Опыт предприятия по изучению охлаждения паяльных стержней при пайке

В статье описаны результаты исследований тепловых характеристик паяльных стержней
инструмента для контактной пайки, проведенных на ФГУП УЭМЗ.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что решение проблемы стабилизации температуры паяльного инструмента в целом, например, при использовании паяльной станции, не решает проблему обеспечения требуемого режима пайки
[1–21]. Наша модель паяльного инструмента [3] хорошо описывает процесс его нагрева и охлаждения в целом, но в силу принятых допущений не в состоянии
описать нестационарный процесс охлаждения и последующего разогрева рабочей части паяльного стержня во время и после контакта с паяным соединением.

Измерения показывают, что во время контакта
разогретого паяльного стержня с холодным паяным
соединением температура паяющей (рабочей) поверхности стержня практически мгновенно снижается. По нашим оценкам, время охлаждения паяющего (рабочего) конца стержня может быть менее
сотой доли секунды, что объясняется хорошим тепловым контактом жидкого припоя с подготовленной к пайке поверхностью монтажного соединения.

По этой причине даже самые современные паяльные станции, поддерживая требуемую температуру
с большой точностью в зоне терморегулятора, не в состоянии обеспечить стабильность температуры паяющей (рабочей) части паяльного инструмента, так
как термодатчик и нагреватель находятся на некотором расстоянии от упомянутой рабочей поверхности, определяющей температуру паяного соединения.

Величина этого снижения температуры для достаточно длинных паяльных стержней (с большим расстоянием от рабочего конца стержня до нагревателя
и термодатчика) при одиночной пайке не зависит
от наличия терморегулятора у паяльного инструмента, его мощности и теплоемкости и может составлять
несколько десятков градусов [11, 14]. Наши данные
показывают, что снижение паяющего конца стержня
паяльного инструмента, включая паяльные станции,
может меняться в широких пределах даже на одной
печатной плате, так как зависит от теплопоглощения
на каждом конкретном паяном соединении, диаметра паяльного стержня, его материала, длины паяльного стержня, если он достаточно короткий [13, 22].
Таким образом, оставаясь относительно стабильной
в зоне нагревателя и термодатчика паяльной станции, температура паяющего конца стержня может
выйти за допустимые пределы и привести к образованию дефектных паяных соединений.

В настоящей статье сделан очередной шаг в решении одной из наиболее сложных и интересных проблем обеспечения оптимального режима контактной
пайки — приводится зависимость изменения во время пайки температуры паяльного стержня, включая
его рабочий (паяющий) конец, от его конструктивных и теплофизических параметров, а также параметров монтажного соединения.

На рис. 1 приведено типичное изменение температуры рабочего (паяющего) конца стержня паяльного инструмента — 1 и паяного соединения (двух
проводов) — 2 во время и после одиночной пайки.

Под одиночной пайкой мы понимаем такой режим, при котором температура рабочего (паяющего)
конца стержня паяльного инструмента практически полностью восстанавливается к моменту выполнения очередного паяного соединения. Если речь
идет о паяльном инструменте без терморегулятора,
то упомянутый перерыв между пайками должен более чем в три раза превышать постоянную времени
разогрева всего паяльного инструмента после пайки. В случае использования паяльной станции или
полуавтомата с терморегулятором достаточно обеспечить перерыв между пайками, более чем в три раза превышающий постоянную времени разогрева
рабочего конца паяльного стержня.

В предположении отсутствия теплообмена
паяльного стержня с воздухом и нагревателем
нами предложена модель его нестационарного теплообмена с паяным соединением при
пайке. Выводы теории, как будет показано ниже,
хорошо согласуются с экспериментальными
данными.

В результате проделанной работы определена зависимость снижения температуры паяющего конца длинного стержня

при одиночной пайке Δt₁ = t_xx – t_n1 от его диаметра, материала и температуры пайки t_n1:

где

— интеграл вероятности;
Δt1_(x,τn)снижение температуры длинного
паяльного стержня при одиночной пайке
на расстоянии x от паяющего конца,
при времени пайки τ_n ; a₁ — коэффициент
температуропроводности материала стержня;
λ₁, λ₂ — коэффициенты теплопроводности материала стержня и провода соответственно;
_S1, S₂ — площади поперечного сечения стержня и провода соответственно; ρ₁, ρ₂ — плотность материала стержня и провода соответственно; c₁, c₂ — удельная теплоемкость материала стержня и провода соответственно.

Таким образом, из (2) заключаем, что параметр Δ_t1 пропорционален температуре
пайки t_n1, обратно пропорционален коэффициенту теплоусвоения

и площади
поперечного сечения стержня S₁, прямо пропорционален площади поперечного сечения
провода S₂ и коэффициенту его теплоусвоения

Для определения снижения температуры паяющего конца стержня паяльника Δt1^‘, изготовленного из любого другого материала, отличающегося коэффициентом теплоусвоения

от коэффициента меди

и произвольной площади поперечного сечения стержня S₁‘, удобно пользоваться приближенным соотношением, вытекающим из (2)
и справедливым для наиболее распространенных случаев, когда

согласно отраслевому стандарту на пайку электрорадиоизделий). То есть, в первом приближении снижение температуры паяющего (рабочего) конца стержня из материала-заменителя Δ_t1‘ при одинаковой температуре
холостого хода обратно пропорционально коэффициенту теплоусвоения примененного материала

и площади поперечного
сечения S₁‘ используемого стержня.

Как было сказано выше, результаты наших
исследований основаны на использовании модели теплового контакта двух теплоизолированных стержней. На практике стержень паяльного инструмента имеет теплообмен с нагревателем и воздухом. Поэтому необходимо
оценить погрешность, которую вносит теплообмен паяльного стержня с нагревателем и воздухом в исследованиях снижения его температуры при контакте с паяным соединением.

Постоянная времени паяльного стержня диаметром 3 мм, по данным [3,9,10] и результатам наших измерений, составляет τ_o ≈ 102 c.
Время же контактной пайки электрорадиоизделий обычно не превышает 3 с. В силу нарушения теплового баланса температура паяльного стержня, рассчитанная по модели без учета теплообмена с воздухом и нагревателем,
будет изменяться в течение 3τ_o ≈ 3×10² c, что
на два порядка превышает время исследуемого процесса.

Таким образом, пренебрежение теплообменом паяльного стержня с нагревателем и воздухом вносит ошибку не более процента, что
в несколько раз меньше погрешности эксперимента (около 5%).

Приведенная выше зависимость (2) для
снижения температуры паяющего конца
стержня паяльного инструмента от коэффициента теплоусвоения материала стержня дает возможность проанализировать целесообразность использования известных
материалов, но не по теплопроводности,
а по упомянутому произведению.

Анализ коэффициентов теплоусвоения различных металлов [9] показал, что и по упомянутому произведению медь занимает одно
из ведущих мест. Теоретически, материал
с большой удельной теплоемкостью, например литий, мог бы конкурировать с медью в качестве материала стержня, имея даже меньшую
теплопроводность. Кроме этого, целесообразным могло бы оказаться использование его
в качестве накопителя тепла для увеличения
общей теплоемкости паяльника (при сохранении относительно малых габаритов) и, следовательно, снижения скорости охлаждения паяльника при многократной пайке [3]. Однако
последнее предложение (большая стабильность
температуры паяльного инструмента в целом
при многократной пайке) более эффективно
решается использованием паяльных станций
с терморегуляторами [14–21].

Как было отмечено ранее, зарубежные фирмы-производители паяльного инструмента используют для основы стержней чистую медь.
Это объясняется тем, что согласно [10] чистая
медь при 200 _°С имеет коэффициент теплопроводности λ¹ = 390 вт/(м 6 °С), а медь загрязненная — только λ¹‘ = (52÷142)вт/(м 6 °C).
Таким образом, при одинаковых диаметрах паяльный стержень из грязной меди будет
иметь Δt₁‘ и, следовательно, разброс относительно среднего значения Δt₁‘

в несколько раз больше, чем Δt₁‘ из чистой меди.
Это негативно отразится на стабильности температуры пайки и, как следствие, на качестве
паяных соединений, а также на надежности
прибора.

Автором рассматривалась возможность замены меди в паяльных наконечниках на
бронзу. Лабораторные исследования показали, что, во-первых, эрозионная устойчивость
бронзы в расплавленном припое не выше,
чем у меди, во-вторых, согласно данным упомянутого источника [10], коэффициент теплопроводности бронзы, а следовательно, и коэффициент теплоусвоения значительно меньше, чем у меди.

В отличие от медного или бронзового
стержня паяльный стержень, изготовленный
по технологии ФГУП УЭМЗ, сохраняет свою
первоначальную форму и способность облуживаться бескислотным флюсом неопределенно долгое время.

В таблице 1 приведены коэффициенты теплоусвоения некоторых материалов [9, 22] и теоретические значения

Для проверки полученных соотношений был
проведен ряд экспериментальных работ. Так, например, если при использовании паяльного
инструмента с медным стержнем без заточки
d = 4 мм длиной более 2,5 см, временем пайки

менее 2,5 с и t_xx = 280 °С величина Δt₁ состави-
ла 20 °С, то для паяльного инструмента со стержнями 3 и 6 мм без заточки длиной более 2,5 см
при тех же технологических режимах были получены другие значения Δt_1′ (табл. 2). Получен-
ные экспериментальные данные в пределах погрешности эксперимента (около 5%) хорошо
согласуются с теоретическими.

Согласно отчету [24], оформленному на базе
лабораторных исследований в ЦЗЛ предприятия, применение в паяльном инструменте
стержня диаметром 2 мм позволяет примерно
в 2 раза уменьшить снижение температуры паяющего конца стержня по отношению к стержню диаметром 1,5 мм при контакте с паяными
соединениями, что отражено в заводской технологической инструкции и отраслевом стандарте по пайке электрорадиоизделий на печатные платы. Кроме этого, результаты обнаруженных закономерностей были положены
в основу введения дополнительной гаммы
стержней для паяльных инструментов вплоть
до диаметра 10 мм.

Таблица 2. Экспериментальные и теоретические
данные снижения рабочего конца медного,
алюминиевого и железного стержня паяльного
инструмента при контакте с одним и тем же паяным
соединением

Погрешность измерения Δt₁ измерительной
термопарой, расположенной на некотором
удалении от паяющей поверхности медного
стержня паяльника, составит следующие значения при времени пайки 2 с и среднего снижения Δt₁ = 30 °С [25]:
0,5 мм + 2% или 0,6 °С;
5,0 мм + 20% или 6 °С;
10,0 мм + 40% или 12 °С.

Таким образом, для уменьшения погрешности измерения Δt₁ необходимо максимально приближать измерительную термопару
к паяющей поверхности стержня паяльника.
Совершенно недопустимо говорить о температуре пайки, считывая показания с термодатчика паяльника, находящегося на значительном удалении от паяющей поверхности, например в зоне нагревателя.

Для проверки приведенных выше зависимостей были проведены эксперименты по определению Δt_1(x,τ) (рис. 3–4). Температура
стержня паяльника регистрировалась с помощью хромель-копелевых термопар в комплекте с самопишущим потенциометром типа
КСП-4 класса точности 0,25. Холодные спаи
термопар помещались в тающий лед. Диаметр
электродов термопар составлял 0,2 мм. Разработка методологии, планирование эксперимента и обработка результатов измерений проводились по литературе [26, 27].

1. Значения Δt₁/t_n1 обратно пропорциональны
отношениям квадратов диаметров паяль-
ных стержней (рис. 3).

Следствие. Выявленные зависимости могут
быть рекомендованы для выбора диаметра
сменного стержня паяльника при пайке конкретных соединений.

2. Результаты эксперимента по определению Δt₁для стержней диаметра 4 мм и длиной 40 мм без заточки при оплавлении припоя ПОС-61 в металлизированных отверстиях диаметра 1,0 мм (табл. 3).

Из таблицы 3 видно, что значения Δt1
(при постоянной tn1) для различных стержней
обратно пропорциональны произведениям

используемых материалов, а не отношениям λ.

Таблица 3. Теоретические и экспериментальные значения

Учитывая выявленную прямую зависимость Δt₁ от

и данные таблицы 1, следует отметить нецелесообразность использования в качестве стойких стержней паяльного
инструмента сплошных прутков из металлазаменителя [11]. Сохранить Δt1 можно, используя тонкие защитные покрытия на медном
стержне [28, 29].

3. Результаты эксперимента по определению
снижения температуры паяльного стержня на различном удалении от паяющего (рабочего) конца Δt_1(x,τ) приведены на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что расчетные значения
(сплошные линии) и экспериментальные данные (черточки и ромбики) в пределах погрешности эксперимента совпадают, подтверждая
зависимость (1).

Выводы

1. В результате проделанной работы определена зависимость снижения температуры
   паяющего конца стержня паяльного инструмента при одиночной пайке от его диаметра, материала и температуры холостого хода.
2. Определено распределение снижения температуры по длине стержня паяльного инструмента при одиночной пайке.
3. Показана обратная пропорциональная зависимость этого снижения от квадрата диаметра используемого стержня паяльного
   инструмента.
4. Установлено, что устойчивость температуры паяющего конца стержня паяльного инструмента в момент пайки определяется в равной степени как коэффициентом теплопроводности, так и удельной
   теплоемкостью и плотностью материала
   стержня.
5. Экспериментально показана независимость
   в пределах 5% величины охлаждения температуры рабочего (паяющего) конца
   стержня паяльника при контакте с паяным
   соединением от мощности и теплоемкости
   паяльного инструмента, наличия у него терморегулятора, если паяльный стержень достаточно длинный. По нашим данным, медный стержень можно считать длинным, если L ≥ 2,5 см при времени пайки τn ≤ 2,5 c,
   что обычно реализуется при использовании
   ручного паяльного инструмента.

Литература

1. Штенников В. Поправка к показаниям термодатчика паяльной станции // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
2. Штенников В. КПД паяльного инструмента // Компоненты и технологии. 2005. № 1.
3. Штенников В. Разогрев и охлаждение паяльного инструмента при пайке // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
4. Штенников В. Форсированный разогрев паяльного инструмента // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
5. Юдаев Б. Н. Теплопередача: Учебник для втузов. М.: Высшая школа. 1973.
6. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под общей ред. Григорьева В. А. и Зорина В. М. М.: Энергоиздат. 1982.
7. 7. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1990.
8. 8. Карслоу Г, Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука. 1964.
9. 9. Пехович А. И., Жидких В. М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия. 1976.
10. 10. Тадеуш Хоблер. Теплопередача и теплообменники. Л.: Госхимиздат. 1961.
11. 11. Манко Г. Пайка и припои. М.: Машиностроение. 1968.
12. 12. Максимихин Б. А.Технологические процессы пайки электромонтажных соединений. Л.: Энергия. Ленинград. отделение. 1980.
13. 13. Штенников В., Байдаков В. Г. Наука и производство. Повышение качества приборов втоматики // Компоненты и технологии. 2004. № 6.
14. 14. Штенников В. Тепловые характеристики современных паяльных станций // Компоненты и технологии. 2005. № 1.
15. 15. Сигаев А., Горбачев Ю. Новое поколение паяльных станций // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
16. 16. Тихонов В. Дороги, которые мы выбираем // Компоненты и технологии. 2001. № 3.
17. 17. Любимцев А. Термовоздушные и ремонтные станции HAKKO Corporation // Компоненты и технологии. 2003. № 9.
18. 18. Колесов Д. Больше чем просто паяльник // Компоненты и технологии. 2002. № 7.
19. 19. Любимцев А. Паяльные станции HAKKO Corporation // Компоненты и технологии. 2003. № 7.
20. 20. Любимцев А. HAKKO — паяльная техника, опережающая время // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
21. 21. Колесов Д. Паяльники с индукционным нагревом: смена поколений // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
22. 22. Штенников В. Материал для жал паяльных станций // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
23. 23. Физические величины: Справочник под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. З. М.: Энергоатомиздат. 1991.
24. 24. Отчет УЭМЗ № 280/522. По пайке микросхем 204 серии на МПП с ОКП. Исп. Штенников В. Н. 1981.
25. 25. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука. 1977.
26. 26. Соловьев В. А., Яхонтова В. Е. Элементарные методы обработки результатов измерений. Учебное пособие ЛГУ. 1977.