Spajkanje demistificirano: Razumevanje osnov uspeha pri spajkanju

Spajkanje je presenetljivo enostavna veščina, če veste, kaj počnete. Slednje je ključnega pomena, ker plovilo vključuje manipulacijo sestavnih delov, ki lahko prenesejo največ 250 ° F z orodjem, ki deluje pri 650 ° F.

Meja napake je tukaj precej majhna, napake pa so pogosto katastrofalne in drage, kar odvrača večino začetnikov od vztrajanja pri začetnih napakah. Temu pa se lahko v celoti izognemo, če na začetku dobimo osnove.

Berite naprej, če želite izvedeti osnove spajkanja in si prihraniti grozote zoglenele elektronike in zlomljenih sanj.

Zakaj bi morali motiti spajkanje?

Na najosnovnejši ravni spajkanje ustvarja zanesljive električne (in posledično mehanske) povezave med prevodnimi kovinskimi komponentami. To vključuje povezavo žic ali elektronske komponente na tiskano vezje (PCB).

Kritični misleci med vami se morda sprašujejo, zakaj ne bi samo zvili žic ali pritrdili komponent na tiskane vezje z maticami in vijaki. Pri tem pristopu obstajata dve glavni težavi. Za začetek takšne povezave niso mehansko stabilne pri gibanju ali vibracijah. Drugič, čeprav so mehansko trdni, pritrdilni elementi sploh niso električno stabilni.

Vloge smo iskali pri Dr. Lakshmi Narayan Ramasubramanian Iz Oddelek za znanost in inženiring materialov na Indijskem tehnološkem inštitutu v Delhiju, za jasnost nekaterih bolj tehničnih vidikov spajkanja.

Občutljiva elektronika nujno potrebuje električne povezave z nizkim uporom, da ohrani konsistentno prevodnost skozi celotno življenjsko dobo izdelka. To je težko doseči s preprostim spajanjem komponent s pritrdilnimi elementi. Neizogibna zračna reža med sestavnimi deli v takšnih spojih vodi do oksidacije (ali rje za železnih kovin), kar bistveno zmanjša električno prevodnost. Zaradi teh ovir je spajkanje nepogrešljivo pri nizkonapetostni natančni elektroniki.

Povezano: Kako nadgraditi svoj 3D tiskalnik Ender-3

Ko spajkate dve komponenti, se spajka sama s kovino (običajno baker) tvori popolnoma novo zlitino. Spajkanje v bistvu veže komponente na molekularni ravni, ne pušča zračne reže in s tem odpravlja možnost oksidacije. Dodatna mehanska stabilnost je dobrodošel bonus.

Lepljenje kovin z njihovim taljenjem skupaj je tvegano, če upoštevamo, kako je večina polprevodniških komponent ocenjena za delovanje pri največji temperaturi 250 ° F. Uporaba toplote za varovanje vodnikov integriranega čipa z blazinicami na tiskanem vezju ni izvedljiva, saj se baker topi pri očesnih 1984 ° F. Komponento boste morali ocvrti še dolgo, preden vzpostavite zanesljiv spoj.

Tu nastopijo edinstvena sestava in termodinamične lastnosti spajkanja.

Spajkanje je evtektična zlitina, sestavljena iz svinca in kositra. Eutektični bit je pomemben, ker omogoča taljenje zlitine pri bistveno nižji temperaturi v primerjavi s kovinami, ki jih sestavljajo. Medtem ko se čisti svinec in kositer talita pri 620 ° F oziroma 450 ° F, spajkalna zlitina, sestavljena iz teh dveh kovin, pomešanih v razmerju 63:37, začne teči pri samo 361 ° F.

Čeprav se spajkanje lahko zdi, kot da gre za taljenje bakrenih žic ali komponentnih žic na tiskano vezje, v resnici postopek deluje tako, da vpliva na spajkanje kovinskega topila. Ko v vroče spajkanje vstavimo bakrene komponente, deluje kot topilo, ki prodre in raztopi izpostavljene bakrene površine. To topilo jih združuje na molekularni ravni in tvori popolnoma novo zlitino v medkovinski plasti.

Ta pojav se imenuje vlaženje in je ključnega pomena za proces spajkanje - to je preoblikovanje različnih komponent v neprekinjeno in električno prevodno telo hibridna zlitina.

Povezano: Razburljivi projekti DIY Electronics za reševanje pod 15 USD

Premagovanje oksidacije s fluksom

Kovinsko topilno delovanje spajkanja je temelj uspešnih spajkanih spojev. V praksi pa spajkanje ne more samo sprožiti mokrenja. Ta proces se katalizira z dovajanjem toplote tako za spajkanje kot tudi za bakrene komponente.

To je problem, ker toplota povzroči tudi, da izpostavljene bakrene površine v prisotnosti zraka hitro oksidirajo. Naslednja oksidna mejna plast deluje kot ovira, ki onemogoča vlaženje. Težava se poslabša z umazanijo, umazanijo, prstnimi olji, maščobami in drugimi onesnaževali, ki so prisotne na površinah sestavnih delov. Ti dodatno zavirajo delovanje kovinskega topila, ki je potrebno za uspešen spajkani spoj.

Lahko poskusite očistiti površine čisto, vendar boste v trenutku, ko toploto ponovno nanesete na bakrene kable, naleteli na popolnoma novo oksidno plast. Ko bi le lahko med spajkanjem odstranili oksidno plast. No, ravno to počne flux.

Flux je sestavljen iz kolofonije, ki je trdna oblika smole, pridobljene iz rastlin. Za namene elektronike se kolofonija uporablja samostojno ali v kombinaciji z blagimi aktivatorji, ki omogočajo, da nastali tok ostane nejeden in neprevoden pri sobni temperaturi. Isti postane dovolj aktiven, da kemično odstrani okside in druge onesnaževalce, če je oskrbljen z dovolj toplote.

Ko površine, namenjene za spajkanje, premažete s toploto, ki nastala med spajkanjem, katalizira tok in odstrani nečistoče. To razkriva čisti baker in omogoča omočenje. Flux lahko nanesemo na komponente pred spajkanjem, vnesemo pa ga tudi med postopkom skozi samo spajkalno žico.

Večina sodobnih spajkalnih žic ima notranje jedro, napolnjeno s kolofonijem, ki se med spajkanjem samodejno razdeli.

Kdaj spajkati in kdaj ne spajkati

Zdaj, ko smo ugotovili znanost spajkanja, je enako pomembno vedeti, kdaj spajkati in kdaj je to slabo. Vse, kar vključuje tiskane vezje, je skoraj izključno spajkano. Postopek ponuja odlično električno prevodnost in pošteno stopnjo mehanskega pritrjevanja, hkrati pa znatno zmanjšuje celotno velikost vaših elektronskih projektov.

Vendar se včasih splača natančno vedeti, kdaj se ne smete zateči k spajkanju.

Medtem ko lahko žice spajate med seboj ali na tiskane vezje, morate premisliti, kadar koli željena aplikacija vključuje kakršno koli stopnjo gibanja ali vibracij. Avtomobilske, robotske in 3D tiskalne aplikacije so odlični primeri, ko je spajkanje običajno omejeno na tiskane vezje in se kategorično izogiba vsem kabelskim priključkom.

To je zato, ker so spajkani sklepi trdi, a krhki in zato občutljivi na utrujenost pri upogibanju. Vsekakor ni zaželena lastnost električnih spojev, ki so izpostavljeni stalnim vibracijam in gibanju. Spajkani kabli v takšnih aplikacijah so izpostavljeni upogibanju in posledično odpovejo na krhkih sklepih.

Prav zato se v teh aplikacijah kabelski priključki, ki so podvrženi takšnim silam, stisnejo namesto spajkajo.

Čeprav se to morda sliši protislovno, spajkanje ni edini način za dosego plinotesnih spojev, odpornih proti oksidaciji. Ogromen tlak, ki nastane med stiskanjem, varuje bakrene vodi na molekularni ravni, zaradi česar so popolnoma neprepustni za plin.

Dejansko so stisnjeni spoji tako mehansko kot električno boljši od svojih spajkanih kolegov, hkrati pa so odporni proti utrujenosti zaradi upogibanja. Ramasubramanian navaja odsotnost vmesnih kovin v stisnjenih povezavah kot glavni razlog, da vmesnik čistega bakra kaže boljšo prevodnost v primerjavi s spajkanimi spoji.

Pojasnjuje tudi, da je povezava stisnjenih spojev med bakrom in bakrom sama po sebi močnejša, ker podobni atomi tvorijo močne, stabilne vezi. Na drugi strani sorazmerno različni atomi bakra, svinca in kositra, ki jih najdemo v spajkanih povezavah šibkejše vezi, ki so nenehno obremenjene, kar posledično pospeši utrujenost pri razpokanju pod mehanskimi vplivi stres.

Povezano: Vodnik za začetnike po 3D tiskalnikih Voron

Tudi zato v motornem prostoru vašega vozila ne boste našli niti enega spajkanega priključka kabla. Enako velja za 3D tiskalnike in vse druge naprave, ki so podvržene nenehnim vibracijam in gibanju.

Več veste

Če poznate osnovno mehaniko spajkanja in kdaj je primerno, da jo uporabite pri svojih projektih, boste naredili razliko med uspehom in stotimi dolarji poškodovane elektronike.

9 najboljših spajkalnikov za začetnike

Če vas zanima elektronika, boste potrebovali spajkalnik. Tu so najboljši spajkalniki za vas.

Preberite Naprej

O avtorju