Демистификация пайки: понимание основ для достижения успеха в пайке

Паять - удивительно простой навык, если вы знаете, что делаете. Последнее имеет решающее значение, поскольку аппарат включает в себя манипуляции с компонентами, рассчитанными на максимальную выдержку в 250 ° F, с помощью инструмента, который работает при температуре 650 ° F.

Возможности для ошибки здесь довольно мала, и ошибки часто катастрофичны и дороги, что отговаривает большинство новичков от упорства в первоначальных неудачах. Однако этого можно вообще избежать, если сразу усвоить основы.

Читайте дальше, чтобы узнать основы пайки и избавить себя от ужасов обугленной электроники и разбитых мечтаний.

Зачем вам паять?

На самом базовом уровне пайка создает надежные электрические (и, следовательно, механические) соединения между проводящими металлическими компонентами. Это включает в себя соединение пары проводов или электронного компонента на печатной плате (PCB).

Критически настроенные среди вас могут задаться вопросом, почему бы просто не скрутить провода или не прикрепить компоненты к печатной плате с помощью гаек и болтов. У этого подхода есть две основные проблемы. Во-первых, такие соединения не обладают механической устойчивостью при движении или вибрации. Во-вторых, хотя крепежные детали механически надежны, они совершенно не являются электрически устойчивыми.

Мы запросили информацию от Д-р Лакшми Нараян Рамасубраманян от Департамент материаловедения и инженерии Индийского технологического института в Дели, чтобы прояснить некоторые технические аспекты пайки.

Чувствительной электронике абсолютно необходимы электрические соединения с низким сопротивлением, чтобы поддерживать постоянную проводимость на протяжении всего срока службы продукта. Этого сложно добиться простым стыковкой компонентов с помощью крепежа. 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 прецизионных электронных устройств.

Связанный: Как обновить свой 3D-принтер Ender-3

Когда вы спаиваете два компонента, сам припой соединяется с металлом (обычно медью), образуя совершенно новый сплав. Пайка по существу связывает компоненты на молекулярном уровне, не оставляя воздушного зазора и тем самым исключая возможность окисления. Дополнительная механическая стабильность - долгожданный бонус.

Связывание металлов путем их плавления - рискованное занятие, учитывая, что большинство полупроводниковых компонентов рассчитаны на работу при максимальной температуре 250 ° F. Использование тепла для плавления выводов интегрированного чипа с контактными площадками на печатной плате невозможно, поскольку медь плавится при невероятной температуре 1984 ° F. Вы обязаны прожарить компонент задолго до того, как создадите надежный стык.

Именно здесь вступают в игру уникальный состав и термодинамические свойства припоя.

Припой - это эвтектический сплав, состоящий из свинца и олова. Эвтектическое долото важно, потому что оно позволяет сплаву плавиться при значительно более низкой температуре по сравнению с составляющими его металлами. В то время как чистый свинец и олово плавятся при температуре 620 ° F и 450 ° F соответственно, припой, состоящий из этих двух металлов, смешанных в соотношении 63:37, начинает течь при температуре всего 361 ° F.

Хотя может показаться, что пайка включает в себя плавление медных проводов или выводов компонентов на печатной плате, на самом деле процесс работает, используя действие металлического растворителя припоя. Когда горячий припой вводится в выводы медных компонентов, он действует как растворитель, проникающий и растворяющий открытые медные поверхности. Это действие растворителя сплавляет их на молекулярном уровне с образованием совершенно нового сплава в интерметаллическом слое.

Это явление называется смачиванием, и оно абсолютно необходимо для процесса пайка, то есть преобразование разрозненных компонентов в непрерывный и электропроводящий корпус из гибридный сплав.

Связанный: Интересные проекты DIY-электроники стоимостью менее 15 долларов США

Борьба с окислением с помощью флюса

Действие припоя, растворяющее металл, является самой основой успешных паяных соединений. Однако с практической точки зрения припой не может сам по себе вызывать смачивание. Этот процесс катализируется подачей тепла как на припой, так и на выводы медных компонентов.

Это проблема, потому что тепло также вызывает быстрое окисление открытых медных поверхностей в присутствии воздуха. Образовавшийся пограничный слой оксида действует как барьер, делающий невозможным смачивание. Проблема усугубляется из-за грязи, сажи, масла для пальцев, жира и других загрязнений, присутствующих на поверхностях компонентов. Они дополнительно препятствуют действию растворителя металла, необходимому для успешного паяного соединения.

Вы можете попробовать очистить поверхности, но вы столкнетесь с совершенно новым оксидным слоем в тот момент, когда повторно нагреете медные провода. Если бы только был способ удалить оксидный слой при пайке. Что ж, именно это и делает флюс.

Флюс состоит из канифоли, которая представляет собой твердую форму смолы, получаемой из растений. В электронике канифоль используется сама по себе или в сочетании с мягкими активаторами, которые позволяют полученному флюсу оставаться некоррозийным и непроводящим при комнатной температуре. То же самое становится достаточно активным, чтобы химически отмывать оксиды и другие загрязнения при подаче достаточного количества тепла.

Когда вы покрываете поверхности, предназначенные для пайки, флюсом, тепло, прикладываемое во время процесса пайки, катализирует флюс и удаляет загрязнения. Это обнажает чистую медь и делает возможным смачивание. Флюс можно наносить на компоненты до пайки, но он также вводится во время процесса через сам припой.

Большинство современных припоев имеют внутренний сердечник, заполненный канифольным флюсом, который автоматически распределяется во время пайки.

Когда паять, а когда не паять

Теперь, когда мы разобрались с наукой, лежащей в основе пайки, не менее важно знать, когда паять, а когда делать это - плохая идея. Все, что связано с печатными платами, почти всегда паяется. Этот процесс обеспечивает отличную электропроводность и достаточную степень механического закрепления, значительно уменьшая при этом общий размер ваших электронных проектов.

Однако иногда стоит точно знать, когда не следует прибегать к пайке.

Хотя провода могут быть припаяны друг к другу или на печатных платах, вы должны пересмотреть всякий раз, когда желаемое приложение связано с какой-либо степенью движения или вибрации. Приложения для автомобилей, робототехники и 3D-печати - отличные примеры, когда пайка обычно ограничивается печатными платами и категорически избегается для всех кабельных наконечников.

Это связано с тем, что паяные соединения твердые, но хрупкие и поэтому подвержены усталости при изгибе. Определенно нежелательная черта для электрических соединений, подверженных постоянной вибрации и движениям. Паяные кабели в таких случаях подвергаются усталости при изгибе и, как следствие, выходят из строя в хрупких соединениях.

Именно поэтому кабельные наконечники, подверженные таким нагрузкам, в этих приложениях обжимаются, а не паяются.

Хотя это может показаться нелогичным, пайка - не единственный способ получить газонепроницаемые и устойчивые к окислению соединения. Огромное давление, создаваемое при обжиме медных проводов на молекулярном уровне, делает их идеально газонепроницаемыми.

Фактически, гофрированные соединения как механически, так и электрически превосходят их паяные аналоги, а также обладают устойчивостью к усталости при изгибе. Д-р Рамасубраманиан называет отсутствие интерметаллидов в гофрированных соединениях основной причиной того, что поверхность раздела из чистой меди демонстрирует улучшенную проводимость по сравнению с паяными соединениями.

Он также объясняет, что соединение медь-медь в гофрированных соединениях по своей природе более прочное, потому что похожие атомы имеют тенденцию образовывать прочные, стабильные связи. С другой стороны, разнородные атомы меди, свинца и олова, обнаруженные в паяных соединениях, образуют относительно более слабые связи, которые находятся в постоянном напряжении, что, в свою очередь, ускоряет усталостное растрескивание при механических нагрузках. стресс.

Связанный: Руководство для новичков по самодельным 3D-принтерам Voron

Вот почему вы не найдете ни одного припаянного кабельного наконечника в моторном отсеке вашего автомобиля. То же самое для 3D-принтеров и любого другого устройства, подверженного постоянной вибрации и движению.

Чем больше ты знаешь

Знание основной механики пайки и того, когда ее целесообразно применять в ваших проектах, будет иметь значение между успехом и сотней с лишним долларов на поврежденную электронику.

9 лучших паяльников для начинающих

Если вас интересует электроника, вам понадобится паяльник. Вот лучшие паяльники для вас.

Читать далее

Об авторе