Lutownice i stacje lutownicze

Lutowanie jest procesem łączenia części przez wprowadzenie stopionego materiału między nimi - lutu, którego temperatura jest z reguły niższa niż temperatura topnienia łączonych części. Celem lutowania jest uzyskanie połączenia mechanicznego lub styku elektrycznego. Poniżej rozważymy głównie lutowanie elementów elektronicznych.

Trochę historii

Lutowanie metali było stosowane w czasach starożytnych. Uważa się, że ta operacja technologiczna istnieje od co najmniej 5000 lat. Nawet gdy ludzkość nie znała żelaza i stali, miedź, złoto i ich stopy stały się powszechne. Ale nawet wtedy mistrzowie ścigający używali łączenia części produktów za pomocą lutowania.

Archeolodzy znaleźli złote naczynia, których uchwyty zostały przylutowane złotem, a także stopy złota i srebra. Złote przedmioty ze śladami lutowania znaleziono podczas wykopalisk grobowców starożytnego stanu Babilon. Naukowcy datują znalezisko 3200 pne

Lutowana biżuteria została również znaleziona w egipskich piramidach. Fakt ten dowodzi, że sztuka lutowania była znana w starożytnym Egipcie w drugim tysiącleciu przed naszą erą. Najciekawsze jest to, że Egipcjanie nie lutowali czystym złotem, ale wymyślili sposób na obniżenie temperatury topnienia złotego lutu.

W tym celu złoty proszek wyżarzono w proszku z węgla drzewnego. W rezultacie wierzchnia warstwa złota została nasycona węglem (w technologii metali proces ten nazywa się cementacją) i otrzymano stop złoto-węgiel. Temperatura topnienia tego stopu była nieco niższa niż czystego złota. Takie lutowie nazywane są stałymi.

Miękkie lutowie na bazie cyny i ołowiu są wspomniane w pismach rzymskiego pisarza i naukowca Pliniusza, najstarszego żyjącego w I wieku naszej ery. Tak więc w eseju „Historia natury” wspomina się o użyciu dwóch lutów cynowo-ołowiowych - tetrarium (2/3 ołowiu, 1/3 cyny) i argentarii (50% ołowiu i 50% cyny). Najciekawsze jest to, że takie stopy są nadal używane. Pierwszy z nich jest często nazywany trzeciorzędem, a druga połowa.

Podczas wykopalisk w Pompejach, które zginęły podczas erupcji wulkanu Wezuwiusz, archeolodzy odkryli ołowiane rury wodociągowe, których połączenie wykonano przez lutowanie cyny ołowiowej. Te same rury znaleziono podczas wykopalisk w Libii i Nubii.

Podczas wykopalisk osad z IV-V w. Ne na terenie Górnej Wołgi znaleziono przedmioty, w szczególności noże lutowane miedzią. Na Rusi Kijowskiej mistrzowie lutowali zamki, klucze, noże z miedzią przez lutowanie, co wskazuje na wysoką wiedzę techniczną mistrzów tych starożytnych lat.

Lutownice ręczne

Można zatem uznać, że lutowanie żelaza, miedzi i jej stopów, a także aluminium pojawiło się dopiero po lutowaniu metali szlachetnych. Później pojawiły się narzędzia do ręcznego lutowania. Takie lutownice nazywano grzejnikami i ogrzewano w piekarniku.

Później do tych celów zaczęto używać palników z benzyną. Do tej pory używane są lutownice termiczne, a taką lutownicę można kupić nawet w sklepach internetowych. Wygląd lutownicy termicznej pokazano na rycinie 1.

Rysunek 1. Lutownica termiczna

Lutownica elektryczna

I dopiero w 1921 roku powstała elektryczna lutownica. Ernst Sachs, późniejszy założyciel ERSA, otrzymał patent na wynalazek. Dzięki pomysłowości wynalazcy lutownica elektryczna szybko zyskała światową sympatię, będąc prototypem do tworzenia różnych konstrukcji narzędzi lutowniczych. Okazuje się, że w tej chwili lutownica elektryczna ma bardzo poważny wiek 93 lata. Pierwsze elektryczne lutownice pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Pierwsza elektryczna lutownica

Lutownica miała kształt siekiery, była podobna do lutownicy termicznej i była przeznaczona głównie do cynowania. Podobne lutownice istnieją do dziś. Moc takich lutownic mieści się w przedziale 500 ... 800 watów. Są one głównie używane do lutowania dużych części, takich jak grzejniki samochodowe, konewki ogrodowe, wiadra itp.

Jak lutownica elektryczna

Zasada działania elektrycznej lutownicy jest dość prosta. Wokół pręta lutowniczego, zwanego często żądłem, znajduje się spirala z drutu o wysokiej rezystywności. Podczas przechodzenia przez bieżącą spiralę nagrzewa się, a otrzymane ciepło jest przekazywane do pręta lutowniczego. Naturalnie spirala jest izolowana od końcówki i ciała za pomocą izolatora termoodpornego. Jako izolator najczęściej stosowana jest mika. Jest to klasyczny schemat lutownicy, która przetrwała do naszych czasów.

Lutownice z czasów radzieckich

W czasach radzieckich przemysł produkował wiele różnych lutownic. W amatorskiej praktyce radiowej najczęściej używane były lutownice z serii EPSN o mocy 25 ... 100 W. W paszporcie dołączonym do lutownic napisano: „Konstrukcji lutownicy nie można rozdzielić”. To prawda, że ​​na uznanie producentów należy powiedzieć, że te lutownice służyły przez długi czas. Wygląd tych lutownic pokazano na rycinie 3.

Rysunek 3. Lutownice z serii EPSN

Ale nie wszystko jest tak złe i surowe. W niektórych lutownicach spirala jest umieszczona w ceramicznym rdzeniu z rowkiem, z kolei rdzeń jest wkładany do ceramicznej miseczki. Pręt lutowniczy jest wkładany do centralnego otworu rdzenia - żądło, a nie miki. Zmontowany grzejnik jest wkładany do metalowej skrzynki z drewnianym uchwytem. Zaletą tego projektu jest to, że jest składany, więc w zestawie sprzedawano zapasową spiralę.

Nieco później pojawiły się miniaturowe lutownice z serii ERA o mocy 18 i 25 W, które szybko zyskały popularność wśród amatorów radia i telemasterów. Wygląd lutownicy pokazano na rycinie 4.

Rysunek 4. Lutownica z serii ERA

Przy pomocy takich lutownic było całkiem wygodnie lutować tranzystory, a także mikroukłady w skrzynkach takich jak DIP i tym podobne z odstępem 2,54 mm. Aby zapewnić wymaganą temperaturę lutowania, zaleca się włączenie lutownic za pomocą tyrystorowego regulatora mocy. Dzięki temu włączeniu jakość połączeń lutowanych zależy głównie od kwalifikacji, a nawet sztuki, od instalatora.

Żetony w pakietach DIP należą już do przeszłości. Teraz prawie wszystkie urządzenia elektroniczne są produkowane przy użyciu elementów SMD, których wymiary są bardzo małe. Dlatego trudno jest zapewnić wysokiej jakości lutowanie za pomocą lutownic opisanych powyżej. Nowoczesne lutownice są z reguły używane jako część stacji lutowniczych.

Przeczytaj więcej o stacjach lutowniczych tutaj:Jak wybrać stację lutowniczą

Elementy grzejne są wykonane z ceramiki i mają zintegrowany termopara, co w połączeniu z wyświetlaczem cyfrowym pozwala na utrzymanie określonej temperatury w szerokim zakresie, a ponadto bardzo dokładnie. Niektóre lutownice mają wbudowane termostaty bezpośrednio w uchwycie. Przykładem takiej lutownicy jest lutownica CT-96 produkowana przez CT-Tools. Wygląd lutownicy pokazano na rycinie 5.

Rysunek 5. Lutownica CT-96

Ryc. 6. Stacja lutownicza

Temperatura lutowania zależy przede wszystkim od temperatury topnienia lutów. Podczas instalacji i naprawy sprzętu elektronicznego z reguły stosuje się miękkie lutowie.

Rodzaje lutów

Wszystkie lutowia można podzielić na dwa typy: twardy i miękki. Stopy lutownicze mają wysoką temperaturę topnienia - ponad 300 ° C i zapewniają wysoką wytrzymałość mechaniczną połączenia. Najczęściej stosowane są stałe stopy miedzi z cynkiem PMC oraz stopy na bazie srebra PSR, które są stopami z różnymi dodatkami.

Temperatura topnienia gatunku lutu ПСр-70 780 ° C, ПСр-10 830 ° C, ПМЦ-36 825 ° C, ПМЦ-51 870 ° C.Oczywiste jest, że takie lutowie są całkowicie nieodpowiednie do lutowania płytek elektronicznych.

Dlatego do lutowania obwodów elektronicznych używa się miękkich lutów, których temperatura topnienia nie przekracza 300 ° C. Głównie stosuje się lutowie cynowo-ołowiowe marki POS-61. POS-63, którego temperatura topnienia wynosi 190 ° C Te lutowie są eutektyczne, to znaczy mają takie same temperatury topnienia i krystalizacji.

Sama nazwa mówi o składzie chemicznym tych lutów: POS-61 zawiera 61% cyny, reszta to ołów, POS-63 odpowiednio 63% cyny, reszta to ołów. Te lutowie są używane tylko do lutowania ręcznego i zapewniają dobrej jakości połączenia lutowane. Zostało napisane w paszportach lutownic: „Lutowanie powinno być genialne, konturowe”.

Luty POS mają wysoką przewodność elektryczną, wysoką płynność w stanie stopionym i wystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Połączenie tych właściwości pozwala na wysokiej jakości lutowanie obwodów drukowanych, sprężynowe zawieszenie przyrządów pomiarowych, cienkie wielordzeniowe druty wysokiej częstotliwości typu Litzendrat, a także krytyczne części wykonane z miedzi, brązu, mosiądzu, stali. Przy stosowaniu topników do lutowania aluminium części aluminiowe są bardzo dobrze lutowane, na przykład uzwojenia transformatorów i dławiki w urządzeniach gospodarstwa domowego.

W przypadkach, w których przegrzanie lutowanych elementów jest wyjątkowo niepożądane, stosuje się lutowie niskotemperaturowe. Jednym z nich jest stop drewna: cyna - 12,5%, ołów - 25%, bizmut - 50% i kadm - 12,5%. Temperatura topnienia tego lutu wynosi tylko 70 ° C. Ta temperatura nazywa się szczególnie niską. Stop drewna jest również stosowany jako dodatek do obniżania temperatury topnienia lutów bezołowiowych podczas lutowania części z płytek drukowanych. Taki dodatek pozwala lutować elementy bez uszkadzania płytki drukowanej i samej części.

Ołów, jak wiadomo, jest uważany za metal trujący, jego opary są niezwykle szkodliwe dla ludzkiego ciała. Dlatego ostatnio lutowie bezołowiowe są coraz częściej wykorzystywane do lutowania sprzętu elektronicznego, zwłaszcza domowego. Lut bezołowiowy jest hołdem dla wymagań ekologii i ochrony pracy.

Bezołowiowe lutowie

Najwyraźniej najbardziej przyjazny dla środowiska i bezpieczny lut należy uznać za czystą cynę. Jest to puszka stosowana w przemyśle spożywczym do puszek - puszka. Ale niestety irytujące wady są nieodłącznym elementem takiego lutu. Przede wszystkim jest to „plaga cyny”.

W temperaturach poniżej 13,2 ° C objętość właściwa czystej cyny wzrasta o ponad 25%, co prowadzi do powstania innej fazy substancji, tzw. Szarej cyny. Ponadto, im niższa temperatura, tym bardziej intensywny proces konwersji. W temperaturze -33 ° C cyna zamienia się w szary proszek, racje po prostu się kruszą. Oczywiste jest, że taki lut nie jest dobry.

Ale nie tylko racje się rozpadają. Tak więc w 1912 r. To plaga spowodowała śmierć wyprawy Roberta Falcona Scotta na Biegun Południowy. Wyprawa pozostała bez paliwa, które przeciekło przez lutowane szwy w zbiornikach paliwa.

Z powodu blaszanej plagi zmarło wiele wartości kulturowych, w szczególności zbiory blaszanych żołnierzy. Na przykład w magazynach Muzeum Aleksandra Suworowa w Petersburgu kilkudziesięciu blaszanych żołnierzy po prostu rozpadło się w pył z powodu przełomu w ogrzewaniu. Stało się to w innych muzeach na całym świecie.

Aby stworzyć bezołowiowe cyny na bazie cyny, dodaje się do niego różne składniki: miedź, cynk, srebro, złoto, ind. Dodatki te pozwalają uniknąć tworzenia się szarej cyny, chronią się przed plagą cyny.

Do lutowania komponentów elektronicznych najczęściej stosuje się lutowie następujących kompozycji: cyna - 52%, ind - 48%; cyna - 91%, cynk - 9%; cyna - 97%, srebro - 2,3%, miedź - 0,7%. Nie obserwuje się szkodliwych metali. Temperatura topnienia tych lutów wynosi około 300 ° C, czyli znacznie więcej niż w przypadku lutów cynowo-ołowiowych.Każdy, kto kiedykolwiek naprawiał nowoczesną elektronikę, doskonale o tym wie.

Cena za nieszkodliwość polega na tym, że wszystkie bezołowiowe lutowie mają mniej płynności w stanie stopionym i mniejszą zwilżalność lutowanych powierzchni. Specjalne topniki stosowane do lutowania z lutami bezołowiowymi pomagają chronić przed tą wadą. Niemniej jednak jakość szwu wykonanego z lutów bezołowiowych jest gorsza niż w przypadku lutów cynowo-ołowiowych. Ale nauka nie stoi w miejscu, nieustannie prowadzone są badania mające na celu poprawę jakości bezołowiowych stopów lutowniczych, dzięki czemu wymiana jest równoważna.

Wiele nowoczesnych mikroukładów jest dostępnych w obudowach BGA (tablica angielskich kulek - tablica kulek). Zwykłe wnioski - nogi tych mikroukładów nie. Ich rolę odgrywają kule z lutu osadzone na stykach w dolnej części ciała. Do lutowania takich mikroukładów pojawiły się nowe typy lutowia - pasty lutownicze stosowane metodą sitową.

Pasty lutownicze składają się z kilku elementów: sam lut w postaci drobnego proszku, stałych cząstek o strumieniu tej samej wielkości. Składniki te stają się pastami ze względu na obecność spoiw, głównie składników w postaci ciekłego topnika i lotnych rozpuszczalników.

Oczywiste jest, że takich mikroukładów nie można lutować zwykłą lutownicą. Wymaga to zastosowania specjalnych metod lutowania, w których ogrzewanie odbywa się za pomocą gorącego powietrza lub promieniowania podczerwonego. Do tych celów stosuje się stacje lutownicze na gorące powietrze lub podczerwień.

Kontynuacja artykułu: Lutownice elektryczne. Rodzaje i projekty