Мастерство пайки: типы, техники и пошаговое руководство

Если разобрать любое электронное устройство с печатной платой, вы увидите компоненты, припаянные к плате. Пайка — процесс соединения двух и более электронных деталей плавлением припоя вокруг соединения. Хотя пайка создает постоянное соединение, его можно разобрать с помощью отсасывателя припоя.

Сегодня мы изучим всё о пайке: что это, применение, как идет процесс.

Что такое пайка?

Пайка — процесс соединения разных металлов плавлением припоя. Припой — металлический сплав, обычно оловянно-свинцовый, плавится горячим паяльником. Паяльник нагревается выше 600 °F (315 °C), при остывании создает прочную электрическую связь.

В отличие от сварки, детали не плавится при пайке. При пайке твердым припоем (бразинг) наполнитель тоже плавится, но при более высокой температуре. Исторически почти все припои содержали свинец, но экологические и медицинские проблемы привели к использованию безсвинцовых сплавов для электроники и сантехники.

Что такое припой?

Припой — плавкий металлический сплав для создания постоянной связи между металлическими деталями. Расплавляется для сцепления и соединения деталей после остывания, требуется сплав с точкой плавления ниже деталей.

Припой должен устойчивать к окислительным и коррозионным воздействиям, деградирующим связь со временем. Для электрических соединений нужны благоприятные электрические характеристики.

Мягкий припой обычно плавится при 90–450 °C (190–840 °F; 360–720 K), используется в электронике, сантехнике, листовом металле. Сплавы 180–190 °C (360–370 °F; 450–460 K) — самые частые. Пайка сплавами с т° плавления >450 °C называется «твердой пайкой», «сребропайкой» или бразинг.

В определенных пропорциях некоторые сплавы эвтектичны: точка плавления минимально возможна для смеси и совпадает с точкой застывания. Неэвтектичные сплавы имеют разные температуры солидуса и ликвидуса — отдельные жидкое и твердое переходы.

Неэвтектичные смеси часто существуют как паста твердых частиц в расплавленной матрице низкотемпературной фазы при нагревании. В электрических работах, если соединение беспокоят в этом «пастообразном» состоянии до полного застывания, может получиться плохое электрическое соединение; эвтектичный припой снижает эту проблему.

Пастообразное состояние неэвтектичного припоя можно использовать в сантехнике: позволяет формировать припой при охлаждении, например для герметичных соединений труб — так называемый «вытираемый шов» (wiped joint).

Для электроники припойная проволока в диапазоне толщин для ручной пайки (паяльник или паяльная пистола), с сердечником из флюса. Также как паста комнатной температуры, предварительно сформированная фольга под форму детали (для механизированного массового производства), или маленькие «кладки» для обмотки вокруг соединения и плавления пламенем, где паяльник недоступен (полевой ремонт).

Как работает пайка

Припой плавится теплом от паяльника, подключенного к температурному контроллеру. Нагревается выше точки плавления ~600 °F, плавится и остывает, создавая паяное соединение.

Помимо прочных электрических связей, припой можно удалить отсасывателем.

Припой — металлический сплав для прочных постоянных связей: медные соединения в печатных платах, медные трубные соединения. Два типа и диаметров: с свинцом и безсвинцовый, 0,032–0,062 дюйма. Внутри сердечник — флюс, материал для усиления и улучшения механических свойств.

Какие металлы используются?

Наполнительные металлы для пайки были свинцовыми. Из-за регулирования свинцовые припои заменяются безсвинцовыми: сурьма, висмут, латунь, медь, индий, олово, серебро.

Какой флюс использовать для пайки?

В точке соединения могут быть примеси: масло, грязь, оксид. Флюс предотвращает окисление и иногда сухо очищает металл. Используется колофониевый флюс, помогающий механической прочности и электрическому контакту. Иногда наносят смачивающий агент для снижения поверхностного натяжения.

Разные типы припоя

Кратко: 3 типа — безсвинцовый, свинцовый, флюс. Свинцовые — самые надежные, предпочтительные для критических применений: медицинская электроника, авиация.

Много типов припоя на рынке, но реально только три основные категории для сужения поиска:

• Свинцовый припой запустил электронную революцию. Частая смесь 60/40 (олово/свинец) с т° плавления ~180–190 °C. Разговорно — мягкий припой. Олово выбрано за низкую т° плавления, свинец — для подавления оловянных усов. Чем больше олово, тем выше разрывная и сдвиговая прочность.
• Бесвинцовый припой развивался, когда ЕС ограничил свинец в потребительской электронике. В США производители получали налоговые льготы за безсвинцовый припой. Оловянные усы митигируются современными отжигами, добавками (никель), конформными покрытиями. Безсвинцовые обычно имеют более высокую т° плавления.
• Припой с флюсовым сердечником продается как «катушка проволоки» с восстанавливающим агентом в сердцевине. Флюс выделяется при пайке, восстанавливает (обращает окисление) металл в точке контакта для чистого электрического соединения. Улучшает смачиваемость припоя. В электронике флюс обычно колофония. Кислотные сердечники — для металлоремонта и сантехники, НЕ для электроники.

Как паять

Пайка — соединение двух и более электронных деталей плавлением припоя вокруг соединения. Припой — металлический сплав, при остывании создает прочную электрическую связь. Можно разобрать отсасывателем.

Для наглядности покажем на реальном примере: пайка светодиода на печатную плату.

Шаг 1: Установка компонента. Вставьте выводы светодиода в отверстия платы. Переверните плату, согните выводы наружу под 45°. Это улучшит контакт с медной площадкой и предотвратит выпадение при пайке.

Шаг 2: Нагревание соединения. Включите паяльник, при регулируемом термостате установите 400 °C. Коснитесь наконечником медной площадки и вывода резистора одновременно. Держите 3–4 секунды для нагрева площадки и вывода.

Шаг 3: Нанесение припоя на соединение. Держа паяльник на площадке и выводе, коснитесь соединения припоем. ВАЖНО: не касайтесь припоя кончиком паяльника. Соединение должно быть достаточно горячим, чтобы расплавить припой при касании. Если слишком холодно — плохое соединение.

Шаг 4: Обрезка выводов. Уберите паяльник, дайте припою остыть естественно. Не дуйте — это даст плохой шов. После остывания отрежьте лишние провода.

Правильный паяной шов — гладкий, блестящий, форма конуса/вулкана. Достаточно припоя для покрытия всего соединения, но не много — не должен быть шариком или течь на соседний вывод/соединение.

Как паять провода

Теперь покажем пайку проводов. Рекомендуются «помогающие руки» или зажимы.

Снимите изоляцию с концов обоих проводов. Если жилки — скрутите их пальцами. Убедитесь, паяльник полностью нагрет, коснитесь кончика одного провода. Держите 3–4 секунды.

Держа паяльник, коснитесь провода припоем до полного покрытия. Повторите со вторым проводом. Положите два припоеных провода друг на друга и коснитесь обоих паяльником. Припой расплавится и покроет оба провода равномерно.

Уберите паяльник, подождите несколько секунд для остывания и затвердевания. Используйте термоусадочную трубку для изоляции соединения.

Что такое отпайка (Desoldering)?

В электронике отпайка — удаление припоя и компонентов с печатной платы для диагностики, ремонта, замены, утилизации.

Отпайка — процесс плавления припоя и удаления соединений между двумя материалами. В электронике — снятие электрических компонентов с печатной платы для диагностики, ремонта, замены, спасения. Наиболее часто для этого.

Простыми словами, отпайка — полная противоположность пайке. Вы отменяете всё, что сделали при пайке. Как пайка, отпайка — сложный процесс, требующий мастерства. Нужно соблюдать похожие шаги и строгие меры безопасности.

Методы отпайки

Существует несколько методов. Каждый требует разных инструментов и уровня мастерства. Полный список:

1. Использование паяльника

Самый простой метод. Нужен только паяльник и плоскогубцы.

Что делать:

• Нагрейте припой паяльником до плавления.
• Ножками подтолкните контакты паяльником и отодвиньте припой от соединений.
• Плоскогубцами выньте компоненты из отверстий.
• Тяните за кончики, не за корпуса — иначе повредите компоненты.

Для удаления припоя из отверстий: вставьте булавку в отверстие — она всосает припой и поможет удалить.

Плюсы: нужен только паяльник; можно повторно использовать компоненты.

Минусы: долгий нагрев паяльником может повредить плату.

2. Использование паяной косички (Soldering Wick)

Для удаления лишнего припоя после пайки. Косичка — сплетенные медные провода, также «дезольдерная косичка» (desoldering braid). Медь — хороший теплопроводник. Припой притягивается к теплу, медные витки впитывают припой с поверхности.

Некоторые косички с флюсом — легче удалять припой. Если нет флюса — макните кончик в флюс для ускорения.

Что делать:

• Сплетите несколько дюймов медных проводов в косичку.
• Макните кончик в флюс.
• Положите часть косички на соединение для отпайки.
• Приложите горячий паяльник к кончику косички и нужному контакту.
• Подождите несколько секунд: припой расплавится, косичка всосает его.
• Снимите косичку, удалите покрытую припоем часть.
• Повторите до удаления всего лишнего припоя.

Не трогайте косичку руками — очень горячая. Используйте плоскогубцы.

Плюсы: дешево, просто, легко; отлично для плоских поверхностей; регулируемый размер; можно повторно использовать компоненты.

Минусы: косичку нельзя повторно использовать (надо отрезать заряженную часть); горячая косичка трудно позиционировать; сложно удалять припой из отверстий.

3. Использование отсасывателя припоя (Desoldering Pump)

Малый высоконапорный вакуумный насос. Перед всасыванием нужно нагреть и расплавить припой.

Шаги:

• Паяльником нагрейте припой до плавления.
• Сожмите грудинку или нажмите плунжер насоса, поставьте на расплавленный припой.
• Отпустите грудинку — всасывает припой.
• Некоторые насосы с кнопкой отпускания — не нужно держать сжатой.
• Снимите отпаянные компоненты.
• Повторите до удаления всего лишнего припоя.

Некоторые насосы с встроенным паяльником — не нужен отдельный. Утилизируйте припой в насосе повторным сжатием/отпусканием.

Плюсы: разные стили и механизмы; отлично для отверстий и мелких компонентов; можно повторно использовать компоненты.

Минусы: большинство насосов крупные — трудно попасть в тесные места.

4. Использование термовентилятора (Heat Gun)

Работает как паяльник: нагревает припой для снятия компонентов. Можно термоаэрстанцию вместо термовентилятора. Очень эффективно, но дорого.

Как делать:

• Включите термовентилятор.
• Закрепите плату стойкой или плоскогубцами.
• Направьте кончик на припой до плавления.
• Снимите компоненты плоскогубцами.

Не держите термовентилятор на плате долго — расплавите/повредите плату.

Плюсы: отпайка и снятие за секунды; можно повторно использовать компоненты.

Минусы: быстрый нагрев в большинстве случаев повреждает компоненты, делая их непригодными. Иногда повреждает плату. Риск травмы.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое пайка?

Процесс соединения разных металлов плавлением припоя. Припой — сплав олова и свинца, плавится горячим паяльником. Нагрев выше 600 °F, остывание дает прочную электрическую связь.

Что такое припой?

Плавкий металлический сплав для постоянной связи между металлическими деталями. Расплавляется для сцепления и соединения после остывания — сплав с т° плавления ниже деталей. Устойчив к окислению/коррозии. Для электрических связей — благоприятные электрические свойства.

Какие типы припоя?

3 типа: безсвинцовый, свинцовый, флюс. Свинцовые — надежнее, для критических применений (меделектроника, авиация).

Является ли пайка сваркой?

Часто используются как синонимы, но процессы и подтехники отличаются. Главное отличие: при пайке металл нагревают для соединения, но НЕ плавит.

Что такое метод пайки?

Процесс соединения металлических деталей для механической или электрической связи. Обычно низкотемпературный сплав (припой), расплавляемый и наносимый на детали, при затвердении образует связь.

Что нужно для пайки?

• Предварительные нагреватели
• Помогающие руки
• Пайковый коврик
• Увеличительное стекло
• Дымоглот
• Пайковая лента
• Набор пинцетов
• Очиститель кончика паяльника (латунная шерсть)

Два типа пайки?

Три формы, требующие прогрессивно более высоких температур и дающие возрастающую прочность:

• Мягкая пайка — изначально оловянно-свинцовый наполнитель.
• Сребропайка — сплав с серебром.
• Бразинг — латунный сплав наполнителя.

Становится ли пайка нелегальной?

Нельзя вводить в оборот припой/флюс не безсвинцовый, если нет заметной этикетки: нелегально использовать в установке/ремонте сантехники для питьевой воды.

Как паять пошагово?

5 важных шагов волновой пайки:

1. Плавление припоя.
2. Очистка компонентов (критично).
3. Установка печатной платы.
4. Нанесение припоя.
5. Очистка.

Три типа пайки?

Три основных типа: свинцовые, безсвинцовые, с флюсовым сердечником.

Из чего сделан припой?

Обычно основаны на олове, свинце, кадмию, цинке, индии. Разные физические формы для разных способов нанесения. Припойные слитки — для пополнения больших ванн для погружной/волновой пайки.

Нужен ли флюс для пайки?

Можно паять без флюса. Полезен — разлагает оксиды на металле, но не обязателен. Большинство современных припоев с колофониевым сердечником делают работу флюса.

Как паять безопасно?

• Никогда не трогайте нагревательный элемент паяльника.
• Держите провода пинцетами или зажимами.
• Держите губку для очистки влажной.
• Всегда возвращайте паяльник на стойку когда не используете. Никогда не кладите на верстак.
• Выключайте и выдергивайте из розетки когда не в использовании.

Какой припой самый прочный?

60-40 (60% олово, 40% свинец) — дороже, но сильнейшая связь, легче работать (низкая т° плавления). Дешевый 40-60 — сложнее. 50-50 — компромисс цены и удобства.

Зачем олово в припое?

Олово/свинец дает более низкую т° плавления, чем металлы для соединения. В сварке тот же базовый металл может соединять две части.

Зачем флюс в пайке?

Трёхкратная цель: удаляет оксидированный металл с поверхностей для пайки, упечатывает от воздуха (предотвращает дальнейшее окисление), улучшает смачиваемость жидкого припоя за счет амальгамирования.

Припой так же прочен как сварка?

Связь при затвердевании расплавленного припоя. Не так прочен как сварка или бразинг. Паяная связь не механическая. Если пайка плохая — детали не будут проводить электричество.

Можно ли паять на дереве?

Многие покрытия паяны с правильным флюсом. Электроника использует припой для меди, серебра, золота, но можно паять и дерево! С правильным флюсом легко.

К чему припой не прилипает?

К грязным или оксидированным металлическим поверхностям. Очистите любые плоские поверхности для пайки стальной шерстью, напильником, наждачной бумагой. Важно тщательно очистить. Соскоблите провод для пайки задними стороной ножа или плоским металлом.

Можно ли паять электропровода?

По правилу 110.14 NEC не запрещает паяные скрутки, если соблюдаются их правила. Зависит от локальных юрисдикций, но если старое дело — обычно допускается, если не пожарная опасность.

Можно ли паять 230В?

Да, припой легко плавится при аварийных условиях. Становится жидким ~180/220 °C по марке, может стать пластичным ниже 120 °C.

4 типа припоя?

Три основных: безсвинцовый, свинцовый, с флюсовым сердечником. Еще — серебряный сплав. По составу сплавов. Другие типы по форме, типу сердечника, применению.

При какой температуре плавится припой?

Мягкий припой: 90–450 °C (190–840 °F; 360–720 K). Часто используемые сплавы: 180–190 °C (360–370 °F; 450–460 K).

Что можно паять?

Металлы: золото, серебро, медь, латунь, железо. Наполнитель (припой) плавится. При затверделении связывается с металлами и соединяет их. Связь не так прочна как бразинг или сварка.

Преимущества пайки?

• Низкая требуемая мощность
• Низкая процессная температура
• Нет термических деформаций и остаточных напряжений в деталях соединения
• Микроструктура не подвергается тепловому воздействию
• Легко автоматизируемый процесс
• Можно соединять разнородные материалы
• Широкий спектр соединяемых материалов
• Можно соединять тонкостенные детали

Чем заменить флюс, если нет?

Вазелин — лучшая эффективная альтернатива коммерческому флюсу. Воск и минеральная вода делают его антиоксидантом — легко используйте как пайковый флюс.

Можно ли использовать клей вместо пайки?

Нет хорошей замены пайке. Никакой клей не будет проводить электричество или держать так надежно как припой.