ПРОБЛЕМИ ПАЙКИ КОМПОНЕНТІВ, ЩО РОЗСІЮЮТЬ ТЕПЛО

Металізовані компоненти та друковані плати з високим вмістом міді діють як радіатори: вони створюють ефект розподілу тепла, який відводить тепло від наконечника паяльника, що ускладнює доставку тепла для створення якісного паяного з’єднання.

У побутовій та промисловій електроніці припої зі сплавів олова, срібла та міді (SAC) зарекомендували себе як промисловий стандарт для паяння без використання свинцю. У поєднанні з багатошаровими друкованими платами та компонентами, виготовленими на основі металізованих свинцевих каркасів для розсіювання тепла, сучасна електроніка потребує спеціальних потужних рішень для ручного паяння.

Металізовані компоненти та друковані плати з високим вмістом міді діють як радіатори: вони створюють ефект розподілу тепла, який відводить тепло від наконечника паяльника, що ускладнює доставку тепла для створення якісного паяного з’єднання. Щоб краще зрозуміти ефект розсіювання тепла, подумайте про велику мідну сковорідку: якщо нагріти одну маленьку точку на сковороді (еквівалент наконечника паяльника, прикладеного до мідного листа), сковорода буде розподіляти це тепло до тих пір, поки вся сковорода не нагріється до достатньо високої температури, необхідної для приготування їжі.

Подібним чином ефект розсіювання тепла ускладнює паяння, відводячи тепло від жала паяльника, що вимагає спеціального розчину для нагрівання як компонента, так і друкованої плати та, як наслідок, розплавлення припою.

Ефект розсіювання тепла очевидний для потужних транзисторів, таких як TO-220, а також багатошарових друкованих плат і друкованих плат з великими металевими пластинами заземлення.

Малюнок 1. ТО-220 припаяний до друкованої плати

Малюнок 2. Поперечний розріз багатошарової друкованої плати, на якому показано шари міді

Іншим типом друкованих плат, які виявляють ефект розсіювання тепла, є ізольована металева підкладка (ІМП), яка зазвичай використовується в світлодіодному освітленні та інших додатках, які генерують значну кількість тепла. Вони створюються шляхом нанесення шарів струмопровідного та непровідного клею на металеву пластину, яка ефективно відводить тепло від великих об’ємних компонентів. Однак ручне паяння плат ІМП може бути надзвичайно складним через їх масивну металеву підкладку.

Малюнок 3. Плата з ізольованою металевою підкладкою (ІМП).

Інші компоненти, які важко паяти         

Радіочастотне екранування (часто його називають металевими банками), коаксіальні кабелі з металізованим заземленням та скляна електроніка входять до десятки найскладніших для пайки компонентів. З’єднання електроніки і скла (наприклад, електроніка розморожувача вітрового скла), а також додатки для радіочастотного екранування та заземлення, як правило, виготовляються з металів, які дуже ефективно проводять тепло, діють як великі радіатори і їх особливо важко паяти.

Методи компенсації та потенційні ризики

Щоб подолати проблеми, пов’язані з пайкою металізованих компонентів і друкованих плат, оператори намагаються компенсувати розсіювання тепла, подовжуючи час дії джерела тепла, тобто наконечника. Також можна спробувати збільшити температуру на жалі паяльника. Ці методи компенсації не тільки скорочують термін служби наконечніків, але також можуть поставити під загрозу надійність або пошкодити друковані плати та компоненти.

Малюнок 4. Перегорілий припій, спричинений надмірним нагріванням

Іншим методом компенсації є попередній нагрів друкованої плати та спроба припаяти компонент, поки плата ще гаряча. Це, в свою чергу, небезпечно для самого оператора, який часто прагне тримати обличчя близько до друкованої плати, а іноді також спирається на неї руками, що викликає дискомфорт під час роботи і навіть може призвести до болісного опіку.

Галузеві стандарти для паяння

Промисловий стандарт IPC-J-STD-001G визначає прийнятні температури пайки та час витримки. Ці вказівки створено, щоб допомогти захистити друковані плати та компоненти від пошкоджень, спричинених надто сильним або надто низьким нагріванням протягом тривалого часу.

Проте є численні випадки резистивного паяння, коли технічні працівники намагалися компенсувати ефект розподілу тепла шляхом збільшення часу витримки та температури наконечника паяльника, лише для досягнення несприятливих результатів — пошкодження внутрішніх частин компонентів або друкованих плат до того, як припій розплавиться.

Порівняння індукційної та резистивної пайки

Індукційна пайка надає низку переваг порівняно з резистивною пайкою, включаючи, перш за все, швидке, ефективне, повторюване та точне виділення та передачу тепла. В індукційних паяльниках використовується індукційна котушка, намотана на магнітний сердечник. Коли через котушку протікає змінний струм, створюється поле, яке виділяє тепло. При індукційному нагріванні температура магнітопровода регулюється струмом, що протікає через котушку навколо нього. Індукційне нагрівання є більш ефективним і його легше контролювати, ніж резистивне, і дозволяє досягати температури лише тоді, коли це необхідно в процесі («на вимогу»).

В індукційних паяльниках нагрівач і датчик температури вбудовані безпосередньо в жало паяльника, створюючи замкнутий контур теплообміну, який є швидким, ефективним, повторюваним і точним.

Резистивні паяльники нагрівають усе жало за рахунок провідності. Використовуючи технологію резистивного нагріву, наконечник діє як резервуар тепла з вищим тепловим опором і нижчою тепловою ефективністю, ніж індукційне нагрівання. Це означає, що він нагрівається повільніше, і важче підтримувати постійну температуру жала паяльника без небезпечного перегріву.

Резистивні паяльники з менш ефективними властивостями теплопередачі потребуватимуть вищих температур для досягнення того самого результату, водночас ризикуючи потенційним пошкодженням компонентів і друкованих плат.

Переваги індукційної пайки

З сучасною делікатною та складною електронікою точність і контроль температури є постійною проблемою. Металізовані компоненти та друковані плати в поєднанні з чутливою до температури електронікою та необхідністю пайки без свинцю створюють складні вимоги до контролю процесу, які важко виконати.

Щоб подолати ці проблеми, виробники можуть використовувати високоефективні системи паяння з індукційним паянням. Індукційна пайка виробляє тепло «за потребою», швидко та ефективно. А оскільки індукційна пайка виробляє тепло точним і контрольованим способом, її можна використовувати для всього, від найдрібніших і делікатних компонентів до вимогливих компонентів з високою теплоємністю.

Резюме

Електроніка стає меншою, швидшою, розумнішою та функціональнішою. У міру того, як розмір систем зменшується, все більше і більше тепла генерується в менших просторах. Для сприяння розсіюванню тепла дизайнери використовують у своїх конструкціях високопровідні матеріали, такі як скло та метал. Свинцеві рамки, багатошарові друковані плати, металізовані підкладки та заземлюючі поверхні залишаться звичайними, що вимагатиме відповідних рішень для пайки.

У той час як системи резистивного паяння розвиваються, щоб використовувати більше енергії, генеруючи та передаючи більше тепла наконечникам паяльника, системи індукційного паяння використовують інший підхід. Використання стандартного джерела живлення та збільшення частоти живлення навколо намагніченого сердечника виявляється набагато ефективнішим способом генерації та підтримки тепла на жалі паяльника. Швидкі, ефективні та точні методи нагріву індуктивного паяння забезпечують відмінні повторювані результати.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl