Конспект
Теория. Электрические цепи. Создание платы.

Схемы устройств
Принципиальные схемы.

Радиодетали
Резисторы. Конденсаторы. Микросхемы. Разъемы.

Инструменты
Материалы и инструменты, необходимые для работы.


Паяльная станция

Современный монтаж деталей радиоэлектронной аппаратуры динамично шагает в сторону компоновки и миниатюризации. Достаточно взглянуть на материнскую плату любого электронного устройства: планшета, ноутбука или смартфона. Слаботочные цепи компонуются радиодеталями малой мощности, которые своими размерами могут не превышать 1 мм. Развитие пайки в сторону применения процессоров с расположением контактов непосредственно под чипом, так называемый BGA монтаж, значительно затрудняет процесс ремонта и обслуживания радиоэлектронной аппаратуры. Дело усложняет принятый в Европе в 1998 году документ, запрещающий использовать составной частью припоя свинец – мягкий легкоплавкий металл. В результате температуры пайки выросли со 180 до 220С градусов, а ведь температура +240С градусов для полупроводника является критической, способствующей разрушению p-n переходов. Именно поэтому, сегодня в промышленности и быту при монтаже радиоэлектронных компонентов все больше обыкновенные паяльники заменяют специализированными паяльными станциями, о которых речь пойдет в данной статье.

Виды паяльных станций

Паяльная станция представляет собой вид радиомонтажного оборудования, расширяющего возможности пайки компонентов дополнительными функциями, либо одной из них, таких как: контроль температуры, пайка горячим воздухом с помощью фена локального подогрева, термопинцет, общий источник разогрева платы, наличие пневматического оловоотсоса или вакуумного пинцета, комплектация держателем, направляющим штативом, специализированной подставкой и т.д. Отличительной особенностью паяльной станции является возможность регулировки температуры жала паяльника, термофена или любого другого разогревающего источника для пайки радиоэлементов.

По способу взаимодействия с объектом паяльные станции бывают контактные, бесконтактные, комбинированные, инфракрасные. Нагрев основного элемента может быть постоянный или периодический. Рабочая температура на нагревательном элементе варьируется в основном от 150 до 450С градусов, однако, существуют некоторые модели, способные превышать заданные лимиты. Технологии пайки различных припоев разнятся. В этой связи существует 2 типа паяльных станций: для обычного припоя и для бессвинцовой пайки. Существуют паяльные станции, предназначенные для работы с пластиком и ПХВ – пленкой.

Контактные паяльные станции

Контактные паяльные станции являются простейшими в общей классификации. По сути, обыкновенный паяльник можно переделать в такую станцию, если оснастить его термопарой возле жала паяльника, регулятором температуры с обратной связью для поддержания постоянного условия пайки с помощью регулятора мощности, механизмом простой смены жала паяльника и удобной подставкой. Наличие регулировки температуры при контактной пайке исключает перегрев полупроводниковых компонентов и последующий выход их из строя, что является неоспоримым плюсом паяльных станций в целом. Большая часть обыкновенных паяльников разогревают жало до температуры 400С градусов. Наличие регулятора напряжения в контактной (и не только) паяльной станции обеспечивает плавную регулировку рабочих температур. 250 – 350 градусов – это вполне комфортный и оптимальный режим для процесса пайки. Термостабилизация в паяльных станциях организована применением ПИД регуляторов, основная задача которых заключается в анализе текущей температуры и изменении напряжения питания на нагревательном элементе. За счет применения термостабилизации и оптимальной температуры пайки жало паяльника не перегревается, значительно повышается качество работ за счет отсутствия холодной пайки, а радиоэлементы не подвергаются перегреву, уменьшается перегрев дорожек платы и их отслаивание. Реализация ПИД регуляторов в недорогих паяльных станциях организована обыкновенным микроконтроллером, либо на аналоговых компонентах, например, операционных усилителях. Такие регуляторы выполняют основную однозадачную функцию управления температурой. Профессиональное оборудование предполагает использование дорогих программируемых многоканальных ПИД регуляторов с возможностью контроля температуры в нескольких точках и заданием программы пайки полуавтоматических станций. Их мы рассмотрим ниже, когда будем говорить о принципах BGA пайки.

Нагревательный элемент контактной паяльной станции обычного типа выпускают мощностью до 50 – 60 Вт. Для бессвинцовой пайки с температурой плавки припоя несколько более высокой, нагревательный элемент выпускают на мощность от 75 до 160Вт. Бессвинцовые нагревательные элементы, как и паяльные станции, более универсальны и годятся для любых видов безопасных паяльных работ. Для работ с бессвинцовыми припоями необходимы специальные флюсы, о которых мы расскажем в следующих статьях.

Бесконтактные паяльные станции

Процесс демонтажа и монтажа миниатюрных SMD радиокомпонентов, а так же микросхем в корпусе BGA, с расположением контактных площадок под подложкой или под корпусом, невозможен без применения бесконтактной паяльной станции. Среди потребителей особую популярность получили термовоздушные станции. В ее работе лежит принцип пайки за счет обдува припоя горячим воздухом с температурой, достаточной для его плавки. Бесконтактная паяльная станция должна содержать в себе специальный компрессор или турбину. Они нагнетают воздушный поток, а спиральный нагревательный элемент производит разогрев воздуха до требуемой температуры. При этом возможна не только регулировка температуры воздуха на выходе сопла, но и настройка оптимальной скорости воздушного потока путем изменения работы вентилятора (компрессора). Этот параметр особенно важен, когда необходимо подобрать поток воздуха, равнораспределяющий тепло вокруг компонента, не сдувая соседние элементы. Кроме того, использование воздуха решает проблему пайки элементов в труднодоступных местах. Термовоздушные бесконтактные паяльные станции используют при ремонте мобильных телефонов, планшетов, материнских плат. Профиль их работы достаточно широк, однако, качественный процесс замены BGA чипов, из-за маленькой площади охвата, без применения нижнего подогрева и инфракрасных нагревателей невозможен.

Бесконтактные паяльные станции с применением инфракрасного нагревателя относят к разряду профессиональной сервисной техники. Как правило, это дорогостоящее оборудование, оснащенное нижним подогревом для уменьшения влияния деформационных термических процессов платы и верхнего инфракрасного нагревателя, способного передавать тепло на большую площадь. Специфика пайки больших BGA чипов предполагает прогрев контактов микросхемы до температуры плавления припоя под ней. Как мы уже знаем, температура разрушения полупроводника +240C, а температура плавления бессвинцового припоя +220С. Но припой находится под чипом, поэтому необходим локальный прогрев места под BGA чипом. Для подобной работы демонтажа подобных микросхем и процедуры реболлинга (к примеру) используют специальную технологию последовательности пайки. С помощью нижнего подогрева всю плоскость платы в течение 3 – 5 минут нагревают до температуры приблизительно +180С со скоростью +1С в секунду. Этот процесс не позволит деформировать место пайки чипа и не скрутить плату «винтом». Не стоит волноваться о том, что могут «отпаяться» нижние элементы, так как их держит сила поверхностного натяжения. Оставшуюся температуру наращивают верхним инфракрасным нагревателем непосредственно над выпаиваемым (впаиваемым) чипом. Такой профиль позволяет сохранять контактные шары непосредственно на чипе, а не на плате, что особенно важно при его реболлинге. В свою очередь, инфракрасный спектр волны способен точечно фокусироваться на определенном чипе, тем самым не подвергая воздействию нагрева окружающие объекты. Во-вторых, длина волны воздействует на кристаллическую решетку припоя, при этом, не разрушая полупроводник. Такие инфракрасные паяльные станции используют профессиональные ремонтные мастерские, поскольку они очень дороги, но качество пайки и очень широкие возможности позволяют производить высококвалифицированный ремонт современного оборудования.

Паяльная станция изнутри

Рассмотрим внутренности одной из самых популярных паяльных станций сегодня Lukey 852D FUN. Окончание FUN означает, что нагнетатель горячего воздуха встроен непосредственно в ручку термофена. Это уменьшает диаметр провода, по которому идет только питание фена, в отличии от модели, где компрессор установлен в корпус. Данная конструкция придает гибкость кабелю, безопасность в работе с инструментом и удобство в эксплуатации. Кроме того в фен встроен размыкающий геркон, а в держатель магнит. Когда фен вставляется в держатель, геркон отключает питание нагревательной спирали. Вентилятор продолжает работать до охлаждения нити. Это позволяет продлить срок эксплуатации термофена. На передней панели вынесены индикаторы температуры фена и паяльника, а так же кнопки включения этих функций. Температура паяльника регулируется от 200 до 480С градусов, температура горячего воздуха от 100 до 480 С градусов. Регулятор AIR управляет мощностью потока воздуха, что бывает весьма полезным, когда необходимо работать с пайкой радиоэлементов на плате с большой плотностью деталей. Кроме того, фен комплектуется 3-я видами насадок с различным диаметром сопел. Термофен подключен безразъемным соединением, паяльник отключить можно, при этом прекращается подача напряжения на его разъем, о чем свидетельствует индикация «- - -». Ниже представлены схемы станции.

Как видим, в основе работы паяльной станции лежит 3 регулятора мощности на симисторах. Для фена и паяльника управление симисторами через оптроны MOC3043 приходит с операционных усилителей. На них же собран ПИД регулятор. По сути операционники усиливают сигнал текущей температуры, передаваемый термопарой. Мощность потока воздуха зависит от скорости работы встроенного в фен вентилятора (мотора), который так же управляется симисторным регулятором. Как видим, ничего сложного в станции нет, тем не менее, ее стоимость составляет около 90 у.е.