сурово. В некоторых паяльниках спираль укладывается в керамическую сердцевину с канавкой, сердцевина в свою очередь вставляется в керамический стакан. В центральное отверстие сердцевины вставляется паяльный стержень – жало, и никакой слюды. Нагреватель в собранном виде вставляется в металлический корпус с деревянной ручкой. Достоинство такой конструкции в том, что она разборная, поэтому в комплекте продавалась запасная спираль.

Несколько позднее в продаже появились миниатюрные паяльники серии ЭРА, мощностью 18 и 25 Вт, в короткий срок завоевавшие популярность в среде радиолюбителей и телемастеров. Внешний вид паяльника показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Паяльник серии ЭРА

С помощью таких паяльников можно было вполне комфортно паять транзисторы, а также микросхемы в корпусах типа DIP и им подобных с шагом выводов 2,54 мм. Для обеспечения требуемой температуры пайки эти паяльники целесообразно включать через тиристорный регулятор мощности. При таком включении качество паяных соединений в основном зависит от квалификации, не сказать бы даже искусства, монтажника.

Микросхемы в корпусах DIP уже достояние истории. Теперь практически вся электронная техника изготавливается с применением SMD компонентов, габариты которых очень малы. Поэтому описанными выше паяльниками обеспечить качественную пайку затруднительно. Современные паяльники используются, как правило, в составе паяльных станций.

Подробнее про паяльные станции читайте здесь: Как выбрать паяльную станцию

Нагревательные элементы выполняются из керамики и имеют встроенную термопару, что в сочетании с цифровой индикацией позволяет поддерживать заданную температуру в широких пределах, причем, очень точно. Некоторые паяльники имеют терморегуляторы встроенные прямо в ручку. Примером такого паяльника может служить паяльник CT-96 фирмы CT-Tools. Внешний вид паяльника показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Паяльник CT-96

Рис. 6. Паяльная станция

Температура пайки зависит в первую очередь от температуры плавления припоев. При монтаже и ремонте электронной техники используются, как правило, мягкие припои.

Типы припоев

Все припои можно разделить на два типа: твердые и мягкие. Твердые припои имеют высокую температуру плавления – свыше 300°C, и обеспечивают высокую механическую прочность соединения. Наибольшее применение имеют твердые медно-цинковые припои марки ПМЦ, и припои на основе серебра ПСр, которые представляют собой сплавы с разными добавками.

Температура плавления припоя марки ПСр-70 780°C, ПСр-10 830°C, ПМЦ-36 825°C, ПМЦ-51 870°C. Совершенно очевидно, что такие припои совсем непригодны для пайки электронных плат.

Поэтому для монтажа электронных схем применяются мягкие припои, температура плавления которых не превышает 300°C. В основном используются оловянно-свинцовые припои марки ПОС-61. ПОС-63, температура плавления которых 190°C. Эти припои являются эвтектическими, то есть имеют одинаковую температуру плавления и кристаллизации.

О химическом составе этих припоев говорит само название: ПОС-61 содержит 61% олова, остальное свинец, ПОС-63 соответственно 63% олова, остальное свинец. Эти припои применяются только для ручной пайки и обеспечивают хорошее качество паяного соединения. В паспортах паяльников так и было написано: «Пайка должна быть блестящей, контурной».

Припои марки ПОС обладают высокой электропроводностью, высокой жидкотекучестью в расплавленном состоянии и достаточной механической прочностью. Сочетание этих свойств позволяет производить высококачественную пайку печатных плат, пружинных подвесок измерительных приборов, многожильных тонких высокочастотных проводов типа «литцендрат», а также ответственных деталей из меди, бронзы, латуни, стали. При использовании флюсов для пайки алюминия очень хорошо паяются и алюминиевые детали, например обмотки трансформаторов и дросселей в бытовой технике.

В случаях, когда перегрев спаиваемых деталей крайне нежелателен применяются низкотемпературные припои. Одним из них является сплав Вуда: олово – 12,5%, свинец – 25%, висмут – 50% и кадмий – 12,5%. Температура плавления такого припоя всего 70°C. Такую температуру называют особо низкой. Сплав Вуда применяется также в качестве добавки для снижения температуры плавления бессвинцовых припоев при отпайке деталей с печатных плат. Такая добавка позволяет отпаять элементы без порчи печатной платы и самой детали.

Свинец, как известно, считается металлом ядовитым, его пары чрезвычайно вредны для организма человека. Поэтому, в последнее время для пайки электронной аппаратуры, особенно бытовой, все шире применяются бессвинцовые припои. Бессвинцовые припои являются данью требованиям экологии и охраны труда.

Бессвинцовые припои

Самым экологически чистым и безопасным припоем следует считать, по-видимому, чистое олово. Именно олово применяется в пищевой промышленности для лужения консервных банок – белая жесть. Но, к сожалению, такому припою присущи досадные недостатки. В первую очередь это «оловянная чума».

При температуре ниже 13,2°C удельный объем чистого олова увеличивается более чем на 25%, что приводит к образованию другой фазы вещества, – так называемое серое олово. Причем, чем ниже температура, тем интенсивней процесс преобразования. При температуре -33°C олово превращается в серый порошок, пайки просто рассыпаются. Понятно, что такой припой никуда не годится.

Но рассыпаются не только пайки. Так в 1912 году именно оловянная чума стала причиной гибели экспедиции Роберта Фолкона Скотта к Южному полюсу. Экспедиция осталась без горючего, которое утекло через распаявшиеся швы в топливных баках.

По причине оловянной чумы погибли многие культурные ценности, в частности, коллекции оловянных солдатиков. Например, в запасниках музея Александра Суворова в Петербурге по причине прорыва отопления просто рассыпались в прах несколько десятков оловянных солдат. Такое случалось и в других музеях мира.

Для создания бессвинцовых припоев на базе олова к нему добавляются различные компоненты: медь, цинк, серебро, золото, индий. Эти добавки позволяют избежать образования серого олова, защититься от оловянной чумы.

Для пайки электронных компонентов чаще всего применяются припои следующих составов: олово – 52%, индий – 48%; олово – 91%, цинк – 9%; олово – 97%, серебро – 2,3%, медь – 0,7%. Никаких вредных металлов не наблюдается. Температура плавления этих припоев находится в районе 300°C, что значительно выше, чем у оловянно-свинцовых припоев. Кто хоть раз ремонтировал современную электронику, это прекрасно знает.

Платой за безвредность является то, что все бессвинцовые припои имеют меньшую жидкотекучесть в расплавленном состоянии, низкую смачиваемость паяемых поверхностей. От этого недостатка помогают защититься специальные флюсы, применяемые при пайке бессвинцовыми припоями. И все же качество шва, выполненного бессвинцовыми припоями хуже, чем при использовании оловянно-свинцовых припоев. Но наука не стоит на месте, постоянно ведутся изыскания по улучшению качества бессвинцовых припоев, чтобы замена была равноценной.

Многие современные микросхемы выпускаются в корпусах BGA (англ. Ball grid array — массив шариков). Обычных выводов – ножек у этих микросхем нет. Их роль выполняют шарики из припоя, наплавленные на контактные площадки в нижней части корпуса. Для пайки таких микросхем появились новые типы припоя – паяльные пасты, наносимые трафаретным методом.

Паяльные пасты состоят из нескольких компонентов: собственно припоя в виде мелкодисперсного порошка, твердых частиц флюса такого же размера. Пастой эти компоненты становятся благодаря наличию связующих веществ, прежде всего жидких компонентов флюса и летучих растворителей.

Понятно, что такие микросхемы обычным паяльником припаять нельзя. Тут требуется применение специальных методов пайки, при которых нагрев производится горячим воздухом или инфракрасным излучением. Для этих целей применяются термовоздушные или инфракрасные паяльные станции.

Продолжение статьи: Электрические паяльники. Виды и конструкции