Применение монтажных индукционных паяльников в ремонте электронных компонентов копиров.

Применение монтажных индукционных паяльников в ремонте электронных компонентов копиров. 

 С повышением функциональной сложности электронных компонентов копиров растут и проблемы их монтажа на поверхность плат. Индукционные источники нагрева отличаются экономичностью и удобством работы, поэтому они хорошо подходят для выполнения работ по монтажу современных электронных компонентов.

При индивидуальной пайке сейчас основной технологи­ческой оснасткой является паяльная станция, в состав которой входит паяльник и блок питания с расши­ренными возможностями: контролем температуры или рабочего напряжения, защитой от перегрузок и статического электричества. Иногда в состав оборудования входят дополнитель­ные принадлежности: подставка для паяльника, термофен, отсос для удаления припоя из места пайки и др. Главной про­блемой технологии межсоединений поверхностного монтажа стала пайка многовыводных корпусов. Обычно в процессах пайки на больших площадях используют конвективные и инфракрасные источники нагрева. Хотя эти методы нагрева имеют высокую производительность в массовом производ­стве, однако порой они могут вызвать повреждение компонентов или печатных плат из-за чрезмерно высокой температуры или длительного времени нагрева, а это может сказаться до некоторой степени на надежности электронных изделий. «Классические» паяльные станции работают с ис­пользованием контактного нагрева жала. Переменный низкочастотный ток проходит в них через нагрева­тельный элемент, имеющий высокое активное сопро­тивление, к которому вплотную примыкает жало па­яльника. Этот метод нагрева имеет свои недостатки, такие как вероятность наличия зазора в зоне контакта, боль­шая потребляемая мощность прибора и локальный перегрев контактной зоны жала. Последнее сущест­венно снижает время службы наконечника паяльника. Практически все эти недостатки устраняются с появ­лением индукционных паяльных станций, в которых реализован метод высокочастотного нагрева рабочего жала паяльника. Потребность в высокочастот­ной индукционной технологии пайки возникла из-за того, что многие технологические операции монтажа в области радиоэлектроники невозможно выполнить другим способом, кроме как нарушить конструкцию изделия. Применение в технологии пайки индукторов с малыми габари­тами и возможностью придания любой геометрии, позволяет проводить нагрев соединений практичес­ки любых форм. Применение метода высокочастотного нагрева для пайки в производстве электронных модулей имеет хорошие перспективы и в системах гибкой автоматиза­ции процесса, с применением программно-управляемо­го оборудования и управляющих компьютеров.

В основе индукционного метода лежит нагрев наконечника индукционного паяльника, имеющего ферромагнитное покрытие, переменным магнитным полем. Ферромагнитное покрытие наносят на осно­вание, имеющее большую теплопроводность, напри­мер на  медь. Ферромагнетиками являются железо, ко­бальт, никель и редкоземельные металлы: гадолиний, тербий, диспрозий и т. д., а также сплавы Fe₃Al, NiB, Ni₃Mn, FePd₃ и другие. Когда ферромагнитный материал помещается в переменное магнитное поле, создаваемое индук­ционной обмоткой (рис. 1), это вызывает перемагничивание материала и его нагрев вихревыми токами в скин-слое.

Рис. 1. Жало паяльника с индукционной обмоткой

 Часть энергии, расходуемой на перемагничивание материала, и энергия, выделяемая вихревыми токами, преобразуются в теплоту. При достижении температуры Кюри разогрев жала высокочастотными токами резко падает вследствие теплового раз­рушения доменной структуры материала (поэтому точка Кюри является максимально возможной темпе­ратурой жала индукционного паяльника). Для чистого ферромагнетика значение температуры Кюри чаще всего находится за пределами рабочих температур пайки, что не дает использовать этот эффект. Если же в сплав добавить некоторые редкоземельные элемен­ты, то можно существенно понизить температуру Кюри (например, для гадолиния она равна 16 ^оС). Задавая величину легирующих элементов в сплаве жала, можно установить практически любую требуемую температуру Кюри. В таких сплавах с увеличением температуры магнитная восприимчивость материала умень­шается, и в точке Кюри ферромагнетик теряет свои магнитные свойства, нагрев прекращает­ся, и температура стабилизируется. Термосенсоры и схемы обратной связи здесь не нужны, и выбор температуры для пайки сводится просто к выбору жала с требуемой температурой Кюри в зависимости от условий пайки.

В момент касания теплоотводящего элемен­та температура наконечника падает, магнит­ные свойства материала мгновенно восстанав­ливаются, и наконечник вновь начинает взаи­модействовать с магнитным полем, стремясь удержать температуру в заданной точке Кюри. Чем более теплоемкий контакт приходится паять, тем больше отклонится температура, и тем больше энергии будет поглощено из по­ля. Таким образом, система регулирует требу­емую мощность для нагрева каждого контакта в зависимости от его теплоемкости.

Основные достоинства индукционных па­яльников:

 - возможность настройки заданной темпера­туры наконечника (за счет подбора матери­ала с нужной температурой Кюри);

 - небольшое потребление мощности (проис­ходит нагрев не всего объема наконечника, а только поверхностного скин-слоя);

 - равномерный нагрев наконечника, отсут­ствие температурной инерции (из-за от­сутствия нагревательного электрода повер­хностный слой наконечника сам является нагревателем);

 - простота замены наконечника при нарушении его целостности (за счет отсутствия высоких требований к контакту с индуктив­ной обмоткой).

      Примерами серийно выпускаемых индукци­онных паяльных станций являются паяльные станции аме­риканского производителя OK International (OKI) и китайского - Quick. Такие паяльные станции преобразуют напряжение питания сети в прямоугольное напряжение амп­литудой 36 В с частотой 400 кГц. Это напряжение

Рис. 2. Общий вид оборудования индукционной паяльной станции (PS-800)

Рис. 3. Блок-схема индукционной паяльной станции

 подводится к возбуждающей обмотке, облада­ющей минимальным активным сопротивле­нием не более 1,30м и большим реактивным сопротивлением не менее 50 мГн (причем ин­дуктивность обмотки без жала в 100 раз меньше). Мощность, передаваемая от паяльной станции, передается самому жалу (до 85% мощности), включенно­му как трансформатор с закороченной вторич­ной обмоткой (остальные 15-20% мощности разогревают обмотку возбуждения, которая на­ходится снаружи жала, кондуктивно нагревая при этом жало).

Паяльные станции Quick-203 мощностью 60 и 90 Вт разогревают жало до температуры 300 °С за 25-35 с и имеют диапазон рабочих темпера­тур от 200 до 420 °С. Станции Quick-301(303) применяются для пайки припоями, не содер­жащими свинец. В этих станциях мощностью 80 Вт термопара размещена на наконечнике паяльника и имеется микропроцессорный ре­гулятор температуры. Паяльная станция PS-800 (рис. 2) американ­ской компании OK International (OKI) при мощности 50 Вт имеет такую же теплоотдачу, как 90-Вт паяльник с керамическим нагревателем.

Конструкция индукционной паяльной станции может быть различна в зависимости от принципа формирования и подвода высокочастотного напряжения к паяльнику. Однако она должна давать пользователю возможность измерять наиболее важные параметры процесса. Пример структурной блок-схемы индукционной паяльной станции приведен на рис. 3.

Индуктор представляет собой обмотку, вы­полненную из низкоомного материала (для обеспечения малого активного сопротивления) и имеющую изоляцию с высокой температурой плавления (см. рис. 4).

Рис. 4. Индукционный паяльник

(1- ручка; 2- ферромагнитное покрытие; 3- индуктор; 4- экран; 5- наконечник паяльника; 6- провод)

 В состав конструк­ции индукционного паяльника должен входить защитный экранирующий элемент для обеспе­чения безопасной работы с высокочастотным полем.

Для концентрации электромагнитного поля в поверхностном слое наконечника можно использовать ферритовые кольца (см. рис. 5). Недостатком их применения является уве­личение диаметрального размера паяльника, что представляет неудобство при работе в труд­нодоступных местах.

 Большую роль в обеспечении оптимального энергетического режима работы индукционно­го паяльника играет величина тока индуктора, который включает постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая в об­щем случае полезна, так как возбуждает пере­менное электромагнитное поле, нагревающее наконечник.

Рис. 5

         Постоянная же составляющая проявляется в потере тепловой мощности на MOSFET-транзисторах. Таким образом, большое значение постоянной составляющей выводит работу устройства в неблагоприятный энергетичес­кий режим. Основным показателем, классифицирующим паяльные станции и информативным для не­профессионального пользователя, можно счи­тать мощность нагрева.  В свою очередь, электромагнитное поле, на­гревающее наконечник, формирует индуктор, а мощность квадратично зависит от числа витков и тока индуктора, а также обратно пропорциональна глубине проникновения электромагнитного поля в наконечник. Скорость нагрева зависит от магнитных свойств покрытия жала паяль­ника, например, с увеличением процентного содержания бора в покрытии толщиной 20 мкм скорость нагрева снижается и одновременно снижается значение температуры Кюри.

            Использование индукционного метода на­грева в паяльных станциях позволяет регули­ровать температуру наконечника без приме­нения управляющих систем, что уменьшает конструктивную сложность и повышает надежность работы паяльника. Регулировка тем­пературы такой станции сводится к правильно­му выбору материала покрытия наконечника и энергетического режима работы. Паяльники с индукционным методом нагрева потребля­ют меньшую мощность, нагреваются быстрее и служат дольше, чем классические.