Работа № 8. Технологический процесс электромонтажной пайки. Сборка матриц

8.1. Цель работы

1. Ознакомление с основными технологиями электромонтажа радиоэлектронной аппаратуры, способами выполнения монтажных соединений, содержанием процесса получения монтажного соединения пайкой и используемыми компонентами - припоями и флюсами, классификаций и требованиями к ним, применяемыми инструментами, организацией рабочего места монтажника.

2. Выработка навыков по выполнению паяных соединений проводников и пользованию монтажным инструментом.

8.2. Теоретическое обоснование, общие сведения об электрическом монтаже, применяемых компонентах и технологии монтажа

Технологический процесс производства радио-электронной аппаратуры (РЭА) представляет сложный комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию исходных элементов, компонентов и материалов в готовое изделие: изготовления механических деталей и нестандартных электро-радио элементов (ЭРЭ); механической сборки и электрического монтажа отдельных частей устройства; общей сборки и монтажа; регулировки, контроля и испытания изделия РЭА.

Сборочными работами называют совокупность приемов и действий по механическому соединений деталей и установочных ЭРЭ в сборочные единицы (сначала простые, затем более сложные).

Совокупность используемых в аппаратуре ЭРЭ составляет элементную базу устройства. Для выполнения электрической связи с соединительными проводниками в ЭРЭ имеются выводы.

Электрический монтаж - это часть конструкции РЭА, включающая в себя ЭРЭ и соединительные проводники, объединенные согласно электрической схеме, принятому конструктивному оформлению и условиям эксплуатации.

Технология сборки электромонтажа - совокупность взаимосвязанных приемов и способов создания конструкции электрического монтажа, а электромонтажные работы - совокупность действий при создании электрического монтажа.

По конструктивному выполнению электрический монтаж бывает проводной, печатный и комбинированный.

Электрическим монтажным соединением называется неразъемная электрическая связь, выполненная пайкой, сваркой, накруткой, клеем, пластическим обжатием и другими способами. Применяются также и электрические контактные соединения, для которых характерна разъемная электрическая связь. Выбор монтажных соединений и способа выполнения определяются используемыми ЭРЭ, конструкцией, условиями эксплуатации.

В настоящее время в аппаратуре на дискретных элементах широко применяются паяные припоем монтажные соединения. Процесс пайки уни­версален, а паяные монтажные соединения в достаточной мере удовле­творяют требованиям производства и эксплуатации.

Припоем называется металл или сплав металлов, вводимый в зазор между соединяемыми деталями в зону пайки или образующийся между ними в процессе пайки, имеющий более низкую температуру начала автономного плавления, чем паяемые основные металлы. Пайка - быстротечный процесс. Она характеризуется смачиваемостью и паяемостью. Свойство соединяемых металлов (материалов) вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем называют смачиваемостью, а их способность соединяться между собой - паяемостью. Качество пайки тем выше, чем лучше смачивание жидким припоем соединяемых поверхностей деталей.

Количественной мерой смачивания служат значения краевого угла смачивания (рис. 8.1,а): 10° - отличное смачивание; 10°< <45° - хорошее; 46°< <90° - посредственное; 91°< < 170° - плохое; 171°< <180° - отсутствует.

Только в результате смачивания создаются условия для образования сцепления между припоем и твердым металлом. Смачивание возрастает с увеличением жидкотекучести припоя и уменьшенния его вязкости.

Монтажная пайка - процесс соединения токопроводящих элементов (проводов или выводов ЭРЭ с контактами и т.п.) путем нагревания их в месте соединения до температуры расплавления припоя, который, смачивая проводники и растекаясь, заполняет зазоры между ними, а после охлаждения (кристаллизации) образует механически неразъемное электропроводное соединение.

Для обеспечения взаимодействия жидкого припоя с твердым металлом его поверхность должна быть химически чистой. Поэтому перед пайкой поверхность проводников зачищают от неметаллических покрытий, а в процессе пайки возможные загрязнения удаляют обычно химическим путем с помощью особого вещества - флюса. Оптимальный зазор между соединяемыми поверхностями проводников 0,06-0,08 мм. Зазор должен быть весь заполнен припоем, пустоты и раковины не допускаются.

Рис. 8.1

При проводном монтаже пайку монтажных соединений выполняют с помощью специального инструмента - электропаяльника, рабочим элементом в паяльнике является нагретый стержень (жало), изготовленный обычно из меди.

Для обеспечения производительной и качественной пайки присоединяемые части жил проводов, выводов ЭРЭ, контактов предварительно облуживают - покрывают тонким слоем припоя горячим способом. Процесс горячего лужения с помощью паяльника показан на рис, 8.1,б, где 1 - вывод (основной металл), 2 - облуженная поверхность, 3 - жало паяльника, 4 - жидкий припой, 5 - жидкий флюс с растворенными оксидами и загрязнениями, 6 - газообразные продукты разложения флюса, 7- пленки оксидов и загрязнений.

Получение паяного монтажного соединения требует последовательного проведения следующих работ:

а) зачистки соединяемых участков проводников;

б) горячего облуживания зачищенных участков;

в) механического скрепления облуженных участков;

г) пайки соединения;

д) удаления остатков флюса и контроля качества соединения.

Применяемые в промышленности припои стандартизованы по характеристикам и классифицируются по основному технологическому параметру - температуре плавления, а также по составу и содержанию основных компонентов. По температуре плавления все припои подразделяют на следующие группы ( ГОСТ 19248-73):

I) особо легкоплавкие – <145°С;

2) легкоплавкие - от 145°С до 450°С;

3) среднеплавкие - от 450°С до 1100°С;

4) высокоплавкие - от 1100°С до 1850°С;

5) тугоплавкие - >1850°С.

К монтажным припоям предъявляют следующие основные требования:

Технологические: температура плавления припоя минимальна и ниже температуры плавления паяемых проводников; хорошая смачиваемость и растекаемость; малая вязкость и большая жидкотекучесть; малый температурный интервал кристаллизации.

Конструкционные: достаточно большая механическая прочность и пластичность; высокая электропроводность, коррозионная стойкость и герметичность.

При монтаже РЭА применяют преимущественно легкоплавкие припои, в отдельных случаях - особолегкоплавкие и только для специальных видов монтажа - некоторые марки среднеплавких припоев.

По содержанию основных компонентов припои 1 и 2-й групп подразделяются на оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, висмутовые в др.

Для улучшения технологических или эксплуатационных свойств в оловянно-свинцовые припои вводят присадки некоторых металлов. Например, висмут или кадмий снижает температуру плавления, присадка меди 1,5-2% замедляет эрозию стержня паяльника и т.д.

Марка припоя обозначается комбинацией элементов в виде нескольких (обычно заглавных) букв и через дефис числами, указывающими последовательно процентное содержание основных компонентов и специальных присадок. Значения буквенных элементов: П-припой, O-олово, С-свинец, Су-сурьма, В-висмут, М-медь, К-кадмий, Ср-серебро и т.д. Например, ПОС-40 - припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 40%, остальное - свинец.

Электропроводность и механическая прочность оловянно-свинцовых припоев меньше, чем у меди (в 6-10 раз).

Флюсом называется вещество, по основному технологическому назначению предназначенное для химической очистки поверхности основного металла от оксидных и жировых пленок и обеспечения смачивания и растекания припоя в процессе пайки. При этом флюс должен выполнять и другие важные функции: защищать основной металл и припой от окисления, улучшать смачиваемость и растекаемость припоя за счет снижения его поверхностного натяжения, интенсифицировать теплопередачу от паяльника. Основные требования к флюсам: а) температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя; б) в жидком виде флюс должен хорошо смачивать металл; в) флюс и продукты его разложения должны выступать на поверхность припоя после смачивания им основного металла, не вызывать коррозию паяного соединения и не выделять при нагреве токсичные вещества; остатки флюса должны быть изоляторами, твердыми, не липкими и не гигроскопичными, легко удаляться,

Флюсы подразделяются на группы:

а) в зависимости от температурного интервала активности (ГОСТ 19250-73) на низкотемпературные (<450°С) и высокотемпературные (>450°С);

б) по механизму действия - химические, защитные и др.;

в) по агрегатному состоянию-твердые, жидкие, пастообразные и газообразные;

г) по природе растворителя - неводные и водные;

д) по компоненту определяющего действия - смолосодержащие (канифольные, полиэфирные и др.), анилиновые, кислотные и др.

Возможность получения паяного соединения и качество пайки во многом зависит от правильного выбора флюса.

Использование для монтажа РЭА кислотных, солесодержащих и других сильноактивных флюсов (например, раствора хлористого цинка в воде) категорически запрещается. Эти флюсы трудноудаляемы и вызывают сильную коррозию и разрушение паяных соединений, проводников и ЭРЭ. При монтаже применяют исключительно бескислотные флюсы, лишь в отдельных случаях активированные.

В их состав входят как активаторы, повышающие химическую активность флюса, так и ингибиторы, снижающие коррозионные воздействия на основной металл.

Обозначение марки низкотемпературного флюса состоит обычно из ряда букв, первая из которых Ф (флюс), а последующие обозначают наименование входящих компонентов (К-канифоль, П-полиэфирная смола, Сп - спирт, Эт - этанол и т.д.).

Рабочее место монтажника - это отдельный участок лаборатории (цеха), отведенный одному монтажнику, со всем необходимым оборудованием, приспособлениями и инструментом. Обычно это монтажный стол с требуемым оснащением, местным освещением (40-60 Вт) и вытяжной вентиляцией.

Организация рабочего места монтажника призвана обеспечить максимальную производительность труда, высокое качество продукции, безопасность условий труда. На рабочем месте (столе) располагается блок питания, необходимый для выполнения текущей работы инструмент, детали, ЭРЭ, материалы, оснастка, документация. Их расположение должно быть наиболее рациональным при выполнении конкретной работы. При мелкосерийном производстве оборудуется обычно универсальное рабочее место монтажника радиоаппаратуры. Рабочая поверхность стола покрывается линолеумом или пластиком и снабжается по бокам низкими бортиками.

Монтажный инструмент и съемные приспособления размешаются в тумбочках стола. Комплект монтажного инструмента для универсальных работ обычно содержит: паяльник с принадлежностями, плоскогубцы, круглогубцы, пинцеты, кусачки, монтажный нож, ножницы, наборы отверток и гаечных ключей под головки винтов и гаек с резьбой М2-М6, напильники, инструмент для укладки и правки монтажа, контрольно-измерительные инструменты (линейку, штангенциркуль, микрометр, лупу 4 6") .

В процессе работы паяльник помещается с правой стороны стола на специальной подставке, содержащей съемные коробочки для размещения припоя и твердой канифоли. Для обеспечения качественной пайки канифоль должна быть всегда чистой, поэтому ее необходимо периодически заменять.

По мере надобности рабочее место монтажника оснащается различными приспособлениями для проведения монтажно-сборочных работ (для нарезки и разделки проводов, горячего лужения проводников, формовки выводов ЭРЭ и т.п.).

Ввиду токсичности свинца и высокой температуры пайки при монтажных работах необходимо соблюдать правила техники безопасности.

Монтажные электропаяльники стандартизованы по электрическим и конструктивным параметрам и выпускаются промышленностью в различном исполнении:

1. По мощности Р: малой (4;6;12;18;25 Вт), средней. (30;35;40;50;60;75;90;100 Вт) и большой (более 100 Вт).

2. По напряжению питания U: сетевые (127;220В) и низковольтные (6;12;34;36;42В).

3. По назначению: общего применения и специальные (ультразвуковые, для демонтажа и др.).

4. По внешнему конструктивному выполнению: торцовые, пистолетного типа, молотковые.

5. По температуре нагревающего элемента (жала): нерегулируемые и регулируемые.

Наибольшее распространение при монтаже получили торцовые паяльники благодаря простоте конструкции, универсальности и удобству в работе.

Выбор паяльника, производят обычно по необходимым значениям мощности, напряжения питания, диаметра жала, требованиям к температуре, роду работы. При монтаже применяют преимущественно низковольтные паяльники, а при пайке потенциало-чувствительных ЭРЭ - с заземленным жалом.

Мощность и диаметр стержня жала паяльника зависят от массы паяемых элементов, интенсивности рабочего процесса пайки и ее параметров. Примерные значения мощности паяльников: проводной монтаж - 50-100 Вт; печатный монтаж - 30-60 Вт; при пайке микросхем - 4-25 Вт (U = 6 12 В).

Для предварительной оценки применимости данного жала исходят из условия, что его диаметр должен в 15-25 раз превышать диаметр паяемого проводника, а оптимальное значение диаметра устанавливают опытным путем. Применяются торцовые паяльники со следующими значениями диаметра и длины жала:

Таблица 8.1

	Диаметр жала, мм	Длина жала, мм
Проводной монтаж	5-10	50-80
Печатный монтаж	3-6	30-60
Микропаяльники	0,5-3,0	2-30

Выбор припоя и флюса: наиболее широко используются при монтаже оловянно – свинцовые припои, так как они сравнительно дешевы и в большинстве случаев в достаточной мере удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Температура плавления оловянно-свинцовых припоев 183-300°С.

При монтажной пайке общего назначения наиболее часто используются припои ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, ПОС-61, а для уменьшения эрозии жала паяльника ПОС-61М. Припой ПОС-61 является эвтектическим, интервал кристаллизации у него 183-185°С, имеет хорошую жидкотекучесть, но дефицитен.

Для оловянно-свинцовых припоев других марок интервал кристаллизации возрастает, что усложняет пайку. Например, для ПОС-40 он соответствует 183-238°С.

При лужении или пайке монтажные элементы (контакты, выводы т.п.) должны быть прогреты до температуры полного растекания припоя. Для обеспечения необходимого термического режима рабочая температура пайки (жала паяльника) должна на 40-70°С превышать температуру полного расплавления припоя (точку ликвидуса).

Для пайки термочувствительных элементов: отдельных видов ЭРЭ, экранирующих оплеток проводов и т.д., применяют особо легкоплавкие припои, к распространенным маркам которых относятся: сплав Розе (температура плавления 92-96ºC); ПОСВ-33(температура плавления 120-130ºC); ПОСК-50-18 (температура плавления 142-146ºC) и др.

При выборе флюса для монтажной пайки основными факторами являются паяемый материал, тип припоя (температура плавления), необходимость и технологичность удаления остатков флюса. Необходимо, чтобы химическая активность флюса проявлялась при температуре пайки, а при нормальной отсутствовала.

При монтажной пайке легкоплавкими припоями марок ПОС этим требованиям в достаточной мере удовлетворяют смолосодержащие флюсы (канифольные и др.). Канифоль - твердое хрупкое вещество от желтого до коричневого цвета, имеющее температуру плавления 80-120ºС. Флюсующее действие канифоли проявляется в интервале - 160-300ºС за счет возникновения в расплаве слабой абиетиновой кислоты, которая растворяет следы оксидов, а при переходе в твердое состояние нейтрализуется терпином, входящим в ее состав. При температуре 310ºС и более канифоль обугливается и затрудняет пайку. Удобен в работе жидкий канифольный флюс в виде 30-50%-ного раствора канифоли в спирте (флюс ФКСл) или в этилацетате (ФКЭт).

Остатки канифольного флюса после пайки - пассивное твердое вещество - изолятор. Однако во влажной среде изоляционные свойства ухудшаются, поэтому после пайки проводят тщательную отмывку мест пайки от остатков флюса. Лучшими свойствами обладает флюс ФПЭт (раствор полиэфирной смолы ПН-9), не требующий в большинстве случаев очистки после пайки.

Обычные канифольные флюсы эффективны при пайке меди, ее сплавов (латунь, бронза),а также с покрытиями Sn, Zn, Cd, Ag, Au. При пайке проводов из никеля, сплавов большого сопротивления и ряда других канифоль малоэффективна, поэтому применяют активированные жидкие флюсы (например, ФКТС, ФКДТ, ЛТИ-120 и др.).

Использование активированных флюсов допускается, если обеспечивается тщательное удаление остатков флюса, что затрудняет их применение при монтаже.

Удаляют остатки флюса промывкой растворителем, состав которого зависит от марки флюса. Смолосодержащие флюсы удаляют органическими растворителями: канифольные - спиртобензиновой (1:1) или спиртофрионовой (1:19) смесью, причем не позднее 3-4 ч после пайки. Остатки флюсов не содержащие канифоль, отмывают в горячей воде. Качество отмывки контролируют люминесцентным или химическим методами.

Учитывая трудоемкость промывки, флюс на монтажные элементы необходимо наносить в минимальном количестве, обеспечивая смачивание только паяемых поверхностей и не допуская попадание флюса под изоляцию проводов или внутрь корпусов ЭРЭ.

Если паяльник новый или длительное время находится в работе (конец жала покрылся раковинами и потерял форму), то его необходимо подготовить к работе - придать концу жала заточкой напильником соответствующую форму и затем залудить. Форма заточки зависит от рода выполняемых работ. Наиболее распространенным является клиновой профиль (симметричный или асимметричный) конца жала. (рис.8.3.)

После запиловки устанавливают на блоке питания рабочего места необходимое напряжение и подключают паяльник. По мере нагревания жала его запиленную часть периодически покрывают флюсом (канифолью) для предотвращения окисления, (при полном нагреве жала канифоль «дымит»). Жало прикладывают офлюсованной запиленной частью к кусочку припоя, который расплавляется и растекается по обработанным поверхностям жала. В дальнейшем облуженным жалом выполняют рабочие операции по лужению и пайке. Для этого на облуженое жало паяльника наносят немного флюса и быстро прикладывают к кусочку припоя, который при расплавлении переходит на жало. Затем выполняют рабочие операции по лужению проводников или пайке соединений.

Для обеспечения качественного лужения или пайки необходимо периодически удалять нагар обтиранием жала о губку из целлюлозного волокна или другого подобного материала.

Подготовить проводники и собрать из них с помощью пайки монтажную матрицу с заданными геометрическими размерами А, В, а (рис.8.3), значения которых определяются вариантом задания указанного преподавателем.