Pájení SMD horkým vzduchem, krátký FILM

www.elweb.cz
Pájení SMD je při správnem postupu rychlejší a jednodušší než pájení klasických součástek. několikrát.
www.elweb.cz
K osazování SMD (Sourface Mount Devices, součástek povrchové montáže) lze využít více různých postupů. Samozřejmě se bez problémů dají připájet i běžnou mikropáječkou. Při sériové výrobě se používá především pájení vlnou a dnes již častěji pájení tzv. přetavením.
www.elweb.cz
Obě tyto metody popíši jen velmi stručně:
www.elweb.cz
Průmyslové pájení vlnou
www.elweb.cz
Jedná se o postup, při kterém jsou klasické součástky zastrkány (nejlépe automatickou osazovací linkou) do vyvrtaných děr v desce plošných spojů a SMD přilepeny lepidlem (z druhé strany). DPS pak projíždí nad vlnou roztavené pájky. Pájení vlnou má více omezení a je určeno spíše pro osazování klasických součástek. Omezení se týkají především rozmístění součástek na DPS:
www.elweb.cz
- Všechny součástky by měly být shodně orientovány (natočeny), integrované obvody musí být umístěny kolmo na směr pohybu DPS vlnou. Integrované obvody s vývody ze všech čtyř stran zapájet prakticky nelze. - Za rozměrově vysokými součástkami vzniká "stín", takže za nimi nesmí být ve směru pohybu desky žádná další pájecí ploška, ta by se totiž správně nezapájela.
www.elweb.cz
- Za řadou drobných pájecích plošek (vývody IO např. v pouzdru SOIC) by měla být jedna velká pájecí ploška pro zadržení přebytečné pájky, která se při průjezdu desky "valí" po jednotlivých ploškách. Takováto ploška pak zabrání vzniku můstků (zkratů) na krajních pinech.
www.elweb.cz
Průmyslové pájení přetavením
www.elweb.cz
Používá se pro pájení SMD.
www.elweb.cz
- Na pájecí plošky na desce plošných spojů je nejprve nanesena tzv. pájecí pasta. Jedná se o mikroskopické kuličky klasické PbSn nebo bezolovnaté pájky zamíchané se směsí tavidel. Pro sériovou výrobu je i zde potřeba export gerber dat z návrhového systému, ve kterých je uloženo, kam se má pájecí pasta na DPS nanášet. Pájecí pasta je nanášena automatem buď postupně plošku po plošce a nebo protlačením pasty zkrz "plech" s dírami v místech pájecích plošek (obdoba sítotisku). Výroba zmíněného "plechu" stojí ale řádově tisíce Kč, takže se vyplatí jen při větších než malých sériích.
www.elweb.cz
- Automatickou osazovací linkou jsou pak součástky (SMD) umístěny na svá místa na DPS. Osazovací automat bere součástky vakuovou pinzetou, takže lze osazovat jen součástky, které takto lze uchopit (musejí mít definované těžiště a v jeho místě dostatečně velikou vodorovnou plochu).
www.elweb.cz
- DPS se s takto osazenými součástkami vloží do přetavovací pece. V ní se ohřeje podle přesně definovaného teplotního profilu. Deska je nejprve několik minut předehřívána konstantní teplotou a pak je na chvíli teplota zvýšena nad teplotu euktického bodu (bodu tání pájky) a následně pozvolna chladne. K tomuto účelu se používají například infračervené pece s počítačovou regulací teploty a nebo i pece průběžné, ve kterých deska projíždí jednotlivými zónami předehřátými na různou teplotu.
www.elweb.cz
Pájení přetavením, které na první pohled působí, že je určeno jen pro průmyslové osazování s použitím drahé techniky, lze relativně snadno a levně realizovat i v domácí, amatérské dílně.
www.elweb.cz
Pájení přetavením ve vaší dílně.
www.elweb.cz
...ano, je to možné :)
www.elweb.cz
1) nanesení pájecí pasty
www.elweb.cz
Pájecí pastu lze zakoupit již připravenou v injekční stříkačce a ručně ji vytlačit na pájecí plošky. Pasta je ale poměrně hutná a protlačit ji zkrz tenký hrot vyžaduje poměrně značnou sílu. A když silou mačkáte pastu z injekční stříkačky, těžko se přesně trefujete na pájecí plošky.
www.elweb.cz
- Dávkovač pájecí pasty
www.elweb.cz
Daleko lepší řešení poskytuje automatický dávkovač, který ale zase není zrovna nejlevnější. V České republice ho seženete i za naprosto absurdní částky (>20 000,-Kč). Stačí se ale podívat na americkou e-bay.com a ceny jsou daleko přívětivější. Kde za ten samý originální čínský výrobek (například "SK-700 dispenser") dáte něco málo přes 100 dolarů + dalších cca 40 za poštovné. Dávkovač pájecí pasty funguje jako regulátor tlaku a automatický ventil. Hadičkou se k němu připojí zmíněná "speciální injekční stříkačka" naplněná pájecí pastou a zdroj stlačeného vzduchu. Dávkování pájecí pasty se obvykle ovládá nohou, respektive pedálem. Nastavit jdou dva režimy, v tom prvním je pasta vytlačována přesně po dobu držení pedálu a v tom druhém je po stisku pedálu spuštěn nastavitelný časovač, díky němuž se (za ideálních podmínek) vytlačí vždy stejné množství pasty. Dejte si však pozor na to, že některé pájecí pasty je potřeba skladovat v chladu a také na to, že pasta může během několika dnů až týdnů na vzduchu zaschnout. Takže je potřeba hrot "injekční stříkačky" po dokončení práce nějak utěsnit. V praxi ho stačí přelepit kouskem izolepy.
www.elweb.cz
- Zdroj stlačeného vzduchu
www.elweb.cz
Jak jsem již napsal, k dávkovači pájecí pasty potřebujete zdroj stlačeného vzduchu o tlaku obvykle 2,5 až 7 barů. Veliké elektrické nebo benzinové kompresory stojí tisíce nebo spíše i desítky tisíc korun a pro použití doma se příliš nehodí nejen kvůli svým rozměrům. Proto jsem zvolil alternativní řešení. Stačí zajít do zahradnictví nebo Hrornbachu/Obi/Baumaxu... a zakoupit tlakovou nádobu pro postřik rostlin. Tyto nádoby mají integrovanou pumpičku, přetlakovou pojistku a obvykle pracují s tlakem do 3 barů. Pojistka začne ufukovat ale až někde okolo 3,5 až 4 bar. Tento tlak je pro naše účely dostatečný a nádoba stojí jen několik set korun. Pokud vás nebaví pumpovat vzduch ručně, stačí si za dalších cca 300,-Kč koupit miniaturní kompresor určený pro huštění automobilových pneumatik. Obvykle takovéto kompresory mají relativně veliký proudový odběr, cca 10A při 12V. Pokud nemáte dostatečně výkonný zdroj, lze použít (třeba i malou gelovou) olověnou 12V baterii.
www.elweb.cz
2) osazení součástek
www.elweb.cz
- Vakuová pinzeta
www.elweb.cz
Pastu už máme nanesenou, teď je potřeba umístit součástky na svá místa. Ano, jde to i klasickou pinzetou. Pokud se vám však trochu klepou ruce, bude to problém a pokud se vám klepou ruce trochu víc, bude to nemožné, zvláště pokud je řeč o integrovaných obvodech s roztečí vývodů 0,65 nebo 0,5 mm (TSSOP, MSSOP, LQSP...). Daleko lepší nástroj pro uchopení součástek pro povrchovou montáž je tzv. vakuová pinzeta, kterou používají i profesionální automatické osazovací linky. Opět v ČR nalezneme zcela nesmyslné ceny (>10 000,-Kč) a pak jakási vakuová pera na tlačítko za pár stovek, která jsou však vhodná jen pro uchycení větších IO. A tak mě napadlo vakuovou pinzetu vyrobit. V akvaristice prodávají levná vzduchová čerpadla pro provzdušnění akvarií s rybičkami. Tato čerpadla však vzduch nesají, ale vyfukují. Když ale vzduch nějakou hadičkou vyfukují, musejí ho také někde nasávat. Problém je, že jsou snad ve všech připadech konstruována tak, že vzduch nasávají všude kde se dá, tedy i škvírami mezi jednotlivými díly plastu atd. Řešení je opět jednoduché. Takovéto čerpadlo umístíme do plastové krabičky (např. na potraviny), jeho výstup vyvedeme hadičkou ven z krabičky a kamkoli na stěnu krabičky připevníme "vstup" pro sání vzduchu. Krabičku je potřeba velmi důkladně utěsnit ! K tomu je ideální lepidlo z tavící pistole. Na vstup této krabičky už stačí jen připojit hadičku s běžnou injekční stříkačkou (a sbroušeným hrotem) a nebo použít příslušenství výše popsaného dávkovače pájecí pasty, které lze zakoupit i samostatně (a bohužel v ČR opět předraženě) například v tme.cz nebo o něco levněji na ebay.com.
www.elweb.cz
- Osazovací linka
www.elweb.cz
Součástku už uchopíme lépe, ale stále jsme nevyřešili problém s klepajícíma se rukama... To řeší manuální osazovací linka. Vyrobil jsem ji velmi jednoduše a levně. Použil jsem jako základ dřevěnou desku o rozměrech cca 20x40cm, čtyři "L" plechy, šuplíkové kolejnice, lineární ložiska a hliníkové profily. Kvalitní ložiskové šuplíkové kolejnice (koupíte je v Hornbachu/Obi/Baumaxu nebo lepším železářství) zajistí velmi plynulý pohyb, kolmé uchycení vakuové pinzety vzhledem k podložce a zcela eliminují třes rukou.
www.elweb.cz
- Výroba osazovací linky
www.elweb.cz
Vše je patrné z fotografií a videa, takže jen stručně: Nejprve jsem přišrouboval pomocí vrutů "L" plechy k dřevěné desce. Kolejnice prokluzovaly trochu ztuha, takže je bylo potřeba trochu vyhnout (rozevřít) kombinačkami, aby jezdily pěkně zlehka. Pak jsem do kolejnic vyvrtal díry 2,4mm a pomocí M3 závitnice v nich vytvořil M3 závity, které posloužily pro jejich upevnění k "L" plechům. Na těchto dvou kolejnicích jsoe stejným způsobem uchyceny další (tentokrát již pohyblivé) "L" plechy a na nich jsou druhé kolejnice. Druhé kolejnice zajišťují pohyb v kolmém směru zprava do leva a jsou spojeny hliníkovým "L" profilem. K tomuto profilu jsou přichycena dvě lineární ložiska KH2030 (která lze zakoupit například na vkloziska.cz) v nichž je zasunuta hliníková trubka o průměru 20mm. Aby volně (svou vahou) prokluzovala, bylo potřeba z ložisek odstranit jakési gumové těsnící kroužky a trubku zbrousit na trochu menší průměr. (Trubku jsem uchytil do vrtačky a přiložil pilník...). V trubce je vložena "injekční stříkačka" s výměnnými hroty - z příslušenství dávkovače pasty.
www.elweb.cz
- Automatizace osazovací linky
www.elweb.cz
Pomocí serv a motorků s M4 závitnicemi jsem vytvořil motorizované ovládání celé osazovací linky a s pomocí mikrokontrolérové řídící jednotky a USB joysticku Logitech šla ovládat joystickem. Bylo to uplně na h****. Bylo by potřeba vyřešit ještě přesné sledování polohy hrotu a případně i kameru se softwarovou analýzou obrazu atd... aby to mělo nějaký smysl. Pokud se někomu podaří něco takového vytvořit, napiště mi :))
www.elweb.cz
Ruční osazování s takovouto osazovací linkou je jednoduché a především velmi rychlé. Běžnou desku s cca 50-ti součástkami lze při troše zručnosti osadit během několika minut...
www.elweb.cz
3) Přetavení pájecí pasty
www.elweb.cz
K přetavení pájecí pasty se používá horký vzduch. A to buď po celé ploše najednou (viz přetavovací pece v úvodu) a nebo lokálně "foukáním". Pece jsou přeci jen drahé (ty nejjednodušší v ČR >60 000,-Kč, na ebay.com od 500 dolarů). Horkovzdušnou pájecí stanici (tj. "foukač" horkého vzduchu s regulací teploty a rychlosti "foukání") lze sehnat o řád levněji. Ano, zase se opakuji, v ČR draze, v cizině levně. Přímo z Honkongu mě stála i s poštovným výborná Kada 852D+ 2800,-Kč i s poštovným přes kus světa. Kromě ceny se zde prodávané horkovzdušné pájky liší názvem výrobce, přestože jsou obvykle vyráběny v té samé čínské fabrice... Nastavení teploty a intenzity "foukání" doporučuji vyzkoušet. Záleží také na tom z jaké výšky a jak dlouho foukáte. Stačí foukat do té doby, než se pájecí pasta roztaví v celém svém objemu a součástky hezky natočí a vyrovnají... Natáčení a vyrovnánáví součástek funguje díky povrchovým silám kapaliny (roztavené pasty) a při jejím následném chladnutí, respektive tuhnutí. Funguje to ale jen při správně (pro tyto účely) navržené desce plošných spojů. Stačí použít pájecí plošky přesně stejně široké jako vývody součástky nebo dokonce o něco málo užší a třeba takový rezistor v pouzdru 1206 (120 x 60 mil) se díky těmto silám při přetavení otočí klidně o 90 stupňů a krásně se vyrovná. (ve videu jsou pájecí plošky bohužel příliš široké) Při špatném návrhu DPS však mohou nastat potíže. Pokud je odvod tepla z jedné pájecí plošky rychlejší než z té druhé, může se při přetavení takový rezistor klidně i postavit a vznikne vám tak pěkné mestečko plné mrakodrapů (Manhattan efekt).
www.elweb.cz
(4) Odstranění můstků
www.elweb.cz
Pokud se vám slije pájka sousedních vývodů integrovaných obvodů a vytvoří tzv. mosty (zkraty), stačí přiložit kapilární odsávací pásek a ohřát jej mikropáječkou. Přebytečná pájka se do něj díky kapilárnímu jevu a také díky tavidlu, kterým je napuštěn, doslova nasákne. Tento pásek seženete ve většině obchodů s elektronickými součástkami. (přestože o jeho existenci prodavači v některých obchodech netuší...)
www.elweb.cz
5) Oplach tavidla
www.elweb.cz
Na desce zůstane přebytečné tavidlo, které by časem desku ničilo. Tavidla bývají poměrně agresivní a dokáží dlouhodobým působením spoje doslova rozežrat, což se projeví pochopitelně ve spolehlivosti výsledného zařízení. Z pájecí pasty obvykle zůstane podstatně méně tavidla než při použití klasické trubičkové pasty, nicméně i tak je oplach tavidla nutný. Desku stačí vymáchat v nádobě s isopropanolem. Nebo postříkat stejnojemným sprejem.
www.elweb.cz