В настоящее время все электронные устройства содержат в конструкции сложную начинку из множества компонентов. Время от времени возникает необходимость в ремонте таких устройств.
Ремонт обычно заключается в замене неисправных деталей на новые. И если раньше возможно было просто обойтись для этого паяльником, то с появлением компонентов в корпусах BGA, даже использование термовоздушной пайки не всегда успешно.
Специалисты применяют ик паяльник или паяльную станцию, излучающую инфракрасные волны.
Описание процесса ИК-пайки
Проблема при работе с компонентами в корпусах BGA заключается в необходимости нагреть и расплавить сразу большое количество шариков припоя.
При нагревании их, некоторое количества тепла за счет теплопроводности материалов отдается на монтажную плату. Того тепла, которое дает паяльная станция, становится недостаточно.
Увеличение времени нагрева или повышение температуры не лучшим образом сказывается на микросхеме. Она может перегреться и выйти из строя.
Решение напрашивается само собой – нужно предварительно разогреть монтажную плату снизу, не воздействуя теплом на микросхему. Разогревать можно как потоком воздуха, так и спокойным инфракрасным излучением.
В результате, когда температура материала платы поднимется, уменьшится теплоотвод с ножек контактов и понадобится меньшая температура и меньшее время воздействия для того, чтобы расплавить шарики припоя.
При использовании инфракрасной пайки для нижнего прогрева используют специальные устройства – термостолы. В этом состоит принцип работы инфракрасной паяльной станции.
Инфракрасная пайка заключает в себе множество преимуществ перед термовоздушной. Если при термовоздушной пайке возможно контролировать только скорость истечения воздуха из сопла и температуру нагревательного элемента, и совершенно невозможно управлять оттоком воздуха, то при инфракрасной пайке контролю поддается температура припоя на протяжении всего цикла работ.
Применение инфракрасной паяльной станции позволяет более точное воздействие на определенную область платы, что затруднительно при пайке горячим воздухом.
А при ремонтных работах задача как раз и состоит в том, чтобы заменить один или несколько компонентов схемы, совершенно не воздействуя на другие.
Из истории пайки и металлургии
Пайку широко применяют в промышленности, быту. Так, в машиностроительной области ее используют при производстве турбинных лопаток, дисков, трубопроводных систем и множестве другой продукции. Пайку используют в производстве электронной аппаратуры различного назначения.
Пайка электронной аппаратуры
К достоинствам этого технологического процесса можно отнести следующее:
- Низкотемпературный нагрев соединяемых деталей. это позволяет сохранить структуру и механические параметры материалов.
- Этот способ позволяет обеспечить механическую чистоту шва и это позволяет избежать дополнительной механической обработки.
- Современные методы пайки позволяют соединять между собой детали из стальных сплавов, цветных металлов и пр.
Пайка принадлежит к древнейшим способам обработки металлов. Ее применение помогало решить множество проблем изготовления посуды, оружия, украшений и пр.
Несколько тысяч лет назад пайку уже широко применяют ремесленники. Так, при проведении раскопок на территории Вавилона были обнаружены золотые изделия, у которых были припаяны отдельные детали. А на месте древнего Рима были найдены трубы из свинца, входившие в состав водопровода, и собранные с помощью оловянно-свинцового припоя. Более того, некоторые исследователи убеждены в том, что легендарная шапка Мономаха, хранящаяся в Кремле, собрана из нескольких тысяч элементов выполненных из золота и соединенных пайкой.
Электродуговая сварка
До появления электродуговой сварки, пайка применялась наряду со сваркой, выполняемой в кузне для создания неразъемных соединений деталей из металла. В принципе, можно сказать, что появление электрической сварки существенно остановило развитие пайки и превращения ее в техпроцесс соединения металлических деталей.
Технология твердой пайки
Но появление и быстрое развитие авиационного строительства, космонавтики, микроэлектроники привело к тому, что возник высокий и устойчивый спрос на использование этого метода сборки деталей. В частности, пайку применяют для создания сложных узлов в машиностроении, строительстве разных приборов. В ряде случаев пайка оказалась единственным способом соединения деталей.
Модель ИК-650 ПРО
Одной из наиболее распространенных инфракрасных паяльных станций профессионального уровня является ИК-650 ПРО. В России это устройство стало одним из первых, способных с успехом производить ремонт техники с BGA схемами.
Пайка производится настолько качественно, что возникло устойчивое мнение об абсолютной надежности устройств, платы которых монтировались при помощи этой инфракрасной паяльной станции.
Программное обеспечение позволяет очень точно выдерживать температурный профиль, что немаловажно для создания прочных, надежных контактов. Ведь для качественной пайки необходимо не просто создать температуру достаточную для плавления припоя, а нужно еще поднять ее плавно и затем плавно понизить, не допуская резкого охлаждения контакта.
Только тогда будет создана прочная кристаллическая решетка в капле припоя, соединяющей контакт микросхемы с монтажным пятачком.
Инфракрасная станция имеет модульную конструкцию и позволяет собрать множество возможных конфигураций для производства предварительных и вспомогательных работ:
- возможно использование различного типа термостолов;
- подключение электронного микроскопа;
- автоматическое регулирование температуры нагрева и остывания;
- существуют дополнительные модули для восстановления выводов BGA (это называется реболлингом).
В комплектацию паяльной станции входит также вакуумный пинцет, которым удобно устанавливать мелкие детали на плате.
Стоимость инфракрасной паяльной станции ИК-650 ПРО в настоящее время более 150 000 рублей. Она является профессиональным оборудованием и, конечно же, для любительского использования практически недоступна.
Детали для самодельного прибора
Имеющиеся в продаже инфракрасные паяльные станции отечественного и зарубежного производства представлены в продаже очень широко, но цены на них начинаются от 20 000 рублей. И при минимальной цене, это будет инструмент не самого лучшего качества.
При необходимости производства работ с BGA-корпусами в условиях стесненности в средствах выходом может стать самодельная инфракрасная паяльная станция.
Собрать ее можно из деталей инфракрасных станций, имеющихся в продаже, а также из подручных материалов и старых отслуживших свой срок приборов.
Термостол для паяльной станции можно изготовить из светильника или нагревателя с галогеновыми лампами, которые будут нагревать плату до необходимой температуры. Верхний нагреватель и контроллер паяльной станции придется приобрести из запасных частей, покупая их новыми или бывшими в употреблении.
Штатив для верхнего нагревательного блока можно изготовить из опоры от старой настольной лампы.
Для термостола необходимо запастись галогеновыми лампами и отражателями-рефлекторами. Их помещают в корпус, который можно изготовить самостоятельно из алюминиевого профиля и листового металла.
Кроме ламп, в корпусе необходимо предусмотреть место для крепления термопары, которая будет «снабжать» информацией о температуре ламп модуль управления.
Температура должна выдерживаться точно, чтобы платы не растрескивались от избыточного тепла и резких перепадов температуры.
Немного теории
При нормальной температуре пик электромагнитного излучения происходит в инфракрасной области. Вещи, которые горят, излучают как более интенсивное, так и более энергичное (более короткое) инфракрасное излучение. Когда становится очень жарко, они начинают светиться красным. Чем они горячее становятся, тем приобретают больше оранжевого и желтого цветов, затем синего.
Многие органические молекулы интенсивно поглощают инфракрасное излучение, это заставляет объект нагреваться. Тепло – это кинетическая энергия поступательного движения атомов и молекул. Излучаемый атомом свет имеет длину волны. В итоге нагретое тело тоже излучает свет, и чем сильнее нагрето тело, тем короче волна излучаемого света.
Для информации. Согласно закону смещения Вина, бывает так, что тепловое излучение объектов вблизи комнатной температуры находится в инфракрасной области. Сюда относятся лампочки и даже люди.
Итак, инфракрасное излучение – это не тепло, и оно (непосредственно) не вызывает тепло. Оно испускается теплом объекта при определенном диапазоне температур.
Инфракрасное излучение
Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью, начиная с инфракрасного, потом красного, оранжевого, желтого…. фиолетового и кончая длиной волны ультрафиолетового излучения. И обратно тоже. Облучение тела светом вызывает усиление движения его молекул, любым светом, но инфракрасным, как самым длинноволновым, эффективнее всего.
ИК паяльная станция своими руками – это инфракрасный обогреватель, отдающий тепло в окружающую среду посредством инфракрасного излучения.
Сборка
Инфракрасную головку мощностью около 400-450 Вт, необходимо закрепить на штативе, используя крепеж, элементы которого легко приобрести в торговой сети, для контроля температуры верхнего нагревательного узла необходимо применить вторую термопару.
Она должна быть установлена вместе с нагревателем. Кабель можно проложить в гибком металлорукаве. Штатив паяльной станции необходимо крепить таким образом, чтобы ИК-головка могла свободно перемещаться над всей поверхностью.
На корпусе термостола необходимо предусмотреть кронштейны для фиксации платы. Она должна располагаться на несколько сантиметров выше галогеновых ламп. Для кронштейнов можно применить подходящие алюминиевые профили.
Контроллер для инфракрасной паяльной станции помещается в корпус, который можно изготовить самостоятельно из листового металла, лучше из оцинкованной стали.
При необходимости в корпус можно встроить такие же вентиляторы охлаждения, какие используются в корпусе компьютера.
После сборки самой конструкции предстоит отладка всей схемы инфракрасной паяльной станции. Это производится опытным путем, многократно запуская схему и производя замеры. Процесс нелегкий, но после настройки он даст свои результаты – паяльная станция будет работать правильно.
Бесконтактный паяльник
Если острой потребности в использовании инфракрасной паяльной станции нет, то для пайки может быть с успехом применен инфракрасный паяльник. Внешне он похож на обычный с той разницей, что вместо жала имеет нагревательный элемент.
Применение и устройство
Инфракрасный паяльник используется в условиях, когда контакт с выводами компонентов недопустим. Удобно им пользоваться и для пайки радиодеталей, так как часто у обычного паяльника на жале образуется нагар, и соединения получаются некачественными. Нагар приходится счищать, а на эти действия уходит порой довольно много времени.
В условиях домашней мастерской можно сделать простейший самодельный инфракрасный паяльник из прикуривателя автомобиля. Нагревательный элемент этого устройства отлично подойдет для изготовления инструмента.
Так как для нормальной работы прикуривателя нужен постоянный ток напряжением 12 Вольт, соответствующий бортовой электросети автомобиля, понадобится электропреобразователь, чтобы можно было использовать бытовую сеть переменного тока. Для этих целей можно с успехом применить блок питания для корпусов компьютеров.
Типы нагревательных элементов паяльников
Электронная техника постоянно совершенствуется и в одной микросхеме можно насчитать миллионы деталей, например, транзисторов. Совершенствование этих элементов приводит к тому, что использовать традиционные схемы монтажа становится невозможно, причиной тому стало и то, что детали расположены на плате очень плотно.
Нагревательные элементы паяльников
Именно поэтому широкое распространение получили паяльные станции, которые более приспособлены для работы с платами.
Термофен паяльной станции
Как уже отмечалось, большинство станций предназначены для сборки плат, то есть припаять с их помощью можно любую деталь, а вот отпаять – это уже довольно сложно.
Для решения этой задачи применяют прибор под названием термофен. Он позволяет выполнять работы с применением горячего воздуха.
Инфракрасный нагреватель
Их применяют в большом количестве устройств начиная от простых обогревателей, до различного технологического оборудования, которое используют местный нагрев.
В частности, нагреватели этого типа нашли свое применение в работе паяльных устройств для работы с печатными платами.
