Семь шагов в электронику - [2]
С явлением смачивания читатель должен был познакомиться еще в школе. Если одно вещество смачивается другим, оно плотно прилипает к его поверхности, если же нет — поверхности этих двух веществ отталкиваются друг от друга.
Паять можно только те пары веществ, которые смачивают друг друга. Если смачивания нет— никакой механической прочности соединения невозможно получить в принципе. Управлять смачиванием в большинстве случаев нельзя — оно либо есть, либо его нет.
Например, для того, чтобы спаять две стеклянные или керамические детали, припой обязательно должен содержать в себе металл индий — никакой другой припой к керамике просто не прилипнет. Припои на основе олова смачивают большинство материалов, применяемых в электронике, однако на деле не все оказывается так просто.
Проблема при пайке сплавами олова заключается в том, что сами спаиваемые проводники находятся в атмосферном воздухе, а он — отнюдь не нейтральное вещество. Достаточно напомнить, что в воздухе присутствует 21 % кислорода, а он — второй по химической активности элемент после фтора. Поэтому спаиваемые металлические проводники неизбежно содержат на поверхности пленку различных химических соединений (чаще всего — окислов).
А будет ли смачивать эти окислы припой — очень большой вопрос. Поэтому перед пайкой эти химические соединения с поверхности проводника нужно удалить — не столько даже для обеспечения механической прочности, сколько для хорошего электрического контакта. Удаляются эти соединения либо механическим путем (зачистка поверхности проводника), либо химическим — путем воздействия на проводник соответствующего химического вещества, который в терминах пайки называется «флюсом».
К флюсу, применяемому при пайке, предъявляется ряд определенных требований. Каждый флюс имеет свою оптимальную температуру, при которой он наиболее эффективно очищает поверхность проводника.
Например, наиболее популярная канифоль (и флюсы на ее основе), имеет оптимальную температуру около 180–250 градусов. При более низкой температуре она не зачищает поверхность проводника, а при более высокой — начинает гореть.
Каждый вид флюса лучше справляется с определенным материалом проводника: канифоль хороша для медных проводников, а вот для пайки железа лучше использовать т. н. «паяльную кислоту» (раствор хлорида цинка).
Совершенно особые условия пайки и специальные флюсы необходимы для такого известного металла, как алюминий — пленка окиси на его поверхности не удаляется никакой механической обработкой, так так тут же образуется вновь (алюминий — химически очень активный металл). Если бы не совершенно особые свойства этой пленки (окись алюминия имеет твердость, близкую к твердости алмаза, температуру плавления около 2000 градусов, и в самом прямом смысле «спасает» металл от кислорода воздуха), то любая алюминиевая деталь за несколько минут рассыпалась бы в порошок.
Увы, то, что сделало алюминий незаменимым в машиностроении, напрочь закрыло ему дорогу в электронику — в электронных устройствах используются только медные провода.
Для обеспечения стабильных свойств паяного соединения используются сложные сплавы на основе олова. Чаще всего, второй компонент сплава — это свинец. Такой сплав, во-первых, имеет более низкую температуру плавления (например, сплав ПОС-60 плавится при температуре около 190 градусов, тогда как чистое олово — около 240, а свинец — около 320 градусов), а, во-вторых, чистое олово при низкой температуре изменяет свою структуру, постепенно рассыпаясь в порошок (это явление получило название «оловянная чума», и наиболее заметно при температуре -33 градуса).
По этой причине паять схемы (особенно предназначенные для работы на морозе) чистым оловом нельзя.
В сплаве со свинцом этого эффекта нет, но есть другая проблема — свинец ядовит. За рубежом сейчас широко применяются бессвинцовые припои (в основном с добавлением небольшого процента серебра). Эти припои, как правило, имеют еще более низкую температуру плавления, а переходное сопротивление паяного контакта у них значительно меньше (серебро, как известно — самый лучший проводник электрического тока). Кроме олова и свинца, в припоях могут присутствовать и другие элементы (обычно от долей до нескольких процентов), придающие им особые механические свойства.
Итак, в общих чертах процесс пайки выглядит следующим образом:
♦ приводим в соприкосновение два (или более) проводника, которые необходимо спаять
♦ наносим на них флюс, чтобы обеспечить химическую очистку поверхности проводников от посторонних химических соединений
♦ наносим на них расплавленный припой
♦ ждем остывания припоя
Ну а теперь — разберем каждую их этих стадий подробно, ибо, как известно, дьявол кроется в деталях.
Приводим в соприкосновение проводники. Специфическая особенность пайки в электронных устройствах заключается в той цели, с которой выполняется пайка, а цель здесь одна — обеспечить электрический контакт.
Если бы нам нужно было просто механическое соединение, проводники можно было бы и склеить!
Первый шаг нужно выполнить таким образом, чтобы обеспечить максимально большую площадь соприкосновения проводников — чем больше площадь соприкосновения, тем меньше будет переходное сопротивление контакта. Поэтому, если Вы спаиваете вместе два проводника, их нужно обязательно зачистить и плотно скрутить между собой (если проводники толстые, не поленитесь взять в руки плоскогубцы).
