Pájení. Téma 3 elektrotechnika. Praktická cvičení 2.ročník RIT

Transkript

1 Pájení Téma 3 elektrotechnika Praktická cvičení 2.ročník RIT

2 Pájení PÁJENÍ (SOLDERING) Pájení je způsob spojování kovových součástek roztaveným pomocným materiálem s nižší teplotou tavení než mají spojované součásti (neroztaví se), tj. PÁJKOU. Podle teploty tavení pájky se rozlišuje: PÁJENÍ MĚKKÉ (DO 450 C) jako pájky se používají slitiny dvou nebo více kovů s nízkou teplotou tavení, typicky Pb, Sn, Cd, Zn, Ag a další. Sn63Pb37 - bod tavení C Sn99,3Cu0,7 - bod tavení 227 C S-Sn99Cu1 - bod tavení C Sn99Ag0,3Cu0,7 bod tavení C Sn97Cu3 - bod tavení C Bi50Pb25Sn25 Roseův kov bod tavení C

3 Pájení PÁJENÍ TVRDÉ (NAD 450 C) Jako pájky se používají různé slitiny i čisté kovy s vyšší teplotou tavení, například slitiny Ag, Cu, Cd, Ni, Zn v nejrůznějších kombinacích. Pro pájení hliníku se používají se také slitiny drahých kovů: Au-Ag, Au-Pd, Au-Cu, Au-Ni. Pracovní teplota pájky je vždy nižší než teplota tání základního materiálu (pájených kovů). Metodou pájení vzniká spoj, který má jiné chemické složení než základní materiál. Materiál se ohřeje plamenem na pracovní teplotu a přidá se pájka, která difúzí zateče do pájeného spoje. Při tvrdém pájení se obvykle používá pájka a tavidlo, nebo pájky obalené tavidlem. Tvrdé pájky jsou vhodné pro pájení kovů s teplotou tavení nad 1000 C s požadavkem na vyšší mechanickou a tepelnou odolnost.

4 Pájení TAVIDLO (FLUX) Pro pevné spojení pájením je důležitá tzv. SMÁČIVOST spojovaného materiálu roztavenou pájkou. Mimo metalurgických vlastností pájky zde rozhoduje čistota pájeného povrchu. Při zahřívání v běžné atmosféře vznikají na pájeném Cu povrchu oxidy, které zhoršují smáčivost, tj. brání přilnutí Sn pájky (tvoří kuličky a klouže po povrchu). POUŽITÍ TAVIDLA ZAMEZUJE OXIDACI POVRCHU a zajišťuje potřebnou čistotu pro vytvoření kvalitních spojů. Tavidlo je látka, která se při zahřívání stává silně redukční a zamezuje tak vzniku oxidů kovů. Korozivní tavidla (obsahující halidy jako aktivátory) je třeba ze spojů očistit problémy s rezistivitou a oxidací, více viz Flux (metallurgy). PRYSKYŘICE A ORGANICKÉ KYSELINY - KALAFUNA (pryskyřice borovice) ANORGANICKÉ SLOUČENINY (soli, kyseliny, alkaloidy) CHLORID AMONNÝ NH 4 Cl)

5 Pájení v elektrotechnice HROMADNÉ PÁJENÍ VLNOU Používá se ve velkovýrobě pro pájení desek plošných spojů, osazených konvenčními součástkami s vývody ve formě drátů (THT) a také plošně montovaných (SMD) součástek. Jde o automatizovaný stroj, který zajišťuje přísun DPS, jejich nástřik tavidlem, předehřev, pájení průchodem přes cínovou vlnu a následné sušení. Pájené DPS protahuje dopravník vrcholem vlny. Proud roztaveného kovu musí smočit všechny kovové povrchy, ale musí s sebou odnést všechnu přebytečnou pájku.

6 Pájení v elektrotechnice RUČNÍ PÁJENÍ PÁJEČKOU - KONTAKTNÍ Páječka je elektrické nářadí pro tavení kovů při spojování součástek měkkým pájením. Při pájení se kovové součástky nejdříve páječkou zahřejí a přidáním roztavené pájky se spojí. Pájka vytvoří po vychladnutí pevné mechanické a elektrické spojení. Kovové součástky nejsou na rozdíl od svařování nataveny. Páječky existují s výkonem od několika Watt pro pájení na DPS až po výkony několika stovek Wattů.

7 Pájení v elektrotechnice TRAFO-PÁJKA Funguje na principu transformace ze síťového napětí (230V) na nízké napětí o hodnotě pouze několika voltů, ale s velkým výstupním proudem. Odebíraný proud ze sítě je při 230 V a cca 0,5 A, ale proud sekundárního vinutí může být okolo 100 A při napětí pod 1 V. Tento vysoký proud způsobuje zahřívání nejslabší části obvodu a tou je právě pájecí očko. Pájecí očko funguje jako jeden závit transformátoru, proto se tafo-pájka nehodí na pájení součástek citlivých na elektrické výboje (ESD). Důležité je tedy spolehlivé přichycení pájecího očka. I malý přechodový odpor se velmi nepříznivě projeví na zahřívání očka. Páječka topí na přechodu pájka-očko a dochází k nekvalitnímu pájení, přehřívání transformátoru apod.

8 Pájení v elektrotechnice TĚLÍSKOVÁ PÁJEČKA /PÁJECÍ PERO Dotykem kovového hrotu páječky ohřívaného zevnitř elektrickým topným tělískem. Moderní páječky umožňují nastavení teploty hrotu (cca C), kterou pak automaticky udržují. TVAR A ROZMĚRY PÁJECÍHO HROTU URČUJÍ ÚČINNOST PŘEDÁVÁNÍ TEPLA Většina páječek disponuje vyměnitelnými hroty různých tvarů, vyrobenými nejčastěji z Cu (na vnějším povrchu chráněny pokovením před oxidací, nejčastěji vrstvou Ni). - rozměrnější spoje = hroty větších rozměrů - úzké vývody součástek hustě umístěných vedle sebe = ostré hroty

9 Pájení v elektrotechnice PÉČE O HROTY Nepřehřívat hrot nastavit teplotu páječky max. na +100 C nad tavení pájky. Vypnout páječku pokud nebudete pájet dalších 3-5minut omezení oxidace. Při prvním ohřátí pokrýt hrot vrstvičkou pájky (ochrana před oxidací a usnadní převod tepla při pájení). Po dlouhém přerušení pájení, je třeba hrot čistit a nanášet čerstvou pájku, protože zoxidovaná pájka brání dobrému smáčení spoje. Pracovní plochu hrotu je třeba udržovat čistou a obnovovat častěji pokrytí čerstvou pájkou. Hrot se čistí otíráním o vlhkou houbou dodávanou výrobci páječek. Pozor, silněji aktivované (korozivní) pryskyřice životnost hrotu snižují.

10 Pájení v elektrotechnice RUČNÍ PÁJENÍ BEZKONTAKTNÍ Bezkontaktní pájení pomocí proudu horkého vzduchu se používá především pro montáž SMD součástek. Zařízení pro bezkontaktní pájení, HORKOVZDUŠNÁ STANICE, umožňuje regulovat teplotu vzduchu (cca C) a intenzitu proudění vzduchu. Šířka proudu horkého vzduchu je regulována nástavcem.

11 Spojování drátových vodičů spájením (oprava kabeláže) Téma 3 Elektrotechnika Praktická cvičení 2.ročník RIT

12 Spojování kabeláže / drátových vodičů POŠKOZENÝ VODIČ / KABEL 1. Diagnostika nefunkčního vodiče test kontinuity > nalezení přerušení 2. Odstranění izolace vodiče v místě přerušení (odizolovací kleště, nůž) 3. Spletení odizolovaných konců vodiče 4. Nanesení tavidla a spájení 5. Obnovení izolace (PVC páska, smršťovací trubička)

13 Osazování plošných spojů (DPS) a metody odpájení Téma 3 Elektrotechnika Praktická cvičení 2.ročník RIT

14 Osazování DPS Osazování desek plošných spojů (DPS nebo angl. PCB) je možné součástkami s drátovými vývody (THT) nebo také součástkami pro povrchovou montáž (SMT). A) THT (THROUGH-HOLE TECHNOLOGY) Při tomto způsobu osazování se drátové nebo kolíčkové vývody součástek prostrčí otvory plošného spoje (DPS) a na opačné (většinou spodní) straně zapájí.

15 Osazování DPS (THT) A) THT (THROUGH-HOLE TECHNOLOGY) Postup osazování: 1. Vytvarování a případné zakrácení vývodů součástky. 2. Osazení součástky do otvorů v plošném spoji. 3. Zajištění součástky zahnutím vývodů na straně pájení. 4. Zapájení vývodů. 5. Vyčištění desky od zbytků tavidla a stop po pájení.

16 Pájka obteče vývod součástky a vyplní otvor. Správný spoj vypadá jako sopka. Nepoužívejte přímo špičku hrotu Prohřívejte spoj bokem hrotu (2-3mm) Hrotem páječky prohřívejte vývod součástky i kontaktní plošku DPS. Přidržujte hrot ve stejné pozici a přidejte do spoje pájku. Pájka se v kulovém tvaru drží jen vývodu > přidat tavidlo a znovu roztavit. Vytvoří se špatný kontakt - volný vývod > přidat tavidlo a více pájky. Vytvoří se špatný kontakt - volný vývod > přidat tavidlo a více pájky. Příliš mnoho pájky vytvoří můstek s dalším vývodem > odsát pájku. Co nedělat: nanášet pájku přímo na hrot a pokoušet se ji zatřít do pájeného spoje. Čistěte hrot houbičkou kdykoliv se na něm objeví oxidace (černé nečistoty).

17 Odpájení (THT) ODSÁTÍ PÁJKY PLETENCEM Z TENKÝCH MĚDĚNÝCH DRÁTKŮ zapájený spoj se ohřívá páječkou (nejlépe tělískovou) a současně je ke spoji přiložen konec pletence. Po roztavení se pájka kapilárními silami nasaje do pletence z drátků. Část pletence zaplněná pájkou se odstřihne. S POMOCÍ RUČNÍ, PÍSTOVÉ ODSÁVAČKY je tvořena pístem se špičkou z materiálu, ke kterému pájka nepřilne. Píst se stlačí proti vložené pružině. Zapájený spoj se ohřívá páječkou a ke spoji se přiloží i špička odsávačky. V okamžiku roztavení pájky se uvolní píst a ten nasaje roztavenou pájku (zůstane uvnitř odsávačky). ODPÁJECÍ STANICE odsávačka je samostatná hlavice tvořená vyhřívanou dutou špičkou s hadicí napojenou na membránový kompresor. Vnější část hlavice ohřívá pájku až do roztavení, současně kompresor odsává vzduch z místa ohřevu. Jakmile je pájka dostatečně ohřátá, je stržena proudem vzduchu do zásobníku u kompresoru.

18 Odpájení (THT) ODPÁJENÍ POMOCÍ PÍSTOVÉ ODSÁVAČKY 1. Před odsátím je potřeba daný spoj prohřát páječkou. A) očistit a aplikovat tavidlo B) hrotem páječky ohřát spoj a přidat trochu pájky (lepší tepelný transfer) 2. Natáhnout odsávačku stlačením proti vnitřní pružině. 3. V momentě roztavení pájky přiložit hrot odsávačky co nejblíže ke spoji. 4. Uvolněním spouště odsávačky dojde k odsátí roztavené pájky. 5. Vyjmout uvolněnou součástku z DPS a očistit zbytky. 6. Odsátá pájka zůstává uvnitř odsávačky > rozebrat a vyčistit píst.

19 Odpájení (THT) ODPÁJENÍ PLETENCEM DRÁTŮ 1. Odmotejte pár centimetrů z cívky / odstaňte izolaci z vodiče (lanko). 2. Aplikujte tavidlo na tu část pletence, která bude v kontaktu s pájkou. 3. Umístěte pletenec na odpájený spoj (spodní část DPS) 4. Přitlačte pletenec na spoj horkým hrotem páječky (širší typ) 5. Roztavená pájka navzlíná ze spoje na drátěný pletenec 6. Nasycený pletenec odstaňte (odštípněte) a postup případně opakujte. 7. Vyjměte uvolněnou součástku z DPS a očistěte povrch spoje.

20 Osazování DPS (SMD) B) SMT (SURFACE MOUNT TECHNOLOGY) Povrchová montáž je postup, kdy se elektronické součástky pájením osazují přímo na povrch plošného spoje (DPS). DPS může mít více vrstev (typicky 4) a běžně se osazuje jak horní, tak spodní strana. Součástky určené pro povrchovou montáž jsou označovány jako SMD (surface mount device).

21 Pouzdra SMD součástek SMD součástky se vyrábějí v různých velikostech podle typu a rozměru pouzdra. FLATCHIP pouzdro ve tvaru kvádru (pro rezistory či kondenzátory), 4 číselné označení udává velikost - v setinách palce nebo milimetrech. Jiné typy pouzder mají své typizované velikosti, např.: MELF - pro rezistory a kondenzátory - velikosti 0805, 1206, 1406 a Pro diody se používají pouzdra SOD 80 Mini-MELF SOT (small-outline transistor), příklady: SOT 23 (TO 235AB), SOT 346 (SC 59, SMT 3), SOT 323 (SC 70-3, UMT 3) a SOT 416 (SC 75) Další: SMA, DPAK (TO-252AA), D2PAK (TO-263), SOD 106 (DO-214AC), SMAF U integrovaných obvodů záleží rozměry na typu pouzdra a rozteči vývodů. Základní typy pouzder jsou SO, LCC, Flat pack, Quad flat pack, PGA, BGA a TSOP dále členěny do podkategorií Podrobný přehled pouzder najdete na Wikipedii, link:

22 Pájení SMD součástek METODA 1 PO JEDNOTLIVÝCH VÝVODECH (pin by pin) 1) Naneste malé množství pájky na jednu kontaktní plošku (cca 0.5mm do výšky). 2) Pomocí pinzety umístěte součástku vedle pokovené plošky (v rovině s DPS ). 3) Znovu zahřejte pájku na plošce a pinzetou do ní součástku posuňte (vycentrovat) 4) Přitlačte zlehka součástku na DPS a připájejte druhý (či více dalších) vývodů Pájka na spojích by neměla vypadat jako kulička (nadměrné množství pájky), ale jako křivka od kontaktní plošky k vrcholu vývodu součástky.

23 Pájení SMD součástek METODA 2 ZALITÍ A ODSÁTÍ (flood and suck) 1) Naneste malé množství pájky na jednu kontaktní plošku (cca 0.5mm do výšky). 2) Pomocí pinzety umístěte součástku na pozici nad ploškami (v rovině s DPS ), zahřejte znovu pájku a vycentrujte součástku do správné pozice. 3) Následně zalijte pájkou ostatní vývody součástky (nejprve na protější straně). 4) Zahřejte pájku v okolí 2-3 vývodů a odsajte přebytečnou pájku odsávačkou. Pokračujte u dalších vývodů po všech stranách součástky.

24 Pájení SMD součástek METODA 3 POUŽITÍ PÁJECÍ PASTY (solder paste) vyžaduje horkovzdušnou stanici 1) Pomocí perforované folie nebo stětečkem naneste pájecí pastu na kontaktní plošky DPS. Nanášené množství je třeba ověřit praxí. 2) Umístěte součástku zarovnejte a přidržujte pinzetou ve správné pozici. 3) Horkým vzduchem ohřívejte vývody / pastu - krouživým pohybem ze vzdálenosti (3-5 cm). Zahřívejte součástku, dokud pasta na všech spojích neroztaví (cca 40 s) 4) Zkontrolujte spoje na všech vývodech, odstaňte případné můstky.

25 Odpájení a reflow SMD součástek Odpájení je analogické k metodám pájení zpravidla vyžaduje horkovzdušnou stanici. 1) Na pouzdro SMD součástky naneseme přiměřené množství gelového tavidla. 2) Proudem horkého vzduchu ohřívejte vývody pouzdra - krouživým pohybem ze vzdálenosti (3-5 cm). Běžně by teplota neměla přesáhnout 290 C. 3) Při dosažení bodu tavení pájky na spojích (po s) je možné součástku pomocí pinzety odejmout z DPS a nechat zchladnout. 4) Pokud je na kontaktních ploškách DPS dostatek pájky, je možné osadit novou součástku. Pokud nikoliv nebo v případě vytvoření můstků mezi ploškami, je třeba plošky očistit a znovu přidat pájku / pájecí pastu (viz postupy pájení SMD).

26 Odpájení a reflow SMD součástek PŘETAVENÍ (REFLOW) postup, kdy není cílem odejmout SMD součástku z DPS, ale jen obnovit spojení vývodů součástky s kontaktními ploškami (např. porušené spoje čipsetů či grafických čipů a základních deskách PC v livem velkého teplotního namáhání). Pro úspěšný výsledek je nutné používat kvalitní tavidla určená pro reflow (např. AMTECH RMA-223) a dodržet následující teplotní křivku: a) PŘEDEHŘÁTÍ (preheat) 60 s při 150 C b) MÁČENÍ (soak) 45 s při 220 C c) PŘETAVENÍ (reflow) s při 250 C C 150 d) ZCHLAZENÍ (cooling) cca 60 s 30 30