Современные инструменты для ручного монтажа и ремонта РЭА: общие требования и предложения от ТЕРМОПРО
Специалистам в области электроники и радиотехники хорошо известно крылатое выражение «надежность — это наука о контактах». Но, кроме контактов, есть еще и пайки. Поэтому данный постулат лучше заменить другим: «надежность — это наука о контактных соединениях». Действительно, мы можем выбрать самые качественные микросхемы, диоды, резисторы и конденсаторы, но конечная надежность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), несомненно, определяется контактными соединениями в виде разъемов, а от паек она зависит даже не вдвойне, а втройне.
Что имеется в виду? Давайте рассмотрим ситуацию по порядку. Ни у кого нет сомнений, что при крупносерийном производстве основной технологией монтажа печатных плат была и остается групповая пайка. Эта технология вне конкуренции благодаря ее высокой производительности и, следовательно, малым общим затратам, но только при средних и больших сериях. А вот для мелкосерийного производства она неэффективна. В мелкосерийном производстве, как и при работе над макетами в ходе НИОКР или при ремонте РЭА, на все 100% используется ручной монтаж. Так что здесь все более-менее ясно и ничего не поделаешь — это неизбежность. А все ли так радужно при групповой пайке? Статистика, о которой автор статьи может говорить с полной уверенностью, исходя из своего многолетнего опыта по внедрению и производству РЭА, показывает, что даже при идеально настроенной линии групповой пайки объем так называемого домонтажа и ремонта составляет от 10 до 15%.
В домонтаж входит не только поправка паек, но и, например, устранение такого распространенного явления, как сдвиг элементов в горизонтальной плоскости [3] (рис. 1а), или явление, именуемое эффектом «надгробного камня» [4] (рис. 1б). В последнем случае элемент поверхностного монтажа, в частности SMD-конденсатор или резистор, под действием сил поверхностного натяжения припоя оказывается установленным не параллельно поверхности платы, а под некоторым вертикальным углом с нарушением одного контакта.
Кроме того, на плате может быть и небольшое количество элементов, которые нецелесообразно или просто невозможно устанавливать при групповой пайке, или может потребоваться исправление платы после ее настройки регулировщиком. Вот почему норматив в 10–15% ручной пайки обычно закладывается в техпроцесс и учитывается в расчете себестоимости. А 10–15% ручного труда уже оказывают заметное влияние на себестоимость конечного продукта. Соответственно, нам не обойтись без качественного, удобного и эффективного инструмента для ручной пайки. Это одна сторона вопроса.
Еще один важный момент, который является следствием уже не столько техники или технологии, сколько политики защиты рынков, — проблема современных припоев и флюсов. Благодаря «заботе об экологии» и переходе на бессвинцовые технологии в производстве РЭА по директивам RoHS. Первая из директив, 2002/95/EC (RoHS 1), была принята в 2006 году, а вторая, более расширенная, — 2011/65/EU (RoHS 2) — находится в стадии внедрения. Но для стран ЕС ее утверждение сдвинули до 2018 года, а остальным (то есть конкурентам вне ЕС) приходится выполнять положения этого документа начиная с 2014 года. Более подробную информацию можно получить из публикаций [1, 2].
В рамках данной статьи нас интересует только один вопрос — массовый переход на бессвинцовую пайку и связанные с этим технологические проблемы. Если читатель не работает на экспорт, а занимается, скажем, ремонтом бытовой или иной аппаратуры, то он вынужден подстраиваться под новые технологии. В настоящее время практически все элементы широкого применения выполнены в соответствии с директивой RoHS. Практически все изделия, попавшие в ремонт, выполнены в соответствие с директивой RoHS. Если вы работаете в сфере промышленного оборудования, также можете быть уверены, что и это оборудование соответствует директиве RoHS. Уйти от этой проблемы не удастся, и ее влияние придется учитывать в технологическом процессе и соответствующем выборе инструмента, в какой бы из отраслей промышленности вы ни работали.
Итак, как это касается рассматриваемого вопроса? Ответ прост: используемый инструмент для ручного монтажа должен быть эффективным и обеспечивать надежную и качественную пайку как со свинецсодержащими (старый парк оборудования и оборудование, пока имеющее исключение из директив RoHS), так и с бессвинцовыми припоями (все остальное). Разница между этими припоями очень существенная, а именно температура плавления самого распространенного свинецсодержащего припоя Sn63/Pb37 (или старого советского ПОС61) составляет +183 °С, а бессвинцового Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 (SAC) — +221 °С. «Небольшая» разница (почти в 40 °С!) привела к тому, что парк паяльного оборудования приходится обновлять, что связано с разницей температуры плавления припоя и температуры его паяния, например, для припоя Sn63/Pb37 температура плавления составляет +183 °C, рекомендуемый режим пайки достигает +230 °C. Это необходимо, поскольку припой нужно не только расплавить, но и обеспечить его растекаемость и смачиваемость всей системы (наконечника паяльника, контактной площадки и выводов элемента) — отсюда превышение температуры плавления. А вот настройка температуры наконечника паяльника для работы с Sn63/Pb37 будет +240…+260 °С, а для бессвинцового припоя типа SAC — до +300…+320 °С соответственно. Дешевые бессвинцовые припои, например Sn99,3/Cu0,7, требуют еще более высокой температуры наконечника — до +340 °С, так как их температура плавления составляет примерно +230 °C.
Все это говорит о том, что для ручной пайки в современных условиях нужны инструменты, допускающие необходимый нагрев с более стойкими наконечниками, которые не будут растворяться в олове припоя. В противном случае наблюдается не только быстрый износ инструмента из-за обычного выгорания жала, но и миграция меди в припой и, как следствие, образование крайне нежелательных интерметаллических соединений меди с оловом в месте пайки. Такие интерметаллические соединения имеют низкую проводимость и недостаточную механическую прочность — они хрупкие.
Еще ряд проблем, связанных с бессвинцовыми покрытиями печатных плат и выводов электронных компонентов, представлен в публикации [2].
Можно смело сказать, что сегодняшний паяльный инструмент — это маленький технологический шедевр. Посмотрите на жало современного паяльника (рис. 2).
Основой головки является чистая медь, прекрасно аккумулирующая тепло. Из нее изготавливались стержни еще для первых паяльников. Медь защищена от выгорания слоем чистого (99,9%) железа толщиной 300 мкм, в силу своих физических свойств надежно предохраняющего медь, на которую оно нанесено, обеспечивая таким образом максимальную долговечность наконечника. Рабочая поверхность наконечника облужена припоем по железу. Для защиты от коррозии на всю поверхность (кроме залуженной рабочей поверхности) нанесен слой никеля или хрома по никелю.
Предложенное решение широко применяется при производстве наконечников всеми ведущими фирмами. А американская компания Plato Products Inc. специализируется на выпуске насадок такой многослойной конструкции для всех ведущих фирм мира — HAKKO, Pace, Weller, Ersa, O.K Industries, Antex, Esico, Adcola, Ungar и многих других [5].
Выше были проанализированы технологические аспекты выбора паяльного инструмента. Однако существует еще один немаловажный нюанс — эффективность использования инструмента с точки зрения производительности труда, его энергоэффективность и цена.
Сначала разберемся, что подразумевается под энергоэффективностью. Те, кто напрямую сталкивался с процессом ручной пайки элементов, будь то демонтаж, ремонт или работа над макетом, знает, что время полезной работы паяльной станции занимает минуты, а ее простой — часы. То есть каждая обычная паяльная станция мощностью в среднем 60 Вт, потребляя в смену 0,5 кВт/ч электроэнергии, 90% времени греет воздух помещения, выбрасывая деньги буквально на ветер, и говорить о ее энергоэффективности не приходится. Конечно, в продвинутых паяльных станциях встроены системы энергосбережения, но их часто отключают, чтобы не ждать прогрева паяльника. Хорошее решение — импульсные паяльные станции, которые включаются только на время осуществления пайки элемента.
Такое решение предлагает, например, ООО «НТФ «Техно-Альянс Электроникс» — компания, хорошо известная в сфере паяльного оборудования для производства и сервиса электроники, выступающая под торговой маркой ТЕРМОПРО (www.termopro.ru). Проанализировав свой многолетний опыт применения аналоговых импульсных систем и изучив многочисленные пожелания пользователей, компания в сотрудничестве с фирмой «Аргус Х» разработала цифровую модель — импульсную паяльную станцию ФРЦ‑150 (рис. 3), которая по своим характеристикам значительно превосходит аналогичное зарубежное оборудование. Импульсная система ФРЦ‑150 представляет собой низковольтный источник напряжения переменного тока с цифровым управлением, поддерживающий работу подключенных к блоку управления термоинструментов. Достоинством такой системы является то, что питание на любой из инструментов подается импульсно, только на время выполнения операции. До и после этого инструмент находится в относительно холодном состоянии, и потребление электроэнергии системой сводится к минимуму. Время подачи питания, длительность импульса и скорость нагрева инструмента задается оператором, а затем уже самостоятельно отслеживается цифровой системой [6]. Таким образом, экономия электроэнергии может достигать 90%.
Предлагаемая для рассмотрения станция не только решает проблему энергоэффективности, но и повышает производительность труда.
В связи со сложившейся ситуацией в экономике, затраты на приобретение ФРЦ‑150 невелики, а закупка аналогичных зарубежных приборов становится нерентабельной, и здесь российский производитель вполне конкурентоспособен, не было бы счастья, да несчастье помогло.
В настоящий момент в составе комплекта паяльной станции ТЕРМОПРО ФРЦ‑150 предусмотрено три вновь разработанных инструмента: двухконтурный импульсный термопинцет ДИП‑65, одноконтурный импульсный термопинцет ОИП‑90, инструмент для снятия изоляции ИС‑70. В ближайшей перспективе ожидается выпуск импульсного паяльника ИП‑20. Главной конструктивной особенностью инструментов является увеличенная жесткость и отсутствие поперечного люфта, характерного для американских аналогов.
Управление оборудованием осуществляется при помощи цифрового регулятора мощности (ЦРМ), в состав которого входят:
- сетевой фильтр, установленный в цепи питания 220 В;
- вторичный низковольтный источник переменного тока, гальванически развязанный с цепями первичного питания (трансформатор);
- управляемый коммутатор низковольтного источника переменного тока;
- электронная цифровая система, обеспечивающая функционал изделия и выбор режима управления импульсным инструментом и подводимой к нему мощности;
- блок питания электронной цифровой системы;
- ножной выключатель (педаль) для активации работы паяльного инструмента.
На рис. 4 показан двухконтурный термопинцет, предназначенный для пайки мелких двухвыводных керамических компонентов (резисторы, конденсаторы, индуктивности и т. п.). Этот инструмент позволяет снимать или устанавливать без повреждения такие крайне чувствительные к термоудару элементы, как керамические SMD-конденсаторы, которые часто растрескиваются, особенно при пайке высокотемпературными припоями. Рассматриваемая импульсная система пайки может использовать при операциях монтажа/демонтажа термочувствительных электронных компонентов режим ограничения скорости нагрева. Скорость нагрева подбирается технологом или радиомонтажником и регулируется путем изменения подводимой к импульсному инструменту мощности, в зависимости от того, какие задачи решаются пайкой.
Термопинцет оснащен съемными наконечниками из нихрома двух типоразмеров. При необходимости наконечники можно залудить, используя активный флюс. Для того чтобы осуществлять щадящий нагрев компонентов, конструкция наконечников предусматривает большую площадь соприкосновения с контактными площадками и меньшую — с компонентом. Таким образом, при пайке/отпайке компонента тепло инструмента преимущественно передается на припой или паяльную пасту, воздействуя на компонент в меньшей степени.
Узкие наконечники термопинцета обеспечивают безопасную перепайку мелких двухвыводных компонентов. Для улучшения теплопередачи перед отпайкой рекомендуется нанести на выводы немного паяльной пасты с помощью дозатора, например дозатора ТЕРМОПРО ND‑35 (рис. 5, 6) [6].
Наконечники с широкой рабочей частью увеличивают сферу применения термопинцета (рис. 7).
Такими наконечниками можно работать с более крупными компонентами или с многовыводными компонентами (рис. 8). Корпус SOT23, например, сложно отпаять обычным термопинцетом, но широкие насадки обеспечивают захват сразу двух выводов с одной стороны корпуса и третьего вывода — с другой.
Еще одним преимуществом инструментов компании «Техно-Альянс Электроникс» является то, что в случаях, когда необходимо осуществить ступенчатый нагрев, например при монтаже на паяльную пасту, можно воспользоваться режимом «программа». Это позволяет оператору в течение одного цикла пайки через определенные интервалы времени автоматически менять уровень мощности. Получается некое подобие термопрофиля, с той лишь разницей, что в каждой зоне задается не температура, а скорость нагрева. Число зон с разным уровнем мощности можно выбрать в диапазоне от двух до семи. Такой подход весьма полезен при пайке чувствительных к резким перепадам температур элементов, в частности, помехоподавляющих элементов EMIFIL (компании Murata), которые при пайке обычным термопинцетом нередко выходят из строя. Обратите внимание на требования к их пайке, приведенные в [7], их практически невозможно выполнить при обычном ручном монтаже.
Другая область применения импульсных инструментов ТЕРМОПРО — не повреждающая проводник обработка изоляции проводов и кабелей (зачистка изоляции на концах), а также безопасная для соседних проводов пайка/отпайка проводов в многорядных разъемах (рис. 9).
Импульсный съемник — удобное, производительное и безопасное решение для зачистки тугоплавкой изоляции на таких проводах, как МГТФ, МС, МГШВ, и других. Насадки инструмента можно раскалить докрасна как обжигалку (рис. 10), но в этом нет необходимости.
Экспериментальный подбор правильной мощности инструмента для каждого вида провода обеспечивает зачистку без следов нагара и минимизирует воздействие на тонкие жилы медного провода (рис. 11).
Одноконтурный импульсный пинцет предназначен для нагрева металлических предметов, зажатых между плоскими насадками, — например, для пайки/отпайки проводов в многорядных разъемах. Захватив нужный вывод холодными наконечниками, включаем инструмент. Ток, протекающий через вывод, разогревает его в большей степени, чем наконечники. В результате операция пайки/отпайки провода из разъема осуществляется без нарушения изоляции соседних проводов (рис. 12).
В таблицах 1 и 2 для каждого инструмента приведена максимально допустимая мощность. Для выполнения каждой операции, будь то пайка или зачистка проводов, монтажник может ограничить мощность инструмента, задав ее в процентах от максимальной мощности блока управления. Установленная мощность определяет скорость нагрева инструмента, а длительность импульса — время, в течение которого подается питание на инструмент. Эти параметры подбираются опытным путем, а затем сохраняются в памяти системы. Как только монтажнику потребуется повторить операцию, он восстановит ее настройки простым нажатием кнопки. В системе также предусмотрен режим «обучение» [6].
Параметры |
Значения |
Напряжение питания |
однофазная сеть переменного тока |
Максимальная потребляемая мощность |
100 Вт |
Максимальный потребляемый ток |
0,5 А |
Максимальная мощность паяльного инструмента |
100 Вт |
Тип заземления |
через заземляющую жилу в кабеле питания |
Номинальное напряжение питания |
~2,6 В |
Пределы регулировки |
5–100/1% |
Пределы регулировки времени |
0,1–99,9/0,1 с |
Число ячеек памяти для записи группы параметров |
по 7 ячеек |
Габаритные размеры ЦРМ |
260×160×65 мм |
Масса ЦРМ без учета кабеля питания |
2,7 кг |
Срок службы изделия |
7 лет |
Климатическое исполнение |
УХЛ при категории размещения 4.2 |
Условия эксплуатации |
температура воздуха +10…+35 °С, |
Параметры |
ТЕРМОПРО ОИП90 |
ТЕРМОПРО ДИП65 |
ТЕРМОПРО ИС70 |
ТЕРМОПРО ИП20 |
Напряжение питания, В |
~2,6 |
|||
Максимальная мощность |
90 |
65 |
70 |
20 |
Габаритные размеры без учета |
(145×30×27) ±3 |
|||
Масса без учета кабеля питания |
75 ±7 |
90 ±7 |
75 ±7 |
|
Длина кабеля питания, см |
100 ±5 |
|||
Инструментдублер |
PACE TW15 |
PACE CT15 |
PACE TS15 |
PACE LF15 |
Как видно из приведенных характеристик импульсных инструментов, они успешно могут решать весь комплекс проблем, поднятых в статье. Для потребителя немаловажен и тот факт, что компания «Техно-Альянс Электроникс», как изготовитель инструмента, предоставляет всю необходимую техническую поддержку по его использованию и берет на себя обязательства по гарантийному ремонту или замене компонентов оборудования торговой марки ТЕРМОПРО в течение 36 месяцев, при условии соблюдения пользователем всех рекомендаций по эксплуатации. При поставке каждый инструмент ТЕРМОПРО укомплектован запасными насадками. Для удобства хранения инструментов можно заказать специальные подставки.
- Рентюк В. RoHS-директива: защита экологии или рынков? //Технологии в электронной промышленности. 2013. № 5.
- Карано М. OSP и селективное нанесение химникеля для финишных покрытий со смешанной металлизацией и ИМС в корпусах с BGA // Производство электроники. 2015. № 2.
- Медведев А. Сборка и монтаж электронных устройств. М: Техносфера, 2007.
- Левданский А. Причины возникновения и способы борьбы с эффектом «надгробного камня» // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 4.
- Любимцев А. Паяльные станции HAKKO Corporation // Компоненты и технологии. 2003. № 7.
- Шулика Е., Колесов Д. Система импульсной пайки ФРЦ‑150. Сделано в России // Технологии в электронной промышленности. 2009. № 1.
- SMD/BLOCK Type EMI Suppression Filters EMIFIL, Murata Manufacturing Co., Ltd, Aug 19, 2013. www.murata.com/products/catalog/pdf/c31e.pdf