ep 09 062-065 lutowanie cz6, Elektronika-inne, Lutowanie SMD
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOTATNIK PRAKTYKA
Montaż elementów SMD,
część 6
Zbliżamy się do końca cyklu poświęconego „ujarzmianiu”
elementów SMD. Do omówienia pozostały nam lutowanie
rozpływowe strumieniem gorącego powietrza oraz niezbyt lubiany,
ale niezbędny w praktyce demontaż.
Lutowanie HotAir
Z technik montażu SMD poten-
cjalnie dostępnych w małym warsz-
tacie zostało nam jeszcze sięgnięcie
po pastę lutowniczą i dmuchawkę
z gorącym powietrzem, czyli przenie-
siona do mikroskali wersja lutowania
rozpływowego. Przygotowując artykuł
korzystałem z dwóch rodzajów dmu-
chawek Xytronicsa, tzn. stacji HotAir
850D (ta sama nagrzewnica o mocy
ok. 300 W występuje również w kilku
modelach o innych numerach, sprze-
dawanych pod różnymi markami)
oraz 60 watowej końcówki HAP-60
stanowiącej wyposażenie uniwersal-
nej stacji (roz)lutowniczej 988D. O ile
z dużej stacji HotAir (850D) byłem
bardzo zadowolony, chwaląc ją za
potencjalnie dużą wydajność cieplną,
bardzo małą bezwładność (rzędu kilku
sekund) oraz wygodną regulację tem-
peratury i przepływu powietrza, o tyle
konstrukcję końcówki HAP-60 uważam
za inżynierską pomyłkę. Narzędzie to
miało w zamyśle służyć do rozpływo-
wego montażu i demontażu drobnych
elementów. Jednak mała średnica dy-
szy wylotowej (2 mm) i brak jakiejkol-
wiek regulacji przepływu powoduje,
że silny, a do tego pulsujący strumień
powietrza nie tylko rozdmuchuje pa-
stę, ale nawet jest w stanie zrzucić
z płytki lżejsze elementy. Ponadto moc
60 W okazała się niewystarczająca do
utrzymania zadanej temperatury, skut-
kiem czego po kilkunastu sekundach
nadmuchu grzałka zaczyna raptownie
stygnąć. Po sztucznym zdławieniu
przepływu powietrza wyszło na jaw,
że temperatura strumienia wprawdzie
utrzymuje się na zadanym poziomie,
lecz jego wydajność cieplna maleje
na tyle, iż praktycznie nie wystar-
cza do wykonania jakichkolwiek prac.
W efekcie HAP-60 używałem jedynie
do demontażu drobnicy (kończące-
go się efektownym zdmuchnięciem
elementu i resztek cyny z pól mon-
tażowych) oraz pomocniczych, choć
przydatnych czynności takich jak za-
ciskanie rurek termokurczliwych czy
precyzyjne formowanie termoplastów.
Ostatecznie najchętniej korzystałem
ze stacji 850D z założoną prostą dy-
szą o średnicy 4,4 mm. Taki zestaw
okazał się wystarczający zarówno do
dosyć precyzyjnego lutowania rozpły-
wowego jak i demontażu nie powodu-
jącego spustoszeń wśród okolicznych
elementów na płytce.
Na
fot.
65
pokazano kolejne eta-
py rozpływowego lutowania układu
SOIC. Pierwsza czynność polega na
nałożeniu pasty lutowniczej (fot. 65a
)
.
Zasadniczą cechą odróżniającą ręcz-
ny montaż „naprawczy” od procesu
przemysłowego jest brak możliwości
precyzyjnego dozowania. Po wykona-
niu druku szablonowego, na polach
(i tylko na polach) lutowniczych po-
zostaje cienka warstwa pasty o gru-
bości ściśle określonej przez grubość
blachy użytej do wykonania szablonu
(150…200 µm). Tymczasem posługując
się ręcznym dozownikiem, nakładamy
tej pasty znacznie więcej, pozostawia-
jąc ją również na obszarach izolacji
.
Ułożywszy układ na płytce
(fot. 65b) przystępujemy do nagrze-
wania. Najpierw powolnego, służącego
wysuszeniu pasty i aktywacji topnika,
a następnie intensywnego, powodują-
cego stopienie lutowia. Na fot. 65b
widać zmianę w strukturze pasty na-
stępującą po odparowaniu rozpusz-
czalnika. Następne zdjęcie (fot. 65c)
pokazuje początek przetopu i formo-
wanie pierwszych złącz. Po całkowi-
tym przetopieniu pasty (fot. 65d), siły
napięcia powierzchniowego działające
w ciekłym lutowiu ustawiają układ
a)
c)
b)
d)
Fot. 65. Montaż z użyciem pasty lutowniczej i strumienia gorącego powie-
trza. a) Nakładanie pasty ze strzykawki. Ręcznie dozowana pasta pokrywa
nie tylko pola ale i dzielące je obszary izolacji. b) Nagrzewanie wstępne.
Pasta traci rozpuszczalnik i częściowo rozpływa się po płytce. Jednak
strumień powietrza nie może rozdmuchiwać jej wokół układu. c) Początek
przetopu lutowia. Większość lutowia zostaje ściągnięta na pola lutownicze
odsłaniając obszary izolacji. d) Cała pasta uległa przetopieniu. Siły na-
pięcia powierzchniowego działające w stopionym lutowiu ustawiają nóżki
układu scalonego centralnie na polach lutowniczych.
62
Elektronika Praktyczna 9/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
a)
b)
Fot. 66. Kuleczkowanie lutowia.
Resztki pasty pozostałe między po-
lami ulegają przetopieniu tworząc
luźne kulki stopu zawieszone w po-
zostałościach topnika. Pozostawione
na płytce bez wymycia, stwarzają
ryzyko wystąpienia zwarć
c)
centralnie na polach lutowniczych.
W złośliwym przypadku asymetria sił
działających na element, a wynika-
jąca z nieprecyzyjnego osadzenia lub
błędnego projektu płytki drukowanej
(skutkującego np. znacznym rozrzutem
temperatur lub wessaniem lutowia
przez przelotkę), może spowodować,
że obudowa ustawi się w pozycji
znacznie odbiegającej od założonej.
Omawiając typowy profil tempe-
ratury stosowany w lutowaniu rozpły-
wowym wspomnieliśmy o kuleczkowa-
niu (
balling
) spowodowanym rozpry-
skiwaniem zbyt szybko nagrzewanej
pasty. Przyczyną kuleczkowania może
być również nadmiar pasty pozosta-
wionej między polami lutowniczymi
(
fot.
66
). Wprawdzie siły napięcia po-
wierzchniowego ściągają większość lu-
towia w kierunku pól, to jednak nie-
związane resztki ulegając przetopieniu
przyjmują postać drobnych kulek za-
wieszonych w pozostałościach topnika.
Pozostawienie luźnych, przewodzących
cząstek zmniejsza odporność izolacji
na przebicie a także zwiększa ryzyko
zwarć, zatem płytka wymaga dokład-
nego mycia. Drugi, podobny defekt
związany z nadmiarem pasty polega
na występowaniu dużych „perełek”
cyny (
beading
) na obrzeżach, powsta-
łych w wyniku wyciśnięcia nadmiaru
lutowia przez korpus i wyprowadzenia
osiadającego podzespołu.
Fot. 67. Demontaż SMD przy użyciu
termopincety. a) Termopinceta
(tweezer) typu TWZ60. b) Obfite
pocynowanie końcówek ma zapew-
nić im dobry kontakt termiczny z
elementem. c) Demontaż. Należy
wystrzegać się odruchu „odrywania”
niedokładnie podgrzanego elementu
prowadzącego do zrywania ścieżek
dość, że zwykle stanowi krok odda-
lający konstruktora od oczekiwanego
finału, to wporównaniu zmontażem
bywa bardziej kłopotliwy a także stre-
sujący – zwłaszcza gdy dotyczy ele-
mentów o znacznej wartości. Prakty-
ka uczy, że uciążliwość demontażu
szybko rośnie z liczbą wyprowadzeń.
Już usunięcie bez strat dużego DIP-a,
zwłaszcza ciasno osadzonego w meta-
lizowanych otworach, potrafi okazać
się niezłym wyzwaniem. Wprawdzie
podzespoły SMD z natury rzeczy nie
mają zakotwiczenia w otworach a tyl-
ko przylegają do powierzchni płytki,
jednak ich krótkie wyprowadzenia
są dosyć sztywne, a pola lutowni-
cze o znikomej powierzchni okazują
się bardzo podatne na odklejenie od
Demontaż SMD
Wszelkie naprawy i uruchamianie
nowych projektów nierozłącznie wiążą
się z wymianą podzespołów. Jednak
demontażu nie lubi chyba nikt. Nie
Elektronika Praktyczna 9/2005
63
NOTATNIK PRAKTYKA
a)
a)
b)
b)
Fot. 68. Wykonany doraźnie zestaw
grotów kształtowych do zwykłej,
grzałkowej lutownicy 40W. Od góry:
„płetwa” do jednoczesnego nagrze-
wania całego rzędu wyprowadzeń
układu scalonego, dwa rodzaje
grotów pasujące układów SOIC,
widełki do demontażu kondensato-
rów tantalowych (lutowane twardym
stopem), widełki do usuwania 1206 i
SOT23, j.w. ale dla rozmiaru 0805
Fot. 69. Demontaż elementu 0805
przy użyciu rozwidlonego grotu. a)
Cynowanie poprawiające wymianę
ciepła z elementem. b) Usuwanie ele-
mentu zajmuje zaledwie kilka sekund
Fot. 70. Demontaż układu w obudo-
wie SOIC przy użyciu grota kształ-
towego. a) Cynowanie grota. Grot
musi mieć dobry kontakt termiczny
ze wszystkimi wyprowadzeniami
zatem nie nie należy oszczędzać
cyny. b) Demontaż. Trzeba zwracać
uwagę, żeby widełki przylegały do-
kładnie do wszystkich nóżek
laminatu. Wielonóżkowy układ sca-
lony powinien w czasie demontażu
swobodnie odpaść od płytki. Pró-
ba użycia siły, przed rozlutowaniem
wszystkich nóżek niemal na pewno
skończy się zerwaniem ścieżek, czy-
li uszkodzeniem bardzo kłopotliwym
w naprawie – zwłaszcza w przypadku
układów o gęstym rastrze. Demontaż
SMD wymaga zatem jednoczesnego
stopienia lutowia na wszystkich wy-
prowadzeniach – co naraża zarówno
obudowę jak i płytkę na długotrwa-
łe oddziaływanie wysokiej tempera-
tury, albo rozlutowywania „na raty”
z ostrożnym oddzielaniem nóżek od
płytki w sposób uniemożliwiający ich
ponowne zespojenie.
oczywisty, że nie wymaga szerszego
opisu – może poza przypomnieniem,
że skuteczność i równomierność prze-
kazywania ciepła jednocześnie do
wszystkich nóżek decyduje o całkowi-
tym czasie nagrzewania a tym samym
o narażeniach jakim zostanie podana
płytka drukowana. Nie należy zatem
zapominać o zastosowaniu topnika,
oczyszczeniu i obfitym pocynowaniu
grotów świeżym stopem a także o ich
precyzyjnym przyłożeniu do zdej-
mowanego układu. Końcówka TWZ-
-60 (2x30 W) widoczna na fot. 67a
wchodzi w skład standardowego wy-
posażenia stacji lutowniczej XY-988.
W przypadku gdy planuje tylko spora-
dyczny demontaż w warunkach ama-
torskich, warto jednak odwołać się
przede wszystkim do własnej pomy-
słowości. Wspomniana we wcześniej-
szym odcinku (EP7/2005, fot. 54) pod-
ręczna termopinceta złożona z dwóch
lutownic 40 W, metalowych szczypiec
stolarskich, dwóch opasek zacisko-
wych i sprężynki, przez dłuższy czas
z powodzeniem spełniała swoją rolę,
choć powstała kosztem zaledwie ok.
25 PLN i kwadransa pracy.
mopincety grotami o różnej szero-
kości. Jednak wymiana końcówek
(zwłaszcza na gorąco) nie należy
za zadań przyjemnych. Z drugiej
strony podczas uruchamiania ukła-
du, a szczególnie w czasie dobiera-
nia elementów biernych najczęściej
potrzeba jedynie 2…3 rozmiarów.
Być może zostanę tu skrytykowa-
ny za brak profesjonalizmu, jed-
nak w mojej praktyce warsztatowej
dobrze sprawdził się zestaw kilku
najtańszych lutownic wyposażonych
w wykonane amatorsko groty kształ-
towe (
fot.
68
). Podłużna „płetwa”
służy do jednoczesnego nagrzewania
całego rzędu wyprowadzeń układów
SOP i PLCC. Proste widełki wykute
z jednego odcinka miedzianego dru-
tu obejmują, w zależności od roz-
miaru, elementy typu
chip
, SOT-23
i podobne. Widełki ukośne, również
wyprofilowane z jednego odcinka
materiału, pasują do wąskich ukła-
dów SOIC. Jedynie grot do dużych
kondensatorów tanatalowych wyma-
gający odpowiednio szerokiego roz-
stawu ramion powstał z trzech czę-
ści połączonych twardym stopem
lutowniczym o temp. topnienia ok.
650…700
o
C. Wbrew pozorom twarde
lutowanie tak drobnych elementów
Termopinceta
Najmniej kłopotu sprawią oczywi-
ście drobne obudowy jedno i dwu-
rzędowe tzn. R, C, D, T i układy
scalone o niewielkiej liczbie nóżek.
Do dwustronnego podgrzania takie-
go elementu wystarcza termopinceta
(
tweezer
), czyli narzędzie o ramionach
złożonych z dwóch lutownic wyposa-
żonych w płaskie groty o szerokości
dostosowanej do wymiarów demonto-
wanego układu – od bardzo wąskich
służących do demontażu obudów
chip
do szerokich na 25…30 mm,
obejmujących duże układy SOP. Spo-
sób użycia (fot. 67b, c) jest na tyle
Groty kształtowe
Różne wymiary obudów i cia-
snota panująca zwykle na płytce
SMT zmuszają do uzbrajania ter-
64
Elektronika Praktyczna 9/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
nie jest specjalnie trudne a wystar-
cza do tego miniaturowy palnik na
propan-butan. Pozostając w klimacie
„Pomysłowego Dobromira” zachę-
cam Czytelników do własnoręczne-
go wykonania podobnego zestawu.
Surowcem (pasującym do zwykłych,
tanich lutownic o mocy 25/40/60 W)
będzie drut miedziany o średnicy
3,5..3,8 mm – stosunkowo łatwy
do pozyskania „z metra”, gdyż taką
właśnie średnicę ma przewód in-
stalacyjny DY o przekroju 10 mm
2
(EP7/2005, fot. 55). Przy odrobinie
wprawy w posługiwaniu się młot-
kiem i kowadłem, wykucie i oszli-
fowanie dowolnego grota z pokaza-
nej kolekcji zajmuje 15...30 minut.
Oczywiście groty z czystej miedzi
pozbawione galwanicznej powłoki
ochronnej będą ulegały stopniowej
destrukcji na skutek rozpuszczania
w cynie. Jednak tekstura zgniotu po-
wstająca w czasie plastycznej obrób-
ki metalu, znacznie ten proces spo-
walnia a okresowe przeszlifowanie
grota lub nawet wykonanie nowego
nie sprawia w praktyce większego
problemu. Podobnie jak w przypad-
ku demontażu za pomocą termo-
pincety, tutaj obowiązują identycz-
ne zasady służące zapewnieniu jak
najlepszego i równomiernego kontak-
tu termicznego grota ze wszystkimi
wyprowadzeniami demontowanego
elementu (
fot.
69,
70
).
rozmiary obudowy tym łatwiej o nie-
dokładne podgrzanie któregoś z pól
lutowniczych i nieumyślne zerwanie
go z płytki. Pora zatem sięgnąć po
strumień gorącego powietrza. Wpraw-
dzie tym razem naszym celem bę-
dzie jedynie stopienie lutowia a nie
wytworzenie poprawnych złącz, jed-
nak część zaleceń sformułowanych
przy omawianiu lutowania rozpływo-
wego a dotyczących przede wszyst-
kim unikania nadmiernych gradien-
tów temperatury, nadal pozostaje
w mocy. Demontaż należy zacząć od
spokojnego podgrzania układu i jego
okolic do ok. 130
o
C. Po wyrównaniu
rozkładu temperatur podnosimy tem-
peraturę strumienia powietrza (orien-
tacyjnie do ok. 300
o
C, aczkolwiek
konkretna powinna wyniknąć z wła-
snej praktyki) i kierując go z bliska
bezpośrednio na nóżki doprowadza-
my do stopienia lutowia. Odnosząc
się krytycznie do jakości stacji Ho-
tAir pochwaliłem używaną XY-850
za wygodną regulację przepływu,
a także małą bezwładność cieplną
pozwalającą na zmianę i ustabilizo-
wanie w ciągu kilku sekund tempe-
ratury wylotowej. Właśnie te cechy
umożliwiają szybkie przejście od
powolnego nagrzewania wstępnego
do intensywnego nadmuchu o wyż-
szej temperaturze koniecznej pod-
czas rozlutowywania. Standardowa,
okrągła dysza o średnicy 4...6 mm
wystarcza do operowania strumie-
niem powietrza na tyle precyzyjnie,
żeby rozlutować układ nie demolu-
jąc płytki w jego sąsiedztwie. Jednak
im większa obudowa tym silniejsze
stygnięcie wyprowadzeń między ko-
lejnymi przejściami dyszy, a tym sa-
mym dłuższy całkowity czas nagrze-
wania. Np. QFP 28x28 mm przy
użyciu zwykłej, okrągłej dyszy de-
montuje się już z pewnym trudem.
Rozwiązaniem może być wyposaże-
nie nagrzewnicy w dysze kształtowe
o rozmiarach dopasowanych do kon-
kretnego typu obudowy i kierujące
strumień gorącego powietrza wyłącz-
nie na rzędy nóżek (
fot.
71
). Nie-
stety dysze kształtowe oprócz wielu
zalet mają jedną istotną wadę: cenę.
Próba skompletowania w miarę funk-
cjonalnego zestawu może szybko
podwoić wartość posiadanej stacji
HotAir.
Marek Dzwonnik, EP
marek.dzwonnik@ep.com.pl
Demontaż HotAir
W miarę zwiększania rozmiarów
obudów i liczby wyprowadzeń, na-
grzewanie kontaktowe staje się co-
raz trudniejsze. Wprawdzie można
nabyć np. kwadratowe końcówki
przeznaczone do demontażu dużych
układów QFP, jednak im większe
Fot. 71. Dysza kształtowa do de-
montażu układów PLCC i QFP stru-
mieniem gorącego powietrza
Dokończenie w EP10/2005
Elektronika Praktyczna 9/2005
65
[ Pobierz całość w formacie PDF ]