Soldering Demystified: Pochopení základů úspěchu při pájení

Pájení je překvapivě snadné, pokud víte, co děláte. Ten je kritický, protože plavidlo zahrnuje manipulaci se součástkami dimenzovanými tak, aby vydržely maximálně 250 ° F, pomocí nástroje, který pracuje při 650 ° F.

Rozpětí pro chyby je zde poměrně malé a chyby jsou často katastrofické a drahé, což většinu začátečníků odradí od vytrvávání v počátečních selháních. Tomu se však lze zcela vyhnout tím, že získáte základy hned na začátku.

Pokračujte v čtení, abyste se naučili základy pájení a ušetřili jste si hrůz spálené elektroniky a zlomených snů.

Proč byste měli obtěžovat pájení?

Na nejzákladnější úrovni pájení vytváří spolehlivá elektrická (a následně mechanická) spojení mezi vodivými kovovými součástmi. To zahrnuje lepení dvojice vodičů nebo elektronické součástky na desku plošných spojů (PCB).

Kritičtí myslitelé mezi vámi by se mohli divit, proč prostě nekroutit dráty dohromady nebo nepřipevnit součásti na desky plošných spojů pomocí matic a šroubů. Tento přístup má dva hlavní problémy. Pro začátek nejsou taková spojení mechanicky stabilní za pohybu nebo vibrací. Za druhé, i když jsou mechanicky zdravé, spojovací prvky nejsou vůbec elektricky stabilní.

Hledali jsme vstupy od Dr. Lakshmi Narayan Ramasubramanian z Oddělení materiálových věd a inženýrství na indickém technologickém institutu v Dillí, pro srozumitelnost některých technických aspektů pájení.

Citlivá elektronika nezbytně potřebuje elektrická připojení s nízkým odporem, aby byla zachována konzistentní vodivost po celou dobu životnosti produktu. Toho je obtížné dosáhnout jednoduchým spojením součástí se spojovacími prvky. Nevyhnutelná vzduchová mezera mezi součástmi v takových spojích vede k oxidaci (nebo rzi u železných kovů), což výrazně snižuje elektrickou vodivost. Tyto překážky činí pájení nepostradatelným pro aplikace nízkonapěťové přesné elektroniky.

Příbuzný: Jak upgradovat 3D tiskárnu Ender-3

Když pájíte dvě součásti, samotná pájka se spojí s kovem (obvykle mědí) a vytvoří zcela novou slitinu. Pájení v podstatě spojuje složky na molekulární úrovni, přičemž nezanechává vzduchovou mezeru, a tím eliminuje možnost oxidace. Přidaná mechanická stabilita je vítaným bonusem.

Sloučení kovů jejich roztavením je riskantní, když vezmeme v úvahu, jak je většina polovodičových součástek dimenzována na provoz při maximální teplotě 250 ° F. Použití tepla k tavení vodičů integrovaného čipu s podložkami na desce plošných spojů není možné, protože měď taje při oko-zalévání 1984 ° F. Smažíte součást dlouho předtím, než vytvoříte spolehlivý spoj.

Zde vstupuje do hry jedinečné složení a termodynamické vlastnosti pájky.

Pájka je eutektická slitina složená z olova a cínu. Eutektický bit je důležitý, protože umožňuje roztavení slitiny při výrazně nižší teplotě ve srovnání s jejími kovy. Zatímco čistá olovo a cín se taví při 620 ° F respektive 450 ° F, slitina pájky složená z těchto dvou kovů smíchaných v poměru 63:37 začíná proudit již při 361 ° F.

Zatímco pájení se může zdát, že zahrnuje tavení měděných drátů nebo komponentních vodičů na desku plošných spojů, ve skutečnosti tento proces funguje tak, že se využívá působení pájky na kovové rozpouštědlo. Když se do vedení měděných složek zavádí horká pájka, působí jako rozpouštědlo pronikající a rozpouštějící odkryté měděné povrchy. Toto působení rozpouštědel je spojuje na molekulární úrovni za vzniku zcela nové slitiny v intermetalické vrstvě.

Tento jev se nazývá smáčení a je pro tento proces naprosto zásadní pájení - tj. transformace nesourodých součástí na spojité a elektricky vodivé těleso hybridní slitina.

Příbuzný: Vzrušující projekty elektroniky pro vlastní potřebu, které zvládnou pod 15 dolarů

Porážka oxidace tokem

Působení pájky kovovým rozpouštědlem je samotným základem úspěšných pájených spojů. Z praktického hlediska však pájka nemůže sama iniciovat smáčení. Tento proces je katalyzován dodávkou tepla do vodičů pájky i mědi.

To je problém, protože teplo také způsobuje, že exponované měděné povrchy rychle oxidují za přítomnosti vzduchu. Následná mezní vrstva oxidu působí jako bariéra, která znemožňuje zvlhčení. Problém se zhoršuje v případě nečistot, špíny, olejů na prstech, mastnoty a dalších nečistot přítomných na povrchu součástí. Ty dále inhibují působení kovového rozpouštědla potřebné pro úspěšný pájený spoj.

Můžete zkusit vyčistit povrchy, ale ve chvíli, kdy znovu nanesete teplo na měděné vývody, narazíte na zcela novou vrstvu oxidu. Jen kdyby existoval způsob, jak odstranit vrstvu oxidu při pájení. Přesně to tok dělá.

Flux se skládá z kalafuny, což je pevná forma pryskyřice získaná z rostlin. Pro účely elektroniky se kalafuna používá buď samostatně, nebo v kombinaci s mírnými aktivátory, které umožňují, aby výsledný tok zůstal při pokojové teplotě nekorozivní a nevodivý. Totéž se stane dostatečně aktivním, aby chemicky drhlo oxidy a další kontaminanty, pokud je zásobeno dostatečným teplem.

Když potahujete povrchy určené k pájení tavidlem, teplo aplikované během procesu pájení tok katalyzuje a odstraní nečistoty. To odhaluje čistou měď a umožňuje smáčení. Tavidlo lze aplikovat na součásti před pájením, ale také se zavádí během procesu samotným pájecím drátem.

Většina moderních pájecích drátů má vnitřní jádro vyplněné kalafunovým tavidlem, které se při pájení automaticky dávkuje.

Kdy pájet a kdy ne pájet

Nyní, když jsme zjistili vědu za pájením, je stejně důležité vědět, kdy pájet a kdy je špatný nápad to udělat. Cokoli, co zahrnuje PCB, je téměř výhradně pájeno. Tento proces nabízí vynikající elektrickou vodivost a spravedlivý stupeň mechanického upevnění, přičemž výrazně snižuje celkovou velikost vašich projektů v oblasti elektroniky.

Někdy se však vyplatí vědět, kdy přesně byste se neměli uchýlit k pájení.

Zatímco vodiče lze buď pájet k sobě nebo na desky plošných spojů, musíte to znovu zvážit, kdykoli požadovaná aplikace zahrnuje jakýkoli stupeň pohybu nebo vibrací. Automobilový průmysl, robotika a aplikace 3D tisku jsou skvělými příklady, kde je pájení obvykle omezeno na desky plošných spojů a je kategoricky vyloučeno pro všechna kabelová zakončení.

Je to proto, že pájené spoje jsou tvrdé, ale křehké, a proto citlivé na únavu z ohybu. Rozhodně to není žádoucí vlastnost elektrických spojů vystavených neustálým vibracím a pohybu. Pájené kabely v takových aplikacích podléhají únavě ohybem a následně selhávají na křehkých spojích.

Právě proto jsou v těchto aplikacích kabelové koncovky vystavené takovým silám místo pájení zalisovány.

I když to může znít neintuitivně, pájení není jediným způsobem, jak dosáhnout plynotěsných spojů odolných proti oxidaci. Obrovský tlak vytvářený při lisování spojuje měděné vývody na molekulární úrovni, což je činí dokonale plynotěsnými.

Zvlněné spoje jsou ve skutečnosti mechanicky i elektricky lepší než jejich pájené protějšky a zároveň jsou odolné vůči únavě z ohybu. Dr. Ramasubramanian uvádí nepřítomnost intermetalických látek v krimpovaných spojích jako primární důvod pro čisté měděné rozhraní vykazující zlepšenou vodivost vůči pájeným spojům.

Vysvětluje také, že spojení zvlněných spojů měď-měď je ze své podstaty silnější, protože podobné atomy mají tendenci vytvářet silné, stabilní vazby. Na druhé straně se relativně liší atomy mědi, olova a cínu v pájených spojích slabší vazby, které jsou pod neustálým namáháním, což zase urychluje únavové praskání při mechanickém namáhání stres.

Příbuzný: Průvodce pro začátečníky k 3D tiskárnám Voron pro kutily

Proto také v motorovém prostoru vašeho vozidla nenajdete jediné pájené zakončení kabelu. Totéž pro 3D tiskárny a jakékoli jiné zařízení, které je vystaveno neustálým vibracím a pohybu.

Čím víc víš

Znalost základní mechaniky pájení a toho, kdy je vhodné ji aplikovat na vaše projekty, bude znamenat rozdíl mezi úspěchem a stovkou podivných dolarů v poškozené elektronice.

9 nejlepších páječek pro začátečníky

Pokud vás zajímá elektronika, budete potřebovat páječku. Zde jsou pro vás nejlepší páječky.

Číst dále

O autorovi