Введение.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМОНТАЖА

Учебное пособие по выполнению работ

в учебных электромонтажных мастерских

Введение.

Современный научно-технический прогресс невозможен баз радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), которую широко используют как при планировании и управлении производством, так и в автоматизации производственных процессов, в научных исследованиях.

В развитии радиоэлектронной аппаратуры можно выделить несколько этапов, на которых количественные изменения в технологии изготовления отдельных элементов РЭА вызвали качественные изменения в технологии сборки и монтажа радиоэлектронных приборов в целом.

На первом этапе основными элементами РЭА были резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности электровакуумные и позже полупроводниковые приборы. Все эти элементы изготовляли в виде конструктивно законченных деталей, укрепляемых на шасси с помощью опорных приспособлений, а их выводы соединяли проводниками с помощью пайки. В дальнейшем этот вид монтажа получил название навесного монтажа.

На втором этапе, когда появился метод печатного монтажа, удалось уменьшить габариты РЭА повысить ее надежность.

Развитие метода печатного монтажа привело к появлению интегральных микросхем. В печатных платах сначала заменили резисторы токоведущими дорожками из материала с большим удельным электрическим сопротивлением, затем конденсаторы – разрывами в токоведущих дорожках, заполненными соответствующим диэлектриком. Такие платы с подпаянными к ним бескорпусными полупроводниковыми приборами получили название гибридных интегральных микросхем.

Появление на третьем этапа развития РЭА интегральных микросхем открыло перед радиоэлектроникой практически неограниченные возможности.

Развитие технологии изготовления интегральных схем шло по пути возрастания их сложности, увеличения числа элементов, степени интеграции. В результате этого появились сначала большие (БИС), а затем и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы.

Каждый новый этап развития технологии изготовления РЭА не отрицал и не исключал ранее разработанную технологию и ранее применявшиеся элементы РЭА, а дополнял и обогащал ее, обеспечивая качественно новый уровень разработки, изготовления и эксплуатации аппаратуры. Поэтому наряду с интегральными микросхемами в новых разработках широко используются в качестве элементов РЭА и дискретные транзисторы, и электронные лампы. При решении каждой конкретной задачи при выборе элементной базы и соответствующей ей технологии изготовления радиоэлектронного устройства необходимо учитывать достоинства и недостатки каждого поколения РЭА.

В основе критериев для выбора той или мной технологии лежат такие характеристики радиоэлектронных устройств как величина выходной мощности, диапазон используемых частот, требуемое быстродействие, требования к надежности, условия эксплуатации и др.

Широкое распространение радиоэлектронных устройств во всех отраслях народного хозяйства вызывает необходимость получения специалистами всех специальностей основ теоретических и практических знаний по существующей технологии разработки, изготовления и эксплуатации РЭА.

Цель настоящего учебного пособия - приобретение студентами практических навыков в изготовлении несложных радиоэлектронных устройств.

ОСНОВЫ ПАЙКИ

Цель работы - ознакомление с технологическим процессом и приобретение практических навыков лужения и пайки.

Материалы и инструменты: 1) электропаяльник; 2) кусачки; 3) пинцет; 3) припой марки ПОС61; 7) канифоль сосновая кусковая; 6) шлифовальная шкурка; 9) монтажный провод.

Монтаж - установка изделия или его составных частей на месте использования.

Электромонтаж – выполнение электрического соединения ЭРЭ или его составных частей, имеющих токоведущие элементы.

В процессе электромонтажа при соединении электрических цепей или включении в них электрорадиоэлементов (транзисторов, ламп, резисторов, конденсаторов, реле, выключателей, тумблеров, предохранителей и др.), для получения контактного соединения чаще всего применяют пайку.

Пайка - образование соединения с помощью расплава припоя, при котором создаются межатомные связи после нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

Припой - материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов.

В табл. 1 приведены наиболее часто применяемые при электромонтаже припои. Пайка возможна только в том случае, если припой смачивает соединяемые детали. Смачивание представляет собой молекулярное взаимодействие жидкости с поверхностью твердоготела. Оно происходит, если силы притяжения между атомами припоя и металла больше, чем между атомами внутри самого припоя. Если капля припоя не смачивает поверхность, то она имеет приблизительно сферическую форму (рис. 1а). Сила сцепления припоя с поверхностью детали в этом случае очень мала, и капля припоя легко стряхивается, не оставляя следов на поверхности. Капля смачивающего припоя в том же объеме имеет большую поверхность соприкосновения с поверхностью детали (рис.1б, в, г); сила ее сцепления значительная, и припой нельзя полностью удалить стряхиванием.

Таблица 1

Наименование и марка припоя	Температура плавления, °С	Область применения
Оловянно-свинцовый ПОС18		Пайка деталей неответственного назначения из стали, меди, латуни
Оловянно-свинцовый ПОС40		Лужение и пайка монтажных деталей, проводов
Оловянно-свинцовый ПОС61		Ответственная электромонтажная пайка. Для вторичных паек, расположенных рядом с пайками, выполненными более тугоплавкими припоями
Оловянно-свинцово-кадмиевый ПОСК50		Пайка и лужение ответственных соединений, не допускающих местного перегрева (детали из керамики, стекла и т. д., покрытые серебром)
Сплав Розе (олово, свинец, висмут) Сплав Вуда (олово, свинец, висмут, кадмий)	60,5	Применяется в тех случаях, когда требуется понижение температуры пайки из-за опасности перегрева деталей, а также для вторичных паек

Важными свойствами припоя являются также растекаемость и способность затекать в узкие зазоры под действием капиллярных сил.

Затекание припоя в зазор - заполнение расплавленным припоем паяемого зазора.

При наличии загрязнений соединяемых поверхностей растекаемость припоя ухудшается и возможно образование несмачиваемых зон, чтоснижает качество пайки.

Рис. 1. Смачиваемость поверхности металла: а) отсутствие смачиваемости; б) полное смачивание; в) частичное смачивание; г) хорошее смачивание

Подготовка поверхностей деталей, подлежащих пайке, заключается в удалении загрязнений, ржавчины, окисных и жировых пленок. На смачиваемость и растекаемость припоя существенное влияние оказывает форма шероховатостей поверхности. Если неровности образуют сеть пересекающихся канавок, то смачиваемость и растекаемость припоя будет усиливаться капиллярным действием канавок.

Таким образом, способ зачистки может оказать решающее влияние на качество пайки. Зачистку с образованием пересекающихся канавок получают наждачной шкуркой ( это дает лучший результат, чем травление).

Как правило, соединяемые детали перед пайкой подвергаются лужению. Лужение заключается в покрытии поверхностей соединяемых деталей тонкой пленкой припоя. Горячее лужение выполняют паяльником или путем погружения в ванну с расплавленным припоем.

При лужении припой покрывает основной металл, поэтому при пайке луженых поверхностей соединение происходит при более низкой температуре.

Для устранения пленки окислов с поверхностей металлов и припоя при пайке, защиты поверхности металлов и припоя от окисления в процессе пайки и уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой служат специальные материалы - флюсы. Правильный выбор флюса обеспечивает качественное соединение и существенно влияет на скорость пайки. Выбранный флюс должен быть химически активен и растворять окислы паяемых элементов, термически стабилен и выдерживать температуру пайки без испарения и разложения, проявляя химическую активность в заданном интервале температур.

Все флюсы можно разделить на четыре группы:

1) активные или кислотные, применение которых приэлектрическом монтаже радиоэлектронной аппаратуры запрещено;

2) антикоррозионные;

3) бескислотные - наоснове канифоли. Эта группа флюсов нашла наиболее широкое применение при электрическом монтаже. Остатки бескислотных флюсов легко удаляются спиртом. Такой флюс обладает низкойхимической активностью, поэтому требует особо хорошей очистки соединяемых поверхностейот окисных пленок перед пайкой;

4) активированные - на основе канифоли, имеющие в своем составе различные катализаторы (вещества, повышающие активность флюса).

Подготовленные поверхности покрывают флюсом непосредственно перед горячим лужением или пайкой.

Механизм действия флюса (рис. 2) заключается в том, что окисные пленки металла и припоя под действием флюса растворяются, разрыхляются и всплываютна его поверхности. Вокруг очищенного металла образуется защитныйслой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует сосновным металлом. Слой припояпостепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.

Рис. 2. Схема зоны лужения с помощью паяльника; 1 - наконечник паяльника; 2 - припой; 3 - сплав припоя с основным металлом; 4 - зона взаимодействия припоя с основным металлом; 5 - флюс; 6 - растворенныйокисел;7 - окисел на поверхности основного металла; 8 - основной металл; 9 - газообразный флюс

Марки флюсов и области их применения приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Тип флюса	Марка	Состав	Область применения
Кислотные	Хлористый цинк	Водный раствор хлористого цинка	Детали из черных и цветных металлов, допускающие промывку
Антикоррозионные	ФИМ ВТС	Ортофосфорная кислота, спирт, вода Вазелин, триэтаноламин, салициловая кислота, спирт	Детали из черных металлов, меди и ее сплавов, допускающие промывку в горячей воде Монтажные соединения, детали из меди и ее сплавов, серебра, платины
Бескислотные КЭ	Канифоль	Канифоль натуральная	Для пайки монтажных соединений, деталей из цветных металлов и их сплавов
Активированные	КЕЦ Паста № 4	Канифоль, хлористый цинк, спирт Канифоль, хлористый цинк, вазелин	Для пайки черных, цветных и драгоценных металлов Для соединений повышенной прочности. Детали из черных и цветных металлов, допускающие тщательную промывку

Для улучшения качества пайки и повышения производительности труда при монтаже электрических цепей рекомендуется применять трубчатый припой с канифольным наполнителем. Формы сечения трубчатых припоев показаны на рис.3. Припой представляет собой трубкуиз оловянно-свинцового сплава, внутри которой помещен канифольный флюс. Измененная форма сердцевины уменьшает вероятность образования пустот в трубчатом припое и перерывов в подаче флюса в процессе пайки.

Рис.3. Трубчатый припой с флюсом

Для пайки в единичном и мелкосерийном производстве применяют паяльники. Два типа электрических паяльников представленына рис.4.

Дляпайки монтажных соединений используют электрические паяльники с нагревательным элементом в виде спирали или петли из нихромовой проволоки. Требуемую мощность паяльника выбирают в зависимости от массы и марки соединяемых деталей.

При монтаже радиоэлектронной аппаратуры припоем ПОС40 применяют паяльники мощностью 50, 75, 120 Вт с питанием от сети переменного тока напряжениемне более 36 В. Паяльники на 75 и 120 Вт используют для пайки соединений со значительной массой металла (провода большого сечения, кабельныенаконечники, корпусные лепестки и др.). Для пайки припоем ПОС61 применяется паяльник мощностью 35 Вт.

По конструкции электрические паяльники бывают трех типов: молотковые, торцевые и Г-образные. Всеони имеют существенные недостатки: большую потерю времени на разогрев жала,окисление жала, так как оно постоянно нагрето, непроизводительный расход электроэнергии.

а)

б)

Рис. 4. Типы электрических паяльников: а) паяльник с внешним обогревом; б) импульсный паяльник; 1 - медный стержень; 2 - нагреватель из нихромовой проволоки; 3 - кожух; 4 - выводы; 5 - корпус; 6 - слюдяная или асбестовая изоляция; 7 - наконечник

От этих недостатков свободен импульсный паяльник, жало которого представляет собой V-образный медный теплопровод, нагреваемый петлёй из нихромовой проволоки в течение 0,5..2 секунд, соединённый со вторичной обмоткой понижающего трансформатора. Конструктивно паяльник оформлен в виде пистолета, в кожухе которого находится трансформатор. При нажатии на курок включается в сеть первичная обмотка трансформатора, а во вторичной обмотке индуктируется ток низкого напряжения в несколько сот ампер и паяльник нагревается до необходимой температуры.

При проведении процесса пайки важно выдерживать необходимую температуру. Пониженная приводит к недостаточной жидкотекучести припоя и плохому смачиванию соединяемых поверхностей. Значительное увеличение температуры вызывает обугливание флюса до активации им поверхностей спая. Оптимальная температура пайки T_п зависит от Т_пл (плавления припоя):

Т_п = Т_пл + (40…80) °С.

В зависимости от теплоемкости соединения выбирают мощность паяльника. При правильно подобранной мощности падение температуры его рабочего стержня Т_с не должно быть более 20...40 °С, т.е.

Т_с = Т_п + (20…40) °С.

Для проведения высококачественной пайки температуру рабочего стержня паяльника необходимо контролироватьи, при необходимости регулировать. Для этого в промышленности применяют паяльники с автоматическим регулятором температуры или с автоматической подачей припоя.

При правильно выбранной температуре паяльника припой должен быстро плавиться, но не стекать с рабочей части паяльника (жала), а канифоль должна не сгорать мгновенно, а оставаться на жале в виде кипящих капелек.

Качество монтажных соединений во многом зависит от правильности заточки жала паяльника. Наиболее удобной формой жала считается четырехгранная. Поверхность должна быть ровной, без раковин, очищенной от нагара и хорошо облуженной.

Пайка монтажных соединений должна обеспечивать надежность электрического контакта и необходимую механическую прочность. Поверхность деталей, подлежащих пайке, перед монтажом надо подвергнуть горячему лужению предпочтительно припоем, применяемым при пайке. Припой и флюс для пайки должны выбираться в зависимости от подвергаемых пайке материалов, допускаемого нагрева элементов монтажа и рабочих температур. В качестве основных следует применять припои марок ПОС61 и ПОС61М. В качестве основного флюса - 30-процентный раствор канифоли марок А и В в спирте, или кусковую сосновую канифоль марки А и Б. Количество флюса, наносимого на место пайки - минимальное. Обильное смачивание флюсом недопустимо. Время пайки и лужения выводов электрорадиоэлементов не должно превышать величину, указанную в руководящих технических условиях на элементы конкретных типов. При отсутствии таких ограничений длительность процесса пайки или лужения не более 5 с. Поверхность паяных соединений следует очищать тканью из безворсового материала (например, хлопчатобумажной бязью) или кисточкой, смоченной спиртом или спирто-бензиновой смесью. Очищать паяные соединения надо после каждой пайки. В случае применения спирто-бензиновой смеси должны быть приняты меры, исключающие возможность воспламенения паров бензина.

1. Изучить теоретическую часть лабораторной работы.

2. Отрезать монтажный провод необходимой длины.

3.Зачистить провод от изоляции и возможных окислов шлифовальной шкуркой.

4. Облудить провод.

5. Нарезать проводники в размер в соответствии с эскизом.

6. Произвести раскладку провода в соответствии с эскизом на рис 5.

7. Произвести пайку в местах пересечения проводов.

8. Оформить отчет о проделанной работе.

9. Защитить лабораторную работу и ответить на контрольные вопросы

Рис. 5 Эскиз паяного изделия

Требования к оформлению отчета.

Отчет оформляется каждым студентом в отдельной тетради для работ в учебных электромонтажных мастерских.

В отчете необходимо отразить: 1) название работы; 2) используемые материалы и инструмент; 3) эскиз паяного изделия 4) эскиз паяного шва монтажного провода.

Контрольные вопросы

1. Что входит в понятие ''электрический монтаж"?

2. Какие физические явления лежат в основе процесса пайки?

3. Как качество и состояние соединяемых поверхностей деталей влияет на качество паяного соединения?

4. Каково назначение флюса? Какие требования предъявляются к флюсу для получении качественного соединения?

5. В чем заключается технологический процесс лужения? Каково его назначение?

6. Какие типы электрических паяльников вы знаете?

7. Для чего необходимо контролировать температуру пайки? Каким образом может осуществляться этот контроль?

8. Какую величину составляет допустимое время пайки и лужения выводов электрорадиоэлементов?

9. Каким образом можно определить качествo смачивания поверхности припоем?

10. Что обеспечивает лучшую подготовку поверхности к пайке: механическая очистка поверхности или химическое травление?

11. В чем преимущество импульсного паяльника?

12. Какие флюсы применяются при электрическом монтаже?

13. Что такое припой?

14. Какие характеристики припоя имеют наибольшее значение при пайке?

15. Что такое "трубчатый припой"? В чем его достоинства?

16. Припой какой марки наиболее часто применяется при электромонтажной пайке?

17. Как определяется необходимая температура нагрева паяльника?

18. Как определяется требуемая мощность паяльника?