Пайка - Soldering

Удаление контакта с провода

Пайка (AmE: /ˈsɒdərɪŋ/, BrE: /ˈsoʊлdərɪŋ/) - это процесс, в котором два или более элемента объединяются путем плавления и размещения присадочный металл (припаять ) в стык, присадочный металл, имеющий нижнюю температура плавления чем прилегающий металл. в отличие сварка пайка не предполагает плавления деталей. В пайка металл заготовки также не плавится, но присадочный металл плавится при более высокой температуре, чем при пайке. В прошлом почти все припои содержали вести, но проблемы окружающей среды и здоровья все чаще диктуют необходимость использования бессвинцовые сплавы для электроники и сантехники.

Происхождение

Маленькая фигурка создается путем пайки

Есть свидетельства того, что пайка применялась в Месопотамии еще 5000 лет назад.^[1] Пайка и пайка Считается, что они возникли очень рано в истории металлообработки, вероятно, до 4000 г. до н.э.^[2] Шумерские мечи из c. 3000 г. до н.э. были собраны методом твердой пайки.

Пайка исторически использовалась для изготовления ювелирных изделий, кухонной посуды и инструментов, а также для других целей, таких как сборка. витраж.

Приложения

Пайка применяется в сантехнике, электронике и металлоконструкциях из мигающий к ювелирным украшениям и музыкальным инструментам.

Пайка обеспечивает достаточно постоянные, но обратимые соединения между медными трубами в сантехника системы, а также соединения в предметах из листового металла, таких как пищевые банки, кровля, водостоки и автомобиль радиаторы.

Ювелирные изделия Компоненты, станки, а также некоторые компоненты холодильного оборудования и сантехники часто собираются и ремонтируются с помощью процесса пайки серебром при более высокой температуре. Мелкие механические детали также часто припаяны или припаяны. Пайка также используется для соединения свинца пришел и медная фольга в витраж Работа.

Электронная пайка соединяет электрическая проводка к устройствам и электронные компоненты к печатные платы. Электронные соединения можно припаять вручную с помощью паяльника. Автоматизированные методы, такие как пайка волной или использование духовки позволяет выполнить множество соединений на сложной печатной плате за одну операцию, что значительно снижает стоимость производства электронных устройств.

Музыкальные инструменты, особенно духовые и деревянные, при сборке используют комбинацию пайки и пайки. Корпуса из латуни часто спаяны, а шпонки и раскосы - чаще всего.

Припои

Паяльные присадочные материалы доступны во многих различных вариантах. сплавы для разных приложений. В сборке электроники эвтектика Сплав с 63% олова и 37% свинца (или 60/40, который почти идентичен по температуре плавления) был предпочтительным сплавом. Другие сплавы используются для сантехники, механической сборки и других приложений. Некоторые примеры мягкого припоя: олово-свинец для общих целей, олово-цинк для соединения. алюминий свинец-серебро для прочности при температуре выше комнатной, кадмий-серебро для прочности при высоких температурах, цинк-алюминий для алюминия и коррозионной стойкости, олово-серебро и олово-висмут для электроники.

Применение эвтектического состава при пайке имеет следующие преимущества: ликвидус и солидус температуры одинаковы, поэтому пластичная фаза отсутствует и имеет самую низкую температуру плавления. Минимально возможная температура плавления сводит к минимуму тепловую нагрузку на электронные компоненты во время пайки. Отсутствие пластичной фазы обеспечивает более быстрое смачивание при нагревании припоя и более быструю настройку при его остывании. Неэвтектический состав должен оставаться неподвижным, поскольку температура падает через температуры ликвидуса и солидуса. Любое движение во время пластической фазы может привести к трещинам, что приведет к ненадежному соединению.

Общие составы припоя на основе олова и свинца перечислены ниже. Доля представляет собой процентное содержание сначала олова, затем свинца, всего 100%:

• 63/37: плавится при 183 ° C (361 ° F) (эвтектика: единственная смесь, плавящаяся при точкавместо диапазона)
• 60/40: плавится при 183–190 ° C (361–374 ° F)
• 50/50: тает при 183–215 ° C (361–419 ° F)

По экологическим причинам (и введение таких правил, как европейский RoHS (Директива об ограничении использования опасных веществ ), все большее распространение получают бессвинцовые припои. Их также рекомендуют использовать везде, где могут контактировать маленькие дети (поскольку маленькие дети могут класть что-то в рот), или для использования на открытом воздухе, где дождь и другие осадки могут вымыть свинец в грунтовые воды. К сожалению, большинство бессвинцовых припоев не являются эвтектическими составами, плавятся при температуре около 250 ° C (482 ° F), что затрудняет создание с ними надежных соединений.

Другие распространенные припои включают низкотемпературные составы (часто содержащие висмут ), которые часто используются для соединения ранее спаянных сборок без распайки предыдущих соединений, и высокотемпературные составы (обычно содержащие Серебряный ), которые используются для работы при высоких температурах или для первой сборки элементов, которые не должны распаиваться во время последующих операций. 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 имеют самое широкое применение.^[3] Доступны специальные сплавы с такими свойствами, как более высокая прочность, способность паять алюминий, лучшая электропроводность и более высокая коррозионная стойкость.^[4]

Поток

Цель поток это облегчить процесс пайки. Одним из препятствий на пути к успешной пайке является примесь в месте соединения; например, грязь, масло или окисление. Загрязнения можно удалить механической очисткой или химическими средствами, но повышенные температуры, необходимые для плавления присадочного металла (припоя), вызывают повторное окисление заготовки (и припоя). Этот эффект усиливается при повышении температуры пайки и может полностью предотвратить прилипание припоя к заготовке. Одна из самых ранних форм флюса была древесный уголь, который действует как Восстановитель и помогает предотвратить окисление в процессе пайки. Некоторые флюсы выходят за рамки простого предотвращения окисления и также обеспечивают химическую очистку (коррозию) в той или иной форме. Многие потоки также действуют как смачивающий агент в процессе пайки,^[5] сокращение 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), был канифоль на основе канифоли из отобранных сосны. Он был почти идеальным в том смысле, что был некоррозионным и непроводящим при нормальных температурах, но стал умеренно реактивным (коррозионным) при повышенных температурах пайки. В сантехнике и автомобилестроении, среди прочего, обычно используются кислотные (соляная кислота ) флюс, обеспечивающий достаточно агрессивную очистку стыка. 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 небольшого диаметра. Лимонная кислота отличный водорастворимый флюс кислотного типа для меди и электроники. ^[6] но потом необходимо смыть.

Флюсы для мягкого припоя в настоящее время доступны в трех основных составах:

• Водорастворимые флюсы - флюсы с более высокой активностью, которые можно удалить водой после пайки (нет Летучие органические соединения требуется для удаления).
• Флюсы без очистки - достаточно мягкие, чтобы не «требовать» удаления из-за их непроводящих и неагрессивных остатков.^[7] Эти флюсы называются «неочищаемыми», потому что остатки, оставшиеся после операции пайки, не проводят ток и не вызывают коротких замыканий; тем не менее, они оставляют хорошо заметный белый осадок, напоминающий разбавленный птичий помет. Неотмываемые остатки флюса допустимы для всех 3 классов печатных плат, как определено в IPC-610, при условии, что они не препятствуют визуальному осмотру, доступу к контрольным точкам и не имеют влажных, липких или чрезмерных остатков, которые могут распространиться на другие участки. На сопрягаемых поверхностях разъема также не должно быть остатков флюса. Отпечатки пальцев на неочищенных остатках относятся к дефекту 3 класса.^[8]
• Традиционный канифоль флюсы - доступны в неактивированных (R), слабоактивированных (RMA) и активированных (RA) составах. Флюсы RA и RMA содержат канифоль в сочетании с активирующим агентом, обычно кислотой, которая увеличивает смачиваемость металлов, на которые она наносится, путем удаления существующих оксидов. Остаток от использования флюса RA составляет разъедающий и должны быть очищены. Состав флюса RMA обеспечивает менее коррозионный остаток, поэтому очистка становится необязательной, хотя обычно предпочтительной. Флюс R еще менее активен и еще менее агрессивен.

Для получения наилучших результатов необходимо тщательно оценить характеристики флюса; очень мягкий флюс «без очистки» может быть вполне приемлемым для производственного оборудования, но не дает адекватных характеристик для более разнообразных операций ручной пайки.

Процессы

Процессы пайки и пайки таблица классификации^[9]

Существует три формы пайки, каждая из которых требует все более высоких температур и обеспечивает все более высокую прочность соединения:

1. мягкая пайка, в которой изначально использовалось оловянно-свинцовое сплав в качестве присадочного металла
2. серебряная пайка, в которой используется сплав, содержащий Серебряный
3. пайка который использует латунь сплав для наполнителя

Сплав присадочного металла для каждого типа пайки можно регулировать, чтобы изменить температуру плавления присадки. Пайка существенно отличается от склеивания тем, что присадочные металлы непосредственно соединяются с поверхностями деталей в местах соединения, образуя электропроводящую газо- и водонепроницаемую связь.^[7]

Мягкая пайка характеризуется тем, что температура плавления присадочного металла ниже примерно 400 ° C (752 ° F),^[10] в то время как серебряная пайка и пайка твердым припоем используют более высокие температуры, обычно требующие пламенной или угольной дуговой горелки для плавления наполнителя. Присадочные металлы мягкого припоя обычно представляют собой сплавы (часто содержащие вести ) который имеет ликвидус температура ниже 350 ° C (662 ° F).

В этом процессе пайки к соединяемым деталям прикладывается тепло, в результате чего припой плавится и связывается с деталями в процессе поверхностного легирования, который называется смачивание. В многожильном проводе припой втягивается в провод между прядями с помощью капиллярное действие в процессе, называемом «впитыванием». Капиллярное действие также имеет место, когда детали находятся очень близко друг к другу или соприкасаются. Сустава предел прочности зависит от используемого присадочного металла; При электрической пайке небольшая прочность на разрыв возникает из-за добавленного припоя, поэтому рекомендуется скручивать или складывать провода перед пайкой, чтобы обеспечить некоторую механическую прочность соединения. Хорошее паяное соединение обеспечивает электропроводное, водо- и газонепроницаемое соединение.

Каждый тип припоя имеет свои преимущества и недостатки. Мягкий припой называется так из-за того, что в его основе лежит мягкий свинец. При пайке мягким припоем используются самые низкие температуры (и поэтому компоненты подвергаются наименьшей термической нагрузке), но при этом не получается прочное соединение, и она не подходит для применения в условиях механической нагрузки. Он также не подходит для высокотемпературных применений, так как теряет прочность и в конечном итоге плавится. Пайка серебром, используемая ювелирами, машинистами и в некоторых сантехнических приложениях, требует использования горелки или другого источника высокой температуры, и она намного прочнее, чем мягкая пайка. Пайка обеспечивает самые прочные из несварных соединений, но также требует самых высоких температур для расплавления присадочного металла, что требует горелки или другого источника высокой температуры и затемненных очков для защиты глаз от яркого света, производимого раскаленной добела. Его часто используют для ремонта чугунных предметов, кованой мебели и т. Д.

Операции пайки могут выполняться ручными инструментами, по одному стыку за раз, или в массовом порядке на производственной линии. Ручная пайка обычно выполняется с помощью паяльник, паяльник, или факел, а иногда и воздушный карандаш. Обработка листового металла традиционно выполнялась с помощью «паяльных котлов», непосредственно нагретых пламенем, с достаточным запасом тепла в массе паяльной меди для завершения соединения; газовые горелки (например, бутан или пропан) или паяльники с электрическим нагревом более удобны. Для всех паяных соединений требуются одни и те же элементы очистки металлических частей, которые необходимо соединить, подгонки соединения, нагрева деталей, нанесения флюса, нанесения наполнителя, отвода тепла и удержания сборки в неподвижном состоянии до полного затвердевания присадочного металла. В зависимости от типа используемого флюса и области применения может потребоваться очистка стыка после его охлаждения.

Каждый припойный сплав имеет характеристики, которые лучше всего подходят для определенных применений, в частности прочность и проводимость, и каждый тип припоя и сплава имеет разные температуры плавления. Период, термин серебряный припой обозначает тип используемого припоя. Некоторые мягкие припои представляют собой «серебросодержащие» сплавы, используемые для пайки посеребренных предметов. Припои на основе свинца не следует использовать для обработки драгоценных металлов, поскольку свинец растворяет металл и обезображивает его.

Пайка и пайка

Различие между пайкой и пайкой основано на температуре плавления присадочного сплава. Температура 450 ° C обычно используется как практическое разграничение между пайкой и пайкой. Мягкая пайка может выполняться нагретым утюгом, тогда как другие методы обычно требуют более высокой температуры горелки или печи для плавления присадочного металла.

Обычно требуется другое оборудование, так как паяльник не может достичь достаточно высоких температур для твердой пайки или пайки твердым припоем. Присадочный припой прочнее серебряного припоя, который прочнее мягкого припоя на основе свинца. Припои для пайки предназначены в первую очередь для обеспечения прочности, серебряный припой используется ювелирами для защиты драгоценного металла, а также машинистами и техниками по холодильной технике из-за его прочности на растяжение, но более низкой температуры плавления, чем пайка, а основным преимуществом мягкого припоя является используемая низкая температура (чтобы предотвратить тепловое повреждение электронных компонентов и изоляции).

Поскольку соединение производится с использованием металла с более низкой температурой плавления, чем у заготовки, соединение будет ослабевать по мере приближения температуры окружающей среды к температуре плавления присадочного металла. По этой причине при более высоких температурах получаются соединения, эффективные при более высоких температурах. Паяные соединения могут быть такими же или почти такими же прочными, как и детали, которые они соединяют,^[11] даже при повышенных температурах.^[12]

Серебряная пайка

«Пайка твердым припоем» или «серебряная пайка» используется для соединения драгоценных и полудрагоценных металлов, таких как золото, серебро, латунь и медь. Припой обычно описывают как легкий, средний или твердый в зависимости от его температуры плавления, а не прочности соединения. Припой Extra-easy содержит 56% серебра и имеет температуру плавления 618 ° C (1145 ° F). Сверхтвердый припой на 80% состоит из серебра и плавится при 740 ° C (1370 ° F). Если требуется несколько стыков, ювелир начнет с твердого или сверхтвердого припоя, а для последующих стыков переключится на более низкотемпературные припои.

Серебряный припой в некоторой степени поглощается окружающим металлом, в результате получается соединение, которое на самом деле прочнее, чем соединяемый металл. Соединяемый металл должен быть идеально ровным, поскольку серебряный припой обычно не может использоваться в качестве наполнителя и не заполняет зазоры.

Еще одно различие между пайкой и пайкой заключается в способе нанесения припоя. При пайке обычно используются стержни, которые касаются стыка при нагревании. 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 движения до того, как он расплавится.

Когда серебряный припой плавится, он стремится течь в область наибольшего нагрева. Ювелиры могут в некоторой степени контролировать направление движения припоя, направляя его с помощью горелки; иногда он даже идет прямо вверх по шву.

Индукционная пайка

Использование индукционной пайки индукционный нагрев высокочастотным переменный ток в окружающей медной катушке. Это индуцирует токи в паяемой детали, которая выделяет тепло из-за более высокого сопротивления соединения по сравнению с окружающим его металлом (резистивный нагрев ). Этим медным змеевикам можно придать форму, более точно подходящую к стыку. Между лицевыми поверхностями помещается присадочный металл (припой), который плавится при довольно низкой температуре. Флюсы обычно используются при индукционной пайке. Этот метод особенно подходит для непрерывной пайки, когда эти катушки наматываются на цилиндр или трубу, которую необходимо припаять.

Некоторые металлы паять легче, чем другие. Медь, серебро и золото легко. Утюг, мягкая сталь и никель следующие в затруднении. Из-за их тонких и прочных оксидных пленок, нержавеющая сталь а некоторые алюминиевые сплавы паять еще труднее. Титан, магний, чугуны, некоторые высокоуглеродистые стали, керамика, и графит можно паять, но он включает процесс, аналогичный соединению карбидов: сначала на них наносят металлический слой, который вызывает межфазное соединение.

Электронные компоненты (печатные платы)

Распайка SMD конденсатора

Трубка с многожильным припоем для электроники, используемая для ручной пайки

Неправильно припаянный «холодный» стык, провод недостаточно нагрет

Сломанные паяные соединения на печатная плата, стык справа хоть и не сломан, но отделился от доски

В настоящее время массовое производство печатных плат (ПП) в основном припаян волной или оплавить припаянный, хотя ручная пайка производственной электроники также широко используется.

При пайке волной припоя компоненты подготавливаются (подрезаются или модифицируются) и устанавливаются на печатную плату. Иногда, чтобы предотвратить смещение, они временно удерживаются на месте с помощью небольших капель клея или закрепляются приспособлением, а затем сборку пропускают через текущий припой в контейнере для сыпучих материалов. Этот поток припоя вынужден создавать стоячую волну, поэтому вся печатная плата не погружается в припой, а просто соприкасается. В результате припой остается на контактах и ​​контактных площадках, но не на самой печатной плате.

Пайка оплавлением - это процесс, в котором паяльная паста (смесь предварительно легированного порошка припоя и флюса, имеющего консистенцию арахисового масла^[7]) используется для прикрепления компонентов к их контактным площадкам, после чего сборку нагревают инфракрасной лампой, ручкой горячего воздуха или, что более часто, пропусканием ее через тщательно контролируемую печь.

Поскольку разные компоненты лучше всего собирать разными методами, обычно для одной печатной платы используют два или более процесса. Например, поверхностный монтаж части могут быть сначала припаяны оплавлением, с процессом пайки волной припоя для сквозное отверстие Далее идут установленные компоненты, а в последнюю очередь - более громоздкие детали.

Ручная пайка

Для ручной пайки инструмент источника тепла выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточный нагрев в соответствии с размером выполняемого стыка. Паяльник на 100 ватт может обеспечить слишком много тепла для печатных плат, в то время как 25-ваттный паяльник не обеспечит достаточно тепла для больших электрических разъемов, соединения медной кровли или большого витража. Использование инструмента со слишком высокой температурой может повредить чувствительные компоненты, но продолжительное нагревание слишком холодным или недостаточно мощным инструментом также может вызвать тепловое повреждение, возможно даже отсоединение следов печатной платы от подложки.

Методы ручной пайки требуют большого мастерства для пайки с мелким шагом поверхностного монтажа. чип пакеты. Особенно Шаровая сетка (BGA) Устройства, как известно, трудно, если не невозможно, переделать вручную.

Для крепления 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 покрытым припоем для обеспечения быстрой передачи тепла. Компоненты, которые во время работы рассеивают большое количество тепла, иногда поднимаются над печатной платой, чтобы избежать ее перегрева. После вставки компонента, смонтированного в сквозном отверстии, лишний провод отрезается, оставляя длину около радиуса колодки. Пластиковые или металлические монтажные зажимы или держатели могут использоваться с большими устройствами для улучшения теплоотвода и уменьшения напряжений в соединениях.

Радиатор может использоваться на выводах термочувствительных компонентов для уменьшения теплопередачи к компоненту. Это особенно применимо к деталям из германия. Радиатор будет означать использование большего количества тепла для завершения соединения, поскольку тепло, поглощаемое радиатором, не нагревает детали. Если все металлические поверхности не были должным образом очищены («флюсованы») или не были полностью доведены до температуры плавления используемого припоя, результатом будет ненадежное («холодный припой») соединение, даже если его внешний вид может указывать на иное.

Чтобы упростить пайку, новичкам обычно советуют наносить паяльник и припой отдельно на соединение, а не наносить припой непосредственно на утюг. Когда нанесено достаточное количество припоя, припой удаляется. Когда поверхности достаточно нагреваются, припой будет стекать по заготовкам. Затем утюг удаляется из стыка.

Дефекты пайки

Поскольку неэвтектические припои имеют небольшой диапазон пластичности, соединение нельзя перемещать до тех пор, пока припой не остынет через температуры ликвидуса и солидуса. При визуальном осмотре хорошее паяное соединение будет выглядеть гладким и блестящим, с четко видимым контуром припаянного провода. Матовая серая поверхность - хороший показатель того, что стык сместился при пайке. Граница между припоем и деталью в хорошем соединении будет иметь небольшой угол.

Другие дефекты припоя также можно обнаружить визуально. Соединения холодной пайки тусклые, иногда с трещинами или рябинами. Слишком мало припоя приведет к «сухому» и ненадежному соединению; слишком много припоя (знакомая новичкам «капля припоя») не обязательно является ненадежным, но, как правило, означает плохое смачивание. Для некоторых флюсов, возможно, потребуется удалить остатки флюса, оставшиеся на стыке, с помощью воды, спирта или других растворителей, совместимых с соответствующими деталями.

Избыточный припой, неиспользованный флюс и остатки иногда удаляются с жала паяльника между стыками. Наконечник сверла (обычно покрытый железом для уменьшения эрозии) в горячем состоянии смачивается припоем («луженым») для облегчения пайки и для минимизации окисления и коррозии самого наконечника.

Оплавление горячей полосы

Оплавление горячей полосы представляет собой процесс выборочной пайки, при котором две предварительно флюсованные детали с покрытием припоя нагреваются с помощью нагревательного элемента (называемого термодатчиком) до температуры, достаточной для расплавления 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. До 4000 W может использоваться в нагревательном элементе, обеспечивая быструю пайку, хорошие результаты с соединениями, требующими высокой энергии.^[13]

Лазер

Лазерная пайка это техника, в которой 30–50W лазер используется для расплавления и пайки электрического соединения. Диод Для этого используются лазерные системы на основе полупроводниковых переходов.^[14] Сюзанна Дженниш запатентованная лазерная пайка в 1980 году.^[15]

Длины волн обычно составляют от 808 до 980 нм. Луч подводится к изделию по оптическому волокну с диаметром волокна 800 мкм и меньше. Поскольку луч, выходящий из конца волокна, быстро расходится, линзы используются для создания пятна подходящего размера на заготовке на подходящем рабочем расстоянии. Механизм подачи проволоки используется для подачи припоя.^[16]

Свинцово-оловянный и серебристо-оловянный материал можно паять. Рецепты процесса будут отличаться в зависимости от сплав сочинение. Для пайки 44-контактных держателей микросхем на плату с использованием заготовок для пайки уровни мощности составляли порядка 10 Вт, а время пайки - примерно 1 секунду. Низкие уровни мощности могут привести к неполному смачиванию и образованию пустот, что может ослабить соединение.

Экологическое регулирование и RoHS

Экологическое законодательство многих стран и всей европейское сообщество площадь (см. RoHS ), привела к изменению состава как припоев, так и флюсов. Водорастворимые флюсы на не канифольной основе все чаще используются с 1980-х годов, так что паяные платы можно очищать водой или очистителями на водной основе. Это устраняет опасные растворители из производственной среды и заводских стоков. Эти правила также привели к сокращению использования припоев на основе свинца и к повышению температуры плавления используемых припоев до 60 ° C (100 ° F).

Инфракрасная пайка Fiber Focus

Инфракрасная пайка с волоконным фокусом - это техника, в которой многие инфракрасный источники проходят через волокна, затем сфокусировался на единственной точке, в которой было припаяно соединение.^{[17][неудачная проверка ]}

Пайка труб

Паяные медные трубы

Припой

Бессвинцовый припой

Медная труба или «трубка» обычно соединяется пайкой. При применении в контексте торговли сантехникой в ​​Соединенных Штатах, пайка часто упоминается как потливость, и сделанное таким образом трубное соединение называется потный сустав.

За пределами США термин «запотевание» относится к соединению вместе плоских металлических поверхностей с помощью двухэтапного процесса, при котором припой сначала наносится на одну поверхность, затем эта первая деталь помещается на место напротив второй поверхности, и обе повторно нагреваются. для достижения желаемого стыка.

Медная трубка отводит тепло намного быстрее, чем может обеспечить обычный ручной паяльник или пистолет, поэтому пропановая горелка чаще всего используется для передачи необходимой мощности; для труб и фитингов больших размеров a MAPP -топлива, ацетилен -заправленный, или пропилен -заправочная горелка - в качестве окислителя используется атмосферный воздух; MAPP / кислород или ацетилен / кислород редко используются, потому что температура пламени намного выше, чем точка плавления меди. Слишком большое количество тепла разрушает состояние закаленной медной трубки и может выгореть флюс из стыка до того, как будет добавлен припой, что приведет к повреждению стыка. Для трубок большего диаметра можно использовать резак со сменными кончики завихрения используется для обеспечения необходимой тепловой мощности. В руках опытного торговец более горячее пламя ацетилена, MAPP или пропилена позволяет выполнять большее количество стыков в час без ущерба для отпуска меди.

Однако можно использовать электрический инструмент для пайки соединений медных труб диаметром от 8 до 22 мм (³⁄₈ к ⁷⁄₈ в). Например, Antex Pipemaster рекомендуется использовать в ограниченном пространстве, когда открытый огонь опасны, или сделай это сам пользователей. В плоскогубцы -подобный инструмент использует подогреваемые губки, которые полностью охватывают трубу, позволяя расплавить соединение всего за 10 секунд.^[18]

Фитинги под пайку, также известные как капиллярная арматура, обычно используются для медных соединений. Эти фитинги представляют собой короткие отрезки гладкой трубы, предназначенные для скольжения по внешней стороне ответной трубы. Обычно используемые фитинги включают прямые соединители, переходники, отводы и тройники. Есть два типа фитингов под пайку: концевые фитинги подачи которые не содержат припоя, и паяные кольца (также известные как йоркширские фитинги), в которых есть кольцо припоя в небольшом круглом углублении внутри фитинга.

Как и все паяные соединения, все соединяемые детали должны быть чистыми и не содержать оксидов. Внутренние и внешние проволочные щетки доступны для обычных размеров труб и фитингов; наждачная бумага также часто используются проволочная вата, хотя использование изделий из металлической ваты не рекомендуется, поскольку они могут содержать масло, которое могло бы загрязнить соединение.

Из-за размера задействованных частей, а также высокой активности и склонности к загрязнению пламени водопроводные флюсы обычно намного более химически активны и часто более кислые, чем электронные флюсы. Поскольку сантехнические соединения могут выполняться под любым углом, даже в перевернутом положении, водопроводные 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 припоя для водопровода 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, хотя традиционный оловянно-свинцовый припой все еще доступен. Исследования показали, что водопроводные трубы с пайкой из свинца могут привести к повышению уровня свинца в питьевой воде.^[19][20]

Поскольку медная труба быстро отводит тепло от стыка, необходимо проявлять большую осторожность, чтобы обеспечить надлежащий прогрев стыка для получения хорошего сцепления. После того, как соединение должным образом очищено, флюсовано и подогнано, пламя горелки воздействует на самую толстую часть соединения, обычно на фитинг с трубой внутри него, при этом припой наносится на зазор между трубкой и фитингом. Когда все детали нагреваются насквозь, припой расплавится и потечет в соединение за счет капиллярного действия. Возможно, потребуется переместить горелку вокруг стыка, чтобы убедиться, что все участки смочены. Однако установщик должен позаботиться о том, чтобы не перегреть паяемые участки. Если трубка начинает обесцвечиваться, это означает, что трубка была перегрета и начинает окисляться, что останавливает поток припоя и вызывает нарушение герметичности паяного соединения. Перед окислением расплавленный припой будет следовать за теплом горелки вокруг соединения. Когда соединение должным образом смачивается, припой, а затем тепло удаляются, и, пока соединение все еще очень горячее, его обычно протирают сухой тряпкой. Это удаляет излишки припоя, а также остатки флюса до того, как он остынет и затвердеет. При использовании паяного кольцевого соединения соединение нагревается до тех пор, пока кольцо из расплавленного припоя не будет видно по краю фитинга, и ему дадут остыть.

Из трех методов соединения медных трубок паяные соединения требуют наибольшего мастерства, но пайка меди является очень надежным процессом при соблюдении некоторых основных условий:

• Трубки и фитинги должны быть очищены до металла без потускнения.
• Любое давление, которое создается при нагревании трубки, должно иметь выходное отверстие.
• Стык должен быть сухим (что может быть сложно при ремонте водопроводных труб).

Медь - только один из материалов, который соединяют таким образом. Латунные фитинги часто используются для клапанов или в качестве соединительного элемента между медью и другими металлами. Таким образом припаиваются латунные трубопроводы при изготовлении латунные инструменты и немного деревянный духовой (саксофон и флейта) музыкальные инструменты

Механическая пайка и пайка алюминия

Ряд припоев, в первую очередь цинк сплавы, используются для пайки металла и сплавов алюминия и, в меньшей степени, стали и цинка. Эта механическая пайка аналогична операции низкотемпературной пайки в том, что механические характеристики соединения достаточно хороши, и ее можно использовать для структурного ремонта этих материалов.

В Американское сварочное общество определяет пайку как использование присадочных металлов с температурой плавления выше 450 ° C (842 ° F) или, согласно традиционному определению в США, выше 800 ° F (427 ° C). Алюминиевые паяльные сплавы обычно имеют температуру плавления около 730 ° F (388 ° C).^[21] Эта операция пайки / пайки может использовать источник тепла пропановой горелки.^[22]

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 / припоев на основе цинка.^[23] Этой спецификации соответствует ряд продуктов.^[22][24][25] или очень похожие стандарты производительности.^[21]

Пайка сопротивлением

Пайка сопротивлением - это пайка, при которой тепло, необходимое для протекания припоя, создается путем пропускания электрического тока через припой. Когда ток проходит через резистивный материал, выделяется определенный уровень тепла. Регулируя количество проводимого тока и уровень сопротивления, можно заранее определить и контролировать количество выделяемого тепла.

Электрическое сопротивление (обычно описываемое как сопротивление материала потоку электрического тока) используется для преобразования электрической энергии в тепловую энергию в виде электрического тока (я) проведенный через материал с сопротивлением (р) высвобождает мощность (п) равно п = я²р, где п мощность, измеренная в ваттах, я ток измеряется в амперах и р сопротивление, измеренное в Ом.

Пайка сопротивлением отличается от использования токопроводящего утюга, где тепло выделяется внутри элемента и затем проходит через теплопроводящий наконечник в область соединения. Холодному паяльнику требуется время для достижения рабочей температуры, и его необходимо держать горячим между паяными соединениями. Термоперенос может быть заблокирован, если наконечник не будет должным образом увлажнен во время использования. С помощью пайки сопротивлением можно быстро и строго контролировать интенсивное нагревание непосредственно в области соединения. Это позволяет быстрее нарастить температуру до требуемой температуры расплава припоя и минимизировать тепловое перемещение от паяного соединения, что помогает минимизировать вероятность теплового повреждения материалов или компонентов в окружающей области. Тепло выделяется только при выполнении каждого соединения, что делает пайку сопротивлением более энергоэффективной. Оборудование для резистивной пайки, в отличие от токопроводящего утюга, может использоваться для сложных задач пайки и пайки, где могут потребоваться значительно более высокие температуры. Это делает сопротивление сопоставимым с пламенной пайкой в ​​некоторых ситуациях. Когда требуемая температура может быть достигнута либо методами пламени, либо методами сопротивления, теплота сопротивления более локализована из-за прямого контакта, тогда как пламя будет распространяться, нагревая потенциально большую площадь.

Пайка витражей

Исторически, витраж жала паяльника были медными, нагревались за счет помещения в древесный уголь -горание мангал. Использовались несколько наконечников; когда один наконечник остывал после использования, его снова помещали в жаровню с углем и использовали следующий наконечник.

В последнее время используются паяльники с электрическим нагревом. Они нагреваются катушкой или керамическим нагревательным элементом внутри наконечника утюга. Доступны различные номинальные мощности, а температуру можно контролировать с помощью электроники. Эти характеристики позволяют работать с более длинными валиками, не прерывая работу по замене наконечников. Паяльники, предназначенные для использования в электронике, часто бывают эффективны, хотя иногда они недостаточно мощны для тяжелой меди и свинца, который использовался в витражах. Олеиновая кислота - классический флюсовый материал, который используется для улучшения паяемости.

Витражи типа Тиффани изготавливаются путем приклеивания медной фольги по краям кусков стекла и последующего их спайки. Этот метод позволяет создавать объемные витражи.

Активная пайка

Пайка без флюса с помощью обычных паяльник, ультразвуковая пайка утюг или специализированный припой и активный припой, который содержит активный элемент, чаще всего титан, цирконий или хром.^[26] Активные элементы из-за механической активации вступают в реакцию с поверхностью материалов, которые обычно считаются трудными для пайки без предварительной металлизации. Активные припои можно защитить от чрезмерного окисления их активного элемента путем добавления редкоземельные элементы с более высоким сродством к кислороду (обычно церий или лантан ). Другой распространенной добавкой является галлий - обычно вводится как промотор смачивания. Механическая активация, необходимая для активной пайки, может выполняться щеткой (например, с использованием щетки из нержавеющей проволоки или стального шпателя) или ультразвуковой вибрацией (20–60 кГц). Было показано, что активная пайка эффективно склеивает керамику,^[26] алюминий, титан, кремний,^[27] структуры на основе графита и углеродных нанотрубок ^[28] при температуре ниже 450 ° C или использовании защитной атмосферы.

Паяемость

Паяемость подложки - это мера легкости, с которой может быть выполнено паяное соединение с этим материалом.

Распайка и пайка

Использованный припой содержит растворенные основные металлы и не подходит для повторного использования при создании новых соединений. Как только способность припоя к основному металлу будет достигнута, он больше не будет должным образом связываться с основным металлом, что обычно приводит к хрупкому холодному паяному соединению с кристаллическим внешним видом.

Перед пайкой рекомендуется удалить припой с стыка.распайка косы или вакуумное демонтажное оборудование (присоски для припоя ) может быть использован. Фитили для демонтажа содержат большое количество флюса, который снимает загрязнения с медных проводов и любых имеющихся выводов устройства. В результате останется яркий, блестящий и чистый стык, который нужно перепаять.

Более низкая температура плавления припоя означает, что он может расплавиться от основного металла, оставив его в основном неповрежденным, хотя внешний слой будет «луженым» припоем. Останется флюс, который легко удалить абразивными или химическими способами. Этот луженый слой позволяет припою течь в новое соединение, в результате чего получается новое соединение, а также заставляет новый припой течь очень быстро и легко.

Бессвинцовая электронная пайка

В последнее время экологическое законодательство специально нацелено на широкое использование свинца в электронной промышленности. Директивы RoHS в Европе требуют, чтобы многие новые электронные платы к 1 июля 2006 года не содержали свинца, в основном в индустрии потребительских товаров, но также и в некоторых других. В Японии использование свинца было прекращено до принятия законодательства производителями из-за дополнительных расходов на переработку продуктов, содержащих свинец.^[29] Однако даже без присутствия свинца при пайке могут выделяться вредные и / или токсичные для человека пары. Настоятельно рекомендуется использовать устройство, которое может удалять пары из рабочей зоны посредством вентиляции снаружи или фильтрации воздуха.^[30]

Бессвинцовая пайка требует более высоких температур пайки, чем пайка свинец / олово. SnPb 63/37 Эвтектический припой плавится при 183 ° С. Бессвинцовый припой SAC плавится при 217–220 ° СТем не менее, в связи с этим возникло много новых технических проблем; Чтобы снизить температуру плавления припоев на основе олова, необходимо было 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 коррозионным металлом, и может со временем привести к выходу из строя паяльных ванн^{[требуется разъяснение ]} и т.п.^[29]

Бессвинцовая конструкция также распространилась на компоненты, контакты и разъемы. В большинстве этих булавок использовались медные оправы, а также свинец, олово, золото или другая отделка. Оловянная отделка - самая популярная из бессвинцовых покрытий. Тем не менее, это поднимает вопрос о том, как бороться с оловянные усы. Текущее движение возвращает электронную промышленность к проблемам, решенным в 1960-х годах добавлением свинца. JEDEC создал систему классификации, чтобы помочь производителям бессвинцовой электроники решить, какие меры следует принять против усов, в зависимости от их применения.

Дефекты пайки

При соединении медной трубки неспособность должным образом нагреть и заполнить соединение может привести к образованию «пустоты». Обычно это результат неправильного размещения пламени. Если тепло пламени не направлено на заднюю часть чашки фитинга, а припой нанесен на градусы^{[количественно оценить ]} напротив пламени, то припой быстро заполнит отверстие фитинга, задерживая некоторое количество флюса внутри соединения. Этот пузырь захваченного потока и есть пустота; область внутри паяного соединения, где припой не может полностью заполнить чашку фитинга, потому что флюс запечатан внутри соединения, не позволяя припою занимать это пространство.

Электроника

В процессе пайки могут возникнуть различные проблемы, которые приводят к тому, что соединения перестают функционировать сразу или после определенного периода использования.

Самый 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 непосредственного нагрева припоя, а не самих деталей. При правильном выполнении утюг нагревает соединяемые детали, которые, в свою очередь, расплавляют припой, обеспечивая достаточный нагрев соединяемых частей для тщательного смачивания. При электронной ручной пайке флюс заделывают в припой. Следовательно, сначала нагрев припоя может вызвать испарение флюса до того, как он очистит паяемые поверхности. Соединение холодной пайки может вообще не проводить или проводить только с перерывами. Соединения, выполненные холодной пайкой, также встречаются в массовом производстве и являются частой причиной оборудования, которое проходит испытания, но выходит из строя после многих лет эксплуатации. «Сухой стык» возникает при перемещении охлаждающего припоя и часто возникает из-за того, что стык перемещается, когда паяльник вынимается из стыка.

Неправильно подобранный или нанесенный флюс может вызвать выход из строя соединения. Если не очистить должным образом, флюс может вызвать коррозию соединения и в конечном итоге привести к его повреждению. Без флюса соединение может быть нечистым или окисляться, что приведет к повреждению соединения.

В электронике часто используются некоррозионные флюсы. Следовательно, очистка флюса может быть просто вопросом эстетики или облегчением визуального осмотра стыков в специализированных «критически важных» приложениях, таких как медицинские устройства, военные и аэрокосмические. Для спутников это тоже немного снизит вес, но с пользой. При высокой влажности даже некоррозионный флюс может оставаться немного активным, поэтому флюс можно удалить, чтобы со временем уменьшить коррозию. В некоторых случаях на печатную плату может быть нанесен защитный материал, например лак чтобы защитить его и открытые паяные соединения от окружающей среды.

Движение паяемых металлов до того, как припой остынет, вызовет очень ненадежное соединение с трещинами. В терминологии пайки электроники это называется «сухим» соединением. Он имеет характерно тусклый или зернистый вид сразу после соединения, а не гладкий, яркий и блестящий. Это появление вызвано кристаллизацией жидкого припоя. Сухое соединение является слабым механически и плохим электрическим проводником.

В общем, красивый паяный стык - это хороший стык. Хороший стык будет гладким, ярким и блестящим. Если на стыке имеются комочки или шарики блестящего припоя, значит, металл «не смачивается» должным образом. Отсутствие яркости и блеска предполагает слабый «сухой» сустав. Однако составы припоя, не содержащие свинца, могут остыть до матовой поверхности, даже если соединение хорошее. Припой выглядит блестящим в расплавленном состоянии и внезапно затуманивается при затвердевании, хотя во время охлаждения он не был поврежден.

В электронике а 'вогнутый филе идеально. Это указывает на хорошее смачивание и минимальное использование припоя (следовательно, минимальное обогрев термочувствительных компонентов). Соединение может быть хорошим, но, если используется большое количество ненужного припоя, очевидно, что потребуется дополнительный нагрев. Чрезмерный нагрев печатной платы может привести к «расслоению» - медная дорожка может фактически оторваться от платы, особенно на односторонних печатных платах без покрытие сквозных отверстий.

инструменты

В принципе, любой тип паяльного инструмента может выполнять любые работы с припоем при температурах, которые он создает. На практике разные инструменты больше подходят для разных приложений.

Инструменты для ручной пайки, широко используемые для работы с электроникой, включают в себя электрический паяльник, который может быть оснащен различными наконечниками, от тупых до очень тонких, до зубильных головок для горячей резки пластмасс, а не пайки. Самые простые утюги не имеют регулировки температуры; маленькие утюги быстро остывают, когда их используют для пайки, скажем, металлического корпуса, в то время как большие утюги имеют слишком громоздкие наконечники для работы с печатными платами и подобной тонкой работы. Утюги с регулируемой температурой обладают запасом мощности и могут поддерживать температуру в широком диапазоне работ. В паяльник нагревается быстрее, но имеет более крупный и тяжелый корпус. Газовые утюги с каталитическим наконечником для небольшого нагрева без пламени используются в портативных устройствах. Пистолеты с горячим воздухом и карандаши позволяют переработка комплектов компонентов, которые не могут быть легко выполнены с помощью электрических утюгов и пистолетов.

Для неэлектронных применений в паяльных горелках для нагрева припоя используется пламя, а не жало. Паяльные горелки часто работают на бутане.^[31] и доступны в размерах от очень маленьких блоков бутана / кислорода, подходящих для очень тонких, но высокотемпературных ювелирных изделий, до полноразмерных газокислородных горелок, подходящих для гораздо более крупных работ, таких как медные трубопроводы. Обычные многоцелевые пропановые горелки, такие же, как для удаления тепла с краски и оттаивания труб, могут использоваться для пайки труб и других довольно крупных объектов как с насадкой для паяльника, так и без нее; трубы обычно паяют горелкой, непосредственно прикладывая открытый огонь.

Паяльная медь - это инструмент с большой медной головкой и длинной ручкой, который нагревается в кузнец выжигали огонь и применяли тепло для листовой металл для пайки. Типичные паяльные котлы имеют головки весом от одного до четырех фунтов. Голова обеспечивает большую термическая масса хранить достаточно тепла для пайки больших площадей перед повторным нагревом на огне; чем больше головка, тем дольше рабочее время. Исторически пайка меди была стандартным инструментом для кузовных работ, хотя припой для тела был в основном заменен точечная сварка для механического соединения и неметаллические наполнители для контурной обработки.

Тостерные печи а переносные инфракрасные лампы использовались любителями для воспроизведения производственных процессов пайки в гораздо меньших масштабах.

Щетинки из щетины обычно используются для нанесения флюса сантехнической пасты. Для электронных работ обычно используется припой с флюсовым сердечником, но можно использовать дополнительный флюс из флюсовая ручка или из маленького флакона с иглой, похожей на шприц.

Металличесая щетка, проволочная вата и наждачная бумага обычно используются для подготовки сантехнических швов к подключению. Электронные соединения обычно выполняются между лужеными поверхностями, которые редко требуют механической очистки, хотя потускневшие выводы компонентов и медные следы с темным слоем оксидной пассивации (из-за старения), как на новой макетной плате, которая хранилась на полке для около года и более, возможно, потребуется механическая очистка.

Некоторые флюсы для электроники спроектированы так, чтобы быть стабильными и неактивными при охлаждении, и их не нужно счищать, хотя при желании они все еще могут быть такими, в то время как другие флюсы имеют кислотный характер и должны быть удалены после пайки, чтобы предотвратить коррозию схем. Для сборки и переделки печатных плат обычно используют спирт или ацетон с ватными тампонами или щетинными щетками для удаления остатков флюса после пайки. Тяжелая тряпка обычно используется для удаления флюса с сантехнического соединения до того, как он остынет и затвердеет. Также можно использовать щетку из стекловолокна.

А радиатор, например зажим "крокодил", можно использовать для предотвращения повреждения термочувствительных компонентов при ручной пайке. Радиатор ограничивает температуру корпуса компонента, поглощая и рассеивая тепло (уменьшая тепловое сопротивление между компонентом и воздухом), в то время как тепловое сопротивление выводов поддерживает разницу температур между частью припаянных выводов и компонентом. корпус так, чтобы выводы стали достаточно горячими, чтобы расплавить припой, в то время как корпус компонента остается более холодным. При пайке труб, плотно соединенных с клапанами, например, в системах охлаждения, может потребоваться защита клапана от тепла, которое может повредить резиновые или пластиковые компоненты внутри; в этом случае влажная ткань, обернутая вокруг клапана, часто может отводить достаточно тепла из-за кипения вода для защиты клапана.^{[нужна цитата ]}

Во время Второй мировой войны и некоторое время после нее ГП Силы использовали небольшие пиротехнические самоспаяющиеся соединения для создания соединений для дистанционного подрыва подрывных и диверсионных взрывчатых веществ. Они состояли из небольшой медной трубки, частично заполненной припоем, и медленно горящего пиротехнического состава, обернутого вокруг трубки. Соединяемые провода вставлялись в трубку, и небольшая капля воспламеняющего компаунда позволяла ударить по устройству, как спичку, чтобы зажечь пиротехнику и нагреть трубку достаточно долго, чтобы расплавить припой и сделать соединение.^{[нужна цитата ]}

Смотрите также

• Пайка погружением
• Техник-электронщик
• Усталость припоя
• Паяльная маска

использованная литература

внешние ссылки

• Руководство по демонтажу
• Краткое видео объяснение того, как работает припой
• Пайка 101 (Архив)