Урок №1. Пайка как физико-химический процесс.

Урок №1. Пайка как физико-химический процесс.

  

 

Более подробную текстовую версию данного урока можно найти на страницах учебного пособия которое входит в состав образовательных наборов по пайке.

 

Пайка — это процесс соединения двух разогретых металлических деталей путем введения в зазор между ними расплавленного металлического припоя, который взаимодействует с обеими деталями и после затвердевания образует прочный паечный шов. При этом соединяемые детали всегда остаются в твердом состоянии, в то время как припой вводится в зазор расплавленным.

Иллюстрация 1.1

В случае с электроникой соединяемые с помощью припоя детали — это либо два провода (иллюстрация 1.1), либо электронные компоненты и заготовка печатной платы из текстолита (иллюстрация 1.2).

Иллюстрация 1.2

А бывает, что есть только одна деталь, которая просто покрывается слоем припоя. Такой процесс называют лужением. Лужению могут подвергаться как провода, так и дорожки печатных плат для защиты их от коррозии (иллюстрация 1.3).

Иллюстрация 1.3

Как следует из определения понятия пайки — для припаивания одной детали к другой понадобится припой.

Чаще всего в качестве припоя в электронике используется проволока, выполненная из сплава олова и свинца с незначительным добавлением легирующих металлов. Конкретно наиболее популярный в электронике припой носит марку ПОС61 — расшифровывается как припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 61%. Припой с таким химическим составом хорошо растекается, образует паечный шов без трещин и дефектов, а также имеет относительно низкую температуру плавления 183 ºС. Это очень важно для исключения повреждения микросхем (чистое олово плавится при 330 ºС и для пайки электроники не подходит).

До температуры плавления припой разогревается специальным инструментом, который называется паяльником (иллюстрация 1.4). Типовой паяльник является электрическим прибором и работает от бытовой электросети. Он состоит из трех основных частей: ручка, нагревательная часть (корпус с нагревателем) и жало, которым непосредственно и выполняется пайка. В руке паяльник необходимо держать за ручку. Она остается холодной. А вот нагревательная часть разогревается до очень высокой температуры и нагревает жало, которое закреплено в нем.

Иллюстрация 1.4

 

Для того, чтобы расплавить припой, жало должно нагреваться до температуры не меньше, чем 200 ºС. Это очень горячо. Заметно горячее, чем кипение воды. Поэтому очень важно тщательно соблюдать нижеприведенные правила техники безопасности.

1. Никогда не дотрагивайтесь руками или другими частями тела до нагревательного элемента и жала паяльника. 

2. Держите в руке паяльник только за предусмотренную для этого ручку и соблюдайте аккуратность при работе с ним. Неосторожное обращение с паяльником и припоем в разогретом состоянии чревато болезненными ожогами (!).

3. Во избежание повреждения мебели, выполняйте паечные работы на идущей в комплекте деревянной подложке.

4. В то время, когда непосредственно не работаете с паяльником и он находится в нагретом состоянии, устанавливайте паяльник на специальную термостойкую подставку, которая идет в комплекте с набором «Эвольвектор».

5. Не оставляйте паяльник включенным надолго без присмотра. После завершения работы обязательно отключайте его (вытаскивайте вилку из розетки).

6. В связи с тем, что при пайке выделяется в незначительных количествах дым, выполняйте пайку в хорошо проветриваемом помещении. Крайне желательно наличие вытяжной вентиляции над местом проведения работ.

7. При пайке мелких деталей удерживайте их пинцетом. Использование пинцета для удерживания поможет избежать ожогов. 

8. Не убирайте паяльник в коробку сразу после окончания работы. Он еще продолжительное время остается горячим! Подождите 10 минут или более, пока паяльник остынет.

 

Строгое соблюдение этих простых правил поможет избежать неприятных недоразумений и получить исключительно положительные эмоции от процесса пайки.  

 

В целях изучения физико-химических процессов при пайке проделаем два эксперимента.

Для эксперимента №1 потребуются инструмент и материалы из набора «Эвольвектор» для изучения пайки:

  • паяльник;
  • пробковая подложка с подставкой для паяльника;
  • пластинка из фольгированного текстолита;
  • припой;

Внимание!

  В зависимости от комплектации набор «Эвольвектор» для изучения пайки может содержать в составе паяльную станцию или паяльник с нихромовым нагревателем. Если придется работать с нихромовым паяльником, то при его первом включении из нагревателя может выделяться незначительное количество дыма.

  Это стандартная ситуация! Через 10-15 минут работы консервационная смазка на нихромовой проволоке нагревателя испарится и паяльник дымить полностью перестанет!

 

В рамках первого эксперимента под жалом установленного на подставке паяльника расположите пластину текстолита. Для уменьшения высоты паяльника над текстолитом можно подложить длиногубцы. Затем, когда паяльник разогреется, возьмите в руку размотанную проволоку припоя и начинайте прислонять его к жалу, чтобы она постепенно плавилась, как показано на иллюстрации 1.5.

Иллюстрация 1.5

Подавайте проволоку припоя на паяльник до тех пор, пока на поверхность текстолита не упадет капля припоя. Дополнительно подогрейте ее паяльником (иллюстрация 1.6).

Иллюстрация 1.6

В результате вы получите каплю припоя, у которой будут сильно закругленные края (иллюстрация 1.7). Это означает, что текстолит припоем не смочен.

Иллюстрация 1.7

Припой в расплавленном состоянии ведет себя почти также как привычные нам жидкости, типа воды. А при попадании воды на какую-либо поверхность часто можно наблюдать такое физическое явление, как смачивание поверхности. При смачивании сила притяжения жидкости к поверхности больше, чем сила ее поверхностного натяжения и капля принимает форму как на рисунке 1.8. В противном случае капля растекаться не будет и ее форма будет как на рисунке 1.9.

Рисунок 1.8

Рисунок 1.9

 

То же самое происходит и с припоем. Для того, чтобы возникло прочное соединение припоя с поверхностью детали, он должен смочить твердую поверхность детали или проводника (провода). После первого эксперимента капля имеет форму как на рис. 1.9. Спустя 15-20 секунд после затвердевания капли припоя на текстолите (чтобы припой остыл) попробуйте подвигать ее пальцем. Она будет свободно перемещаться. Т.е. припой абсолютно не закрепился на поверхности.

Почему?

Главная причина этого - наличие оксидной пленки на медной фольге. Таковы уж свойства большинства металлов — они реагируют с кислородом (окисляются), находящимся в воздухе, и образуют пленку, которая защищает их от интенсивного дальнейшего окисления. Однако эта же пленка препятствует смачиванию металла припоем. Теперь проделайте эксперимент №2, для которого понадобится еще и флюс. Возьмите флакон флюса из набора «Эвольвектор» и капнете кисточкой небольшую каплю флюса на текстолит. Далее положите в эту каплю пинцетом каплю припоя из предыдущего эксперимента (иллюстрация 1.10).

Иллюстрация 1.10

И после этого разогрейте припой паяльником. Флюс закипит и вы увидите как припой на глазах начнет растекаться по текстолиту (иллюстрация 1.11) и примет форму капли, как на рис. 1.8.

Иллюстрация 1.11

 

Волшебство? Химия!

Флюс — это химически активное вещество. Если его нанести на поверхность металла и разогреть, то он вступает в химическую реакцию с оксидной пленкой и растворяет ее. В этот момент припой прочно схватывается с металлом. Флюс также еще уменьшает поверхностное натяжения жидкого, поэтому вы наблюдаете как припой сам растекается по пластине. Однако следует обратить особое внимание на то, что флюс растворяет только оксидную пленку. Если на детали сильные загрязнения, то их необходимо перед пайкой удалять механически.

Подведу итог всему, что рассказано в данном уроке. Для того, чтобы детали припаялись друг к другу, требуется их смачивание припоем. А для смачивания необходимо следовать 3-м простым правилам:

  1. С деталей должны быть удалены загрязнения.
  2. На детали перед пайкой наносится флюс. В момент пайки он удаляет с поверхности деталей оксидные пленки и улучшает растекаемость припоя.
  3. Для активации флюса и процесса смачивания деталей припоем детали и флюс должны быть разогреты до температуры 250-300 ºС.

Указанные правила помогут вам спаять любые детали или проводники, используемые в электронике.


Контрольные вопросы и задания.

  1. Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при пайке?

  2. Что такое смачивание поверхности твердого тела жидкостью и чем процесс смачивания характерен?

  3. Какая температура плавления припоя ПОС61?

  4. Для чего нужен флюс при пайке?

  5. Каковы условия смачивания твердого металла припоем?

  6. Какую форму имеет капля припоя при смачивании или не смачивании текстолита?

  7. Нужно ли перед пайкой удалять загрязнения с деталей?

Написать отзыв

Ваше Имя:


Ваш отзыв: Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо           Хорошо

Введите код, указанный на картинке: