Почему так важен предварительный нагрев печатных плат

Время чтения: 15 минут

Эксперт — Сергей Пустовой

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

Важность температурного профилирования известна многим и широко применяется в массовом производстве печатных плат. Медленный и плавный подъем температуры, с фазой предварительного нагрева, помогают активировать флюс, предотвращают тепловой удар и улучшают качество паяного соединения. Однако, когда дело доходит до ремонта, создания прототипов или одиночных DIY проектов, часто забывают о важности стадии предварительного нагрева. Его отсутствие может привести к тому, что готовое устройство будет иметь низкие технические характеристики или даже иметь какую-либо неисправность. Если предварительный нагрев так важен, то почему его так часто забывают? И каковы последствия пропуска этого этапа пайки?

Роль стадии предварительного нагрева заключается в постепенном повышении температуры всей конструкции, от комнатной температуры до температуры выдержки, которая ниже точки плавления паяльной пасты и составляет около 150 °С. Этот этап требует поддержания постоянной скорости роста температуры, всего несколько градусов в секунду. Для осуществления этого весь процесс нагрева контролируется специальными микроконтроллерами.

Далее, непосредственно после фазы предварительного нагрева, следует фаза смачивания. Вся сборка выдерживается при установленной температуре в течение определенного времени, чтобы обеспечить не только равномерный прогрев платы, но и растекание с затеканием припоя в зазоры. Затем наступает фаза оплавления, которая инициирует формирование паяного соединения. Во время действия всех фаз предварительного нагрева и выдержки летучие растворители в паяльной пасте выгорают, и происходит активация флюса.

Дегазация летучих растворителей

Одним из основных преимуществ предварительного нагрева является то, что летучие вещества в паяльной пасте постепенно выделяются или испаряются. Если изменение температуры происходит слишком резко, то интенсивная скорость выделения газа может вызвать разбрызгивание паяльной пасты. Это может привести к образованию шариков припоя, а также уменьшению объема припоя в месте контакта. Паяльным пастам, содержащим большое количество растворителей, может потребоваться больше времени для полного удаления образовавшихся газов. Это может привести к увеличению времени предварительного нагрева и выдержки.

Активация флюса

Как известно всем, кто хоть как-то имел дело с паяльником, флюс является важнейшим компонентом припоя. Флюс удаляет оксиды, загрязняющие поверхность металлических контактов. Эффективное удаление окислов приводит к возникновению чистой поверхности, прочной адгезии, а также хорошему смачиванию контактных площадок. Если температура предварительного нагрева слишком низкая, то это может вызвать неэффективную активацию флюса и привести к образованию холодных соединений, а также неполному оплавлению припоя.

Предотвращение теплового удара

Возможно, наиболее важной целью предварительного нагрева является равномерное и последовательное повышение температуры всей сборки на этапе выдержки. Устойчивый нагрев снижает тепловые напряжения как в самих платах, так и в электронных компонентах. Этот факт имеет решающее значение при работах с интегральными схемами в таких корпусах как BGA, CGA и в других. SMD резисторы и конденсаторы также могут быть подвержены тепловому удару, в результате чего могут треснуть. Наличие в сборке термочувствительных компонентов оказывает наибольшее влияние на выбор скорости предварительного нагрева.

Снижение температуры оплавления

Действительно, предварительный нагрев и выдержка могут фактически снизить требуемую температуру оплавления и продолжительность последующих фаз, поскольку вся сборка уже находится при достаточно высокой температуре. Этот факт уменьшает температурный градиент при переходе к температуре оплавления, поскольку локальные перепады температур сводятся к минимуму.

Если рассмотреть пайку элементов с выводным монтажом, где необходимо обеспечить контакт провода, проходящего сквозь плату, то температура в месте пайки должна быть значительно выше, чем температура пайки элементов с поверхностным монтажом. Это связано с тем, что помимо нагрева припоя, тепло должно распространиться на контакт и контактную площадку. При этом чрезмерный нагрев места контакта, в течение слишком длительного времени, может привести к подъему площадки, расслаиванию и даже возгоранию.

В ремонтных мастерских, а также в любительской пайке, вышеописанная технология, выглядит чрезмерной роскошью. Так как настолько идеальные и четко контролируемые условия предварительного нагрева требуют дорогостоящего оборудования. Однако если совсем не учитывать температурные режимы пайки, то это может привести к множеству проблем. В первую очередь это образование дефектов, которые могут проявиться только на позднем сроке службы готового устройства. Это приведет к более существенному ущербу, чем его выявление на этапе сборки изделия.

Далее мы рассмотрим различное оборудование, применяемое в пайке печатных плат, а также их недостатки.

Термовоздушные паяльные станции

Нередко можно увидеть, как мастера используют термофены для выполнения локального оплавления припоя. Их применяют в таких работах, как замена микросхем BGA, а также SMD компонентов.

Замена микросхем BGA, имеющих контактные площадки, под своим корпусом, сама по себе уже достаточно сложная технологическая операция. И даже при пайке небольших микросхем, с малым числом контактных площадок, возможны серьёзные ошибки. Конструкция термофенов предусматривает подачу горячего воздуха сверху вниз, то есть первым нагревается корпус самой микросхемы, а не плата или контактные площадки.

Этот метод нагрева, в значительной степени, зависит от умения мастера постепенно повышать температуру, не вызывая слишком большой тепловой нагрузки на плату и компонент. Чрезмерно осторожные мастера могут не достичь достаточной температуры для оплавления припоя, а слишком нетерпеливые – вызовут общий перегрев, что может привести к растрескиванию или образованию внутренних повреждений детали.

Конвективные печи

Конвективные печи, применяемые для оплавления припоя, позволяют получить равномерный нагрев не только верхней, но и нижней сторонах печатной платы. Однако после извлечения платы из печи ее температура сразу начинает быстро падать. Это не совсем удобно, так как технический специалист становится ограничен во времени, если требуется провести дополнительные операции со сборкой. Также стоимость таких установок достаточно высока, что делает ее недоступной для рядового пользователя.

Инфракрасные преднагреватели

ИК-преднагреватели имеют схожий принцип работы, что и промышленные туннельные печи, о которых мы говорили ранее. В этих установках используют нагревательные элементы, испускающие ИК-излучение. Оно создает быстрый и равномерный предварительный нагрев PCB платы, а удобное размещение нагревателя под сборкой позволяет свободно работать с компонентами, размещенными сверху.

Инфракрасные преднагреватели можно разделить на высокотемпературные и низко температурные. Первые, помимо инфракрасного излучения, испускают еще и видимый свет. Это неудобно, так как мастеру приходится работать под постоянным светом ИК-излучателей, что вызывает напряжение и усталость глаз. Вторые, низкотемпературные, лишены этого недостатка, но из-за меньших температур нагревателя их интенсивность нагрева несколько ниже.

Также у таких конструкций нагревателей существуют определенные проблемы с контролем температуры платы. Так как вся сборка находится на некотором расстоянии от нагревателя, то определять ее температуру приходится выносной термопарой или бесконтактным термометром.

Контактные преднагреватели

Контактные нагреватели с горячей поверхностью обеспечивают эффективный нагрев, а также равномерно подводя тепло к нижней части печатной платы. Это способствует хорошему нагреву контактов, но не корпуса самой детали. При этом такой нагрев эффективен только в том случае, если вся сборка односторонняя, так как выступающие элементы на нижней части платы будут мешать плотному прилеганию к поверхности устройства. В настоящее время полностью односторонние платы встречаются уже достаточно редко.

Контактные преднагреватели часто бывают мало востребованы у любителей из-за больших размеров. При этом стоит также учесть, что массивный нагреватель сохраняет свое тепло даже в выключенном состоянии. Это нужно учитывать, потому как задержка охлаждения также может повлиять на качество паяного соединения.

Как мы уже говорили, традиционные методы пайки имеют свои существенные недостатки. Отсутствие предварительного нагрева, при выполнении пайки или выпаивания вручную может привести к катастрофическим последствиям как для самой платы, как и для элементов, установленных на нее. К счастью, современные и инновационные решения для предварительного нагрева становятся все более доступными.

Miniware MHP30

Одним из таких продуктов, появившихся недавно на рынке, является подогреватель печатных плат Miniware MHP30, который доступен в двух вариантах: в классическом исполнении и с функцией PD (Power Delivery).

Этот мини-подогреватель имеет карманные размеры и предназначен для точечной пайки, а также демонтажа элементов. MHP30 состоит из небольшой латунной пластины размером 30 x 30 мм с нано-керамическим покрытием. Однако даже несмотря на небольшой размер, устройство способно нагреваться до 300 °C всего за 150 секунд.

В отличие от больших полноразмерных контактных нагревателей, меньший размер устройства позволяет проводить локальные работы даже на двухсторонних печатных платах.

Помимо низкого потребления энергии, стоимость такого устройства в несколько раз ниже, чем у аналогичных устройств. Также MHP30 обладает множеством современных функций, включая: цифровой контроль температуры, OLED-дисплей, светодиодные индикаторы температурного режима, автоматический спящий режим, защиту от опрокидывания и быстросъемные сменные пластины, не говоря уже о стильном алюминиевом корпусе.

Станция предварительного нагрева BYA BY4030

BYA – известный производитель паяльного оборудования. Преднагреватели этой фирмы выпускаются в различных габаритных размерах, от 100 до 1200 кв.см. Наиболее известный представитель этой компании, а также «мастодонт» среди подогревателей плат – BYA BY4030.

Модель снабжена высокоточным контроллером температуры, обладает серьезными габаритами нагреваемой поверхности в 400 х 300 мм, а под идеально ровной поверхностью размещен мощный в 2000-ватный керамический нагреватель.

Устройство способно нагреваться до 400 °C, что будет полезно при работе с рядом тугоплавких припоев. Его основная область применения – ремонт материнских плат и коллективная распайка небольших сборок.

Паяльная станция GORDAK 863 3в1

Наличие на плате двухстороннего монтажа или выступающих контактов у плат с выводным типом монтажа, мешает плотному прилеганию к поверхности подогревателей с контактным типом передачи тепла. В такой ситуации инфракрасные подогреватели становятся идеальным инструментом.

Часто для эффективной работы, мастеру требуется не только предподогреватель, но и другие инструменты: паяльник или же термофен. Сейчас производители предлагают профессиональные паяльные комплексы такие, например, как GORDAK 863.

GORDAK 863 - это универсальный прибор совмещает все необходимые мастеру инструменты, используемые им при пайке или замене электронных компонентов.

Мощный 600 ватный ИК-нагреватель способен нагреваться до серьёзных 500 °C. Для защиты от случайного соприкосновения он укрыт специальной защитной сеткой.

450-ватный термовоздушный фен поможет в дополнительном прогреве самой микросхемы в процессе пайки. Профессиональный 50-ватный паяльник с плавной регулировкой температуры пригодится при выводном типе размещения элементов.

Еще одним преимуществом станции является наличие системы активного охлаждения платы.

Каждый инструмент мастера в паяльной станции GORDAK 863, снабжен индивидуальной индикацией температуры, регулировка которого реализована на высокоточном микроконтроллере.