PODSTAWY TECHNIK WYTWARZANIA

Transkrypt

1 PODSTAWY TECHNIK WYTWARZANIA PROJEKTOWANIE Lutowanie podzespołów elektronicznych opracowali: Jakub Krzemiński, Andrzej Pepłowski

2 I. Wstęp teoretyczny Lutowanie jest to proces połączenia elementów bez ich nadtapiania za pomocą dodatkowego metalu (spoiwa lutowniczego) o temperaturze topnienia poniżej temperatury topnienia metali, z których są wykonane te elementy. W procesie tym zachodzi dyfuzja między spoiwem lutowniczym a elementami łączonymi, poprzedzona zwilżaniem ich powierzchni, które jest warunkiem koniecznym do uzyskania poprawnego połączenia lutowanego. Procesy lutowania w zależności od temperatury topnienia spoiwa lutowniczego dzieli się na lutowanie twarde i miękkie. Lutowanie twarde wykonuje się za pomocą spoiw lutowniczych trudnotopliwych o temperaturze topnienia większej niż 450 C, natomiast lutowanie miękkie za pomocą spoiw lutowniczych o temperaturze topnienia mniejszej niż 450 C. Lutowanie twarde znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie jest wymagana duża wytrzymałość połączeń lutowanych. Wiąże się z tym jednak znaczna energochłonność oraz wysoki koszt spoiw lutowniczych. Lutowanie miękkie, które charakteryzuje stosunkowo niska temperatura topnienia, znajduje zastosowanie przy wykonywaniu połączeń pracujących w niskich temperaturach (max 250 C), od których nie jest wymagana duża wytrzymałość mechaniczna. W montażu podzespołów elektronicznych z reguły stosuje się lutowanie miękkie. Zakres temperatur topliwości: od 183 do 270 C (stal, miedź, cynk itp. i ich stopy). Stosowane są głównie spoiwa ołowiowo-cynowe, niektóre z nich zawierają ponadto drobne domieszki antymonu, srebra i miedzi, a prawie wszystkie zanieczyszczenia w postaci śladowej zawartości żelaza, bizmutu, arsenu, aluminium, cynku i kadmu. Zawartość poszczególnych składników stopowych spoiwa wynika z jego oznakowania. Topniki W procesie lutowania stosuje się topniki, które poprawiają zwilżalność lutowanych powierzchni oraz zapobiegają utlenianiu się spoiwa. Topniki ze względu na zastosowany materiał dzielimy na : a) kalafoniowe (główny składnik kalafonia) b) wodne (po procesie lutowania ich pozostałości mogą być zmywane wodą Obecnie większość stosowanych topników zawiera aktywator - związek chemiczny, który pod wpływem wysokiej temperatury ulega rozkładowi na związki wchodzące w reakcje z zanieczyszczeniami na powierzchniach a następnie zostaje wypchnięty na zewnątrz lutowanego połączenia. W zależności od zawartości aktywatora topniki dzielimy na: c) R (ang. Rosin = kalafonia) bez aktywatorów, d) RMA (Rosin Middle Activated) ze średnią zawartością aktywatorów, e) RA (Rosin Activated) silnie aktywowany, najwięcej aktywatorów.

3 II. Lutowanie ręczne Lutowanie ręczne wykonuje się za pomocą narzędzia zwanego lutownicą. Najważniejszą częścią lutownicy jest jej końcówka zwana grotem, która służy do podgrzewania elementów lutowanych. W zależności o wykonywanych połączeń stosuje się różne groty. Wyróżnia się następujące typy lutownic: Rys. 1. Przykładowe groty lutownic oporowych f) lutownice oporowe, których grot jest nagrzewany przy użyciu grzałki oporowej; g) lutownice gazowe, gdzie grot podgrzewany jest palnikiem gazowym; h) lutownice transformatorowe, w których grot stanowi drut podgrzewany przez prąd elektryczny o dużym natężeniu, uzyskiwany za pomocą wbudowanego transformatora; i) lutownice na gorące powietrze w tego typu lutownicach nie występuje grot, którego rolę strumień powietrza nagrzewanego przed wylotem z końcówki; j) lutownice z zewnętrznym źródłem ciepła historyczny typ lutownicy, obecnie nie używany, składający się z metalowego grota w uchwycie, który był podgrzewany w płomieniu a następnie, przed wystygnięciem, używany do topienia lutowia. a) lutownica oporowa kolbowa b) lutownica transformatorowa c) dwa rodzaje lutownicy na gorące powietrze Rys. 2. Rodzaje lutownic

4 Powyższe typy lutownic znajdują zastosowanie w montażu elementów o różnych właściwościach. Lutownice oporowe i gazowe, których grot najczęściej ma formę kolby (lutownice kolbowe) charakteryzują się dużą pojemnością cieplną, dzięki czemu nie występuje spadek temperatury grotu w trakcie lutowania. Lutownice transformatorowe z kolei charakteryzuje znacznie krótszy czas nagrzewania końcówki (do kilku sekund), co pozwala na szybsze lutowanie niewielkiej ilości elementów. Lutownice na gorące powietrze umożliwiają natomiast precyzyjne lutowanie drobnych elementów, do których dostęp grota pozostałych typów jest utrudniony. Obecnie najczęściej stosuje się spoiwa lutownicze zawierające topniki i aktywatory. Proces lutowania ręcznego powinien przebiegać według następujących kroków: a) rozgrzanie, za pomocą lutownicy, kontaktu na płytce PCB oraz wyprowadzenia lutowanego elementu, do temperatury powyżej temperatury topnienia spoiwa b) Przyłożenie spoiwa lutowniczego pomiędzy kontaktem a wyprowadzeniem lutowanego elementu. Powoduje to przetopienie spoiwa, zwilżenie powierzchni za pomocą topnika zawartego w spoiwie oraz wytworzenie połączenia lutowanego c) Wycofanie lutownicy oraz spoiwa z połączenia powoduje ochłodzenie spoiwa i wytworzenie trwałego połączenia elektrycznego i mechanicznego Rys. 3. Sposób przyłożenia grotu lutownicy przy montażu przewlekanym

5 III. Elementy lutowane ręcznie Rys. 4. Element z montażem przewlekanym (z lewej) i montażem powierzchniowym (z prawej) 1. Lutowanie elementów z montażem przewlekanym Elementy przewlekane (THT ang. Through-Hole Technology) wyposażone są w wyprowadzenia w formie cienkich drucików, które umieszczane są w złączach w formie otworów w płytce. Po przewleczeniu przez otwór grot lutownicy przykładany jest w taki sposób, żeby nagrzewać jednocześnie kontakt wokół otworu jak i nóżkę elementu. Po nagrzaniu obu tych części do odpowiedniej temperatury do złącza przykładane jest spoiwo, które ulega stopieniu i łączy się zarówno z elementem lutowany jak i złączem na płytce. Przekrój połączenia ma kształt wklęsłego stożka. Rys. 5. Montaż przewlekany 2. Lutowanie elementów z montażem powierzchniowym Elementy montowane powierzchniowo (SMD ang. Surface-Mounted Device) lutuje się do złącz mających formę płaskich pól lutowniczych. W pierwszym etapie pole lutnicze (pad) rozgrzewa się za pomocą lutownicy, a następnie dołącza do niego lutowie tworząc pewnego rodzaju "poduszeczkę z lutowia. Następnie układa się element lutowanego na złączu i rozgrzewa się go powodując tym przetopienie lutowia na padzie i stworzenie połączenia. Ostatnim etapem jest wytworzenie połączenia z drugiej strony elementu.

6 Rys. 6. Montaż elementów SMD 3. Lutowanie połączeń przewodowych Łączone przewody, po wcześniejszym zdjęciu izolacji na odpowiednim odcinku, należy owinąć wokół siebie tak, żeby występowało między nimi jak najściślejsze mechaniczne połączenia. Następnie przewody nagrzewa się za pomocą lutownicy, dołącza lutowie i rozprowadza je za pomocą grota. W celu odpowiedniego zabezpieczenia połączenia przed czynnikami zewnętrznymi należy pokryć lutowiem cały odcinek przewodu pozbawiony izolacji. IV. Najczęstsze błędy lutowania 1. Zimny lut Najczęstsze przyczyny powstawania zimnego lutu: a) Stopienie spoiwa lutowniczego za pomocą grota lutownicy, a nie pośrednio przez łączone metale (kontaktu i wyprowadzeń elementu) - niewystarczająca temperatura, któregoś z łączonych elementów. b) Niezastosowanie topnika, który oczyszcza powierzchnie łączonych metali. W związku z tym spoiwo lutownicze łączy się z zanieczyszczeniami znajdującymi się na łączonych elementach. Połączenie takie ma wtedy charakter jedynie adhezyjny - brak procesu dyfuzji pomiędzy łączonymi elementami a spoiwem. W obwodach elektrycznych połączenie takie charakteryzuje się wysoką rezystancją lub nawet całkowitą przerwą w obwodzie. Czasami na skutek częściowego połączenie może występować iskrzenie, które może być destrukcyjne dla elementów elektronicznych układu. Przez ponowne rozgrzanie i zwilżenie łączonych elementów można naprawić ten błąd. Rys. 7. Zimny lut

7 2. Przegrzanie ścieżek, elementów bądź płytki PCB W wyniku nadmiernej temperatury lutownicy bądź zbyt długiego grzania może nastąpić przegrzanie łączonych elementów. Przegrzany element pokrywa się łatwo zauważalnym czarnym osadem i traci bezpowrotnie właściwości elektryczne. Przegrzanie ścieżki najczęściej skutkuje przepaleniem ścieżki i odejściem od podłoża (płytki PCB) - bezpowrotnie niszcząc połączenie elektryczne. Rys. 8. Przegrzanie ścieżek oraz płytki PCB V. Przykładowy przebieg ćwiczenia 1. Wejściówka, proponowane pytania: Wymienić i krótko opisać typy lutownic? Po co stosujemy topniki i aktywatory? Opisać w punktach proces lutowania? Jak wygląda połączenie lutowane w montażu przewlekanym - szkic Jak wygląda połączenie lutowane w montażu powierzchniowym - szkic Elementy lutowane ręcznie - jakie są między nimi różnice? Przyczyny najczęstszych błędów podczas lutowania 2. Zapoznanie się ze sprzętem Demonstracja przez prowadzącego wykorzystywanych urządzeń w trakcie ćwiczenia, zwrócenie uwagi na zasady bezpieczeństwa. Prezentacja właściwego połączenia lutowanego. 3. Samodzielne wykonanie połączeń lutowanych Samodzielne wykonywanie połączeń lutowanych zgodnie z instrukcją i uwagami prowadzącego. Praca z montażem przewlekanym, powierzchniowym jak i łączeniem przewodów.