Эта статья написана для тех, кто решил заняться пайкой впервые, или имеет небольшой опыт в этой области. На эту тему написано много книг, но, чтобы спаять один или несколько контактов, все аспекты пайки изучать не нужно. Мы рассмотрим наиболее частые поломки бытовой техники и электро или электронных устройств. Например - восстановление обрыва в проводе блока питания или наушников. Объясним основные принципы пайки, чтобы вы могли обеспечить качественное и надежное соединение. В ваших интересах набраться терпения и потратить 8-12 минут своего времени, чтобы в будущем избежать повторного ремонта и сэкономить время и деньги.

Фотография того, как должны быть припаяны провода к блоку питания

Что такое пайка

Пайка - это процесс соединения двух материалов с помощью металла или сплава-посредника, называемого припоем, для получения неразъёмного соединения деталей с участием межатомных связей. Припой имеет более низкую температуру плавления, чем материал соединяемых деталей. Спаиваемые детали вводятся в соприкосновение, затем в зазор между ними вводится припой и обычно флюс. Место спайки нагревается до температуры плавления припоя и он смачивает поверхности деталей, затем после снятия нагрева припой, остывая, кристаллизуется, образуя соединение. Качество и прочность соединения сильно зависит от смачиваемости припоем соединяемых поверхностей и неподвижности соединения в момент остывания припоя (кристаллизации).

Условия хорошей смачиваемости при спаивания деталей

На качество пайки, в основном, влияет чистота деталей. Соединяемые детали не должны иметь какие-либо загрязнения (жир, масла, окислы и т.п.), которые можно убрать с помощью очистителей типа спирта, бензина или других подходящих для конкретного типа загрязнения. Место спайки должно иметь чистый металлический блеск. Удаления загрязнений (в основном оксидов) можно достичь механическим (абразивные материалы, наждачная бумага, лезвие), и химическим способом (с помощью флюса). Флюс дает дополнительно уменьшение поверхностного натяжения. Удалять загрязнения надо аккуратно, например при пайке светодиодной ленты, слой медной подложки достаточно тонкий и слишком усердная механическая зачистка сточит этот слой в ноль. Можно, конечно, использовать кислотный флюс, он хорошо удаляет оксидную плёнку металла, которой покрываются все металлы на воздухе. Оксиды образуются разной прочности и за разное время в зависимости от вида металла, влажности и температуры. При этом остатки этих активных флюсов (кислотных), как правило, очень коррозийны и требуют тщательного удаления после пайки, иначе место спайки со временем разрушится.

Виды припоя и флюсов, фото некоторых образцов флюса, припоя в виде шариков и проволоки

Мы не будем здесь рассматривать весь спектр флюсов и припоев, а только те, что нужны для соединения обычных медных проводов. При пайке проводов и радиодеталей, в основном, применяются оловянно-свинцовые припои и их принято обозначать в процентном соотношение олова к свинцу (пример ПОС60 - значит 60% олово, остальное свинец). Годятся припои от ПОС40 до ПОС90 - отличаются они температурой плавления и механическими характеристиками (прочностью, пластичностью). Температура плавления ПОС-40 — 238 °C, ПОС-61 — 183 °C, ПОС-90 — 220 °C. Чаще всего используется припой марки ПОС60-63. Самый известный из флюсов - канифоль - из-за своей низкой цены, безопасности (химически нейтральный, не проводящий ток), не требует удаления после пайки, не коррозийный. Хотя его обычно удаляют, чтобы визуально убедится в качестве пайки. Канифоль растворяет окислы меди и олова, применяется в твердом и жидком состояние (растворённая в спирте - флюс СКФ).

Не всегда провода делают из чистой меди, в целях экономии добавляют другие металлы и вещества подешевле. В результате обычная канифоль не обеспечивает хорошей смачиваемости припоем спаиваемых деталей. В этом случае можно применить флюс ЛТИ - он поможет легко спаять оцинкованные контакты, свинец, очищенное железо, нержавеющую сталь, гребенки контактов к платам ARDUINO и т.д., так как в состав входит спирт, канифоль, МАЛАЯ доза кислоты, триэтаноламин. Паяльная кислота, ортофосфорная или аналогичные - крайней вариант из-за возможности повредить радио-электронные компоненты. К примеру, если запаять радиодетали кислотой и забыть удалить остатки флюса после пайки или убрать их не полностью - получится мина замедленного действия. Через некоторое время контакты полностью разрушатся и устройство выйдет из строя без возможности восстановления.

Подготовка паяльника к пайке, фото медного и необгораемого жала - как должно быть

При подготовке паяльника нужно убедится, что жало чистое, не имеет окалины, нагара или других видов загрязнений рабочей части. Рабочая часть - кончик жала - должен быть покрыт слоем припоя (залужен). В зависимости от типа жала, подготавливается оно по-разному, может быть полностью медное или составное (необгораемое). Медное можно зачистить любым удобным способом (лезвие, наждачка, напильник). Медь достаточно мягкий металл и ему легко придать нужную форму, а, так как медное жало имеет свойство со временем достаточно быстро выгорать, его приходится периодически править. Но, не смотря на эти недостатки, медное жало обладает максимальной теплопроводностью и быстро нагревает нужный участок пайки, хорошо смачивается припоем. Это позволяет удерживать на паяльнике достаточно припоя без нужды дополнительно вводить его в точку пайки (за это очень любимо многими паяльщиками).

У необгораемого жала свои плюсы и недостатки. Оно состоит из медного сердечника и внешней оболочки, как правило из никеля. Оно и делает его практически вечным, обладает антикоррозийными свойствами и устойчиво к обгоранию. Тем не менее, эта броня медного жала требует бережного отношения, так как имеет относительно тонкий слой. Не следует перегревать жало по причине образования прочной оксидной пленки (обычно выглядит как синий налёт). И, если медное жало покрывается окалиной, которую просто зачистить, то тут всё несколько сложней. Окисленное жало припой уже не смачивает. Приходится применять активное лужение - кусочек припоя в баночку с канифолью и в него опускаем горячее жало. Нагретая канифоль разрушает оксидную пленку и жало покрывается снова припоем. Можно конечно не делать этого, ведь, как правило, необгораемым жалом мы не переносим припой в точку пайки, а вводим его туда в виде проволоки из припоя и плавим уже на на месте. К сожалению, оксидная пленка металла также является изолятором тепла и припой плавится трудней.

Можно увеличить нагрев жала (паяльники с терморегуляторами), но тут получится замкнутый круг. Мы увеличиваем температуру, чтобы нагреть место пайки и при этом увеличиваем скорость окисления жала, что ухудшает ещё больше теплопередачу. В качестве механической очистки несгораемого жала применяют специальные чистящие губки для паяльных жал. Можно просто хлопчатобумажную влажную ткань. Зачищать чем-то твердым (абразивным, шлифовальная шкурка или напильник) - лучше не надо, потом, как правило, жало можно выкидывать (необгораемый слой тонкий и его можно сточить полностью). Само никелевое покрытие не очень хорошо смачивается припоем (плохая адгезия), поэтому у хороших производителей кончик жала (часть жала, участвующую не посредственно в контакте с припоем) имеет более дорогой вид покрытия, у которого хорошая адгезия к припою. Это будет видно по разному цвету покрытия. Если вы видите, что ваш паяльник перегревается, вы можете включить его через регулятор мощности (диммер), можно купить у нас за 150 руб., ну или включить паяльник через диод типа 1N5408. Регуляторы мощности отдельная большая тема (в интернете хорошо освещена).

Наконец сама пайка, фото образца пайки провода

Техника безопасности. Чтобы не возникло пожара, нужно убрать все легковоспламеняющиеся предметы и жидкости с рабочего места. Для паяльника следует предусмотреть подставку, которая не будет загораться или плавится при контакте с горячим жалом. Никаких животных и детей в зоне возможного контакта с горячим паяльником. Хорошее освещение вам не помешает.

Основные пункты техники безопасности при пайке

Важно следить, чтобы горячее жало не соприкасалось с электрическими проводами как самого паяльника, так и других приборов, которые могут быть рядом. Это может привести к разрушению изоляции и переплавке провода. Можно испортить устройство и вызвать короткое замыкание.
Перед работой проверить, в каком состоянии находится провод инструмента, нет ли повреждений на корпусе, а также оценить состояние вилки. Это элементарный набор правил, который поможет сохранить жизнь человека, избежав удара током при использовании паяльника с напряжением выше 36 вольт. Обычные паяльники рассчитаны на 220в.
Паяльник всегда следует класть на подставку, это защищает горячий паяльник от случайного падения, перемещения, зацепа и так далее. Пригодятся как самодельные, так и специальные держатели, изготовленные из металла и дерева.
Нужно проветривать помещение, чтобы не возникало скопления вредных веществ. Канифоль и припой создают много испарений, в которых содержатся всевозможные токсины. Можно работать в респираторе, поставить дополнительную вытяжку или просто обеспечить хорошее проветривание помещения.

После того, как мы приготовили припой и нанесли флюс на место пайки, нужно нагреть это место паяльником. Включаем паяльник, время нагрева до рабочей температуры обычного паяльника типа ЭПСН 25-60 вт, составляет примерно 3-5 минут. Если вы выполнили все предыдущие пункты, вам нужно прислонить жало паяльника и нагреть точку пайки, припой должен расплавится и затечь между спаиваемыми деталями. Если у вас паяльник с медным жалом, вы можете предварительно захватить им нужный вам объём припоя. Учтите если вы пытаетесь расплавить достаточно большой кусок припоя (больше 5 грамм), понадобится время, чтобы весь кусочек нагрелся и расплавился. Если жало необгораемое, лучше попробовать метод внесением проволоки припоя в точку пайки, хотя и этот тип жала может нести небольшую часть припоя на себе. Старайтесь использовать именно ту форму жала, которая лучше подходит для размеров ваших деталей, чтобы не задеть соседние элементы или, наоборот, слишком долго не греть массивные элементы. Не смотря на то, что припой ПОС60 плавиться при 183 г°C, обычный паяльник разогревается от 250 до 450 °C, ему ведь нужно нагреть ещё и спаиваемые детали. Будьте осторожны.

Прочность и сопротивление паянного соединения

Обычный припой ПОС60-63 - имеет прочность ниже основного металла. Поэтому, если хотите обеспечить максимальную прочность паянного соединения, нужно создать максимально возможную площадь контакта спаиваемых деталей и минимальные зазоры. И, помните, электрическое сопротивление припоя выше медного проводника, не переусердствуйте с количеством припоя (не делайте дорожки и длинные контакты из него) - иначе вы увеличите сопротивление контакта. Это приведет к увеличению сопротивления току, падению мощности, повышенному нагреву контакта. При правильной пайке, сопротивление увеличивается не значительно и его не учитывают. Удельное электрическое сопротивление припоя ПОС60 равно 0,139 Ом х кв.мм./м у меди 0,01707…0,018 кв.мм./м; Теплопроводность равна 0,12 ккал/см х с х град; Временное сопротивление разрыву составляет 4,3 кгс/кв.мм.;Относительное удлинение равно 46 %.

Типовые дефекты пайки, Фото одного из дефектов

непропай - неполное заполнение зазора припоем, а также отсутствие контакта между припоем и основными деталями;
трещины - возникают под действием собственных напряжений в основном металле или вследствии вибраций, смещения в момент кристаллизации припоя
поры и раковины - вызываются выделением в процессе пайки газов, возникающих при испарение некоторых компонентов припоя и флюса. А также при недостатке припоя и слишком больших зазорах в точке пайки.
шлаковые и флюсовые включения - при плохой подготовке поверхности под пайку (есть загрязнения). При перегреве флюс, реагируя с основным металлом, переходит в шлак.