Способы пайки по видам источников теплоты и способам нагрева

В зависимости от применяемого термического источника выделяют следующие способы пайки: паяльником, пламенем газовой горелки, дуговую пайку (с применением тепла электрической дуги), печную, электросопротивлением (с применением тепла, образующегося при пропускании тока через соединение), индукционную, электронно-лучевую, лазерную и другие.

Широкое применение в промышленности получила печная пайка. Это объясняется следующими преимуществами данного способа:

- высокой производительностью, что обусловлено возможностью пайки сложных изделий одновременно в нескольких местах или пай­ки большого количества однотипных изделий, загруженных в печь с помощью конвейера или других средств механизации;

- высокой стабильностью качества паяного соединения, что обеспечивает возможность высокоточного контроля температурных режимов пайки на любой стадии процесса, а также созданием контролируемой атмосферы при пайке (вакуума, восстановительной, инертной атмо­сферы);

- минимальными деформациями и остаточными напряжениями в паяных узлах в связи с равномерным нагревом и охлаждением.

Для пайки применяют печи с электроподогревом (электросопротивлением), индукционные, газопламенные.

Особо следует выделить пайку в вакуумных печах.

В промышленных вакуумных печах в зависимости от применяемых насосов (форвакуумные насосы, высоковакуумные паромасляные агрегаты, высоковакуумные дуговые насосы) остаточное давление поддерживается на уровне от 10^-2… 10^-4 мм рт. ст.

Преимущества вакуумной пайки:

защита деталей от окисления, от обезуглероживания (для ста­лей);

получение более плотных, коррозионно-стойких и прочных пая­ных швов;

возможность изготавливать паяные детали из трудно паяемых другими способами металлов.

Недостатки вакуумной пайки:

• в вакуумных печах не рекомендуется паять детали из сплавов, со­держащих металлы с высокой упругостью паров (цинк, магний, мар­ганец), легко испаряющиеся при пайке. Поэтому же нельзя приме­нять припои, в состав которых входят указанные элементы.

• низкая производительность процесса. Это связано, в частности, с тем, что спаянная деталь охлаждается вместе с печью, а из-за низкой тепло­проводности вакуумного пространства рабочей камеры охлаждение происходит в течение нескольких часов. Однако при медленном охла­ждении можно до минимума свести коробления сложных крупногаба­ритных конструкций.

Последнего недостатка лишен способ пайки в контейнерах. В герметичных контейнерах можно создавать вакуум или контроли­руемые среды. Быстрое охлаждение осуществляется в результате вы­емки контейнера из печи по окончании процесса пайки либо после не­которого остывания в печи.

При индукционной пайке нагрев паяемого узла производится с помощью водоохлаждаемого индуктора (изготавливается из медной трубки), по которому протекает ток высокой частоты (т.в.ч.), вырабатываемый генератором токов высокой частоты (ТВЧ-генератором). При этом в приповерхностных слоях паяемых деталей индуцируются вихревые токи (токи Фуко), которые, собственно, и обеспечивают их нагрев. В зависимости от конструкции и размеров узлов применяются индукторы различных типов (рис.3.10). Нагрев определяется мощностью генератора, расстоянием (зазором) между индуктором и деталями, а его глубина – частотой тока.

Рис.3.10 Некоторые типы индукторов для индуктивной пайки:

а- наружный, б- внутренний, в- плоский

Основные преимущества такого способа нагрева:

большая скорость нагрева;

локальность нагрева;

процесс легко автоматизируется;

пайку можно вести в любой среде.

С учетом неравномерной плотности индуцируемых т.в.ч. по сечению нагреваемого объекта нагрев массивных паяемых деталей ведется с контролируемой скоростью с целью обеспечения выравнивания температур нагрева внешних и внутренних областей деталей. Другими недостатками индукционной пайки являются:

- наличие деформаций и напряжений вследствие неравномерного нагрева паяемой конструкции;

- трудности точного контроля и регулировки температурного ре­жима вследствие высокой скорости нагрева;

- ограниченные возможности пайки крупногабаритных и сложных по форме конструкций.

При пайке электросопротивлением спай нагревается за счет выделяющейся в контакте между дета­лями теплоты, образующейся при пропускании через соединение электрического тока (рис.3.11).

Рис.3.11 Схема пайки электросопротивлением:

а- на контактных машинах, б- с использованием сварочных трансформаторов:

1- электроды, 2- детали, 3- припой, 4- трансформатор

При данном методе пайки могут использоваться машины для контактной сварки (рис.3.11 а) и свароч­ные трансформаторы ( рис.3.11б).

Электроды изготавливают из меди (для пайки стальных деталей) или графита (для медных деталей малого сечения). Для обеспечения надежного электрического контакта между электродами и деталями, так же как и при электроконтактной сварке, соединяемые детали сжимают усилием Р. Сила тока и продолжительность его включения выбираются с таким расчетом, чтобы расплавить припой и прогреть соединяемые кромки, не перегревая близлежащие участки изделия, чувствительные к перегреву.

Данный способ пайки оказался удобен и широко применяется для соединения небольших деталей: в радиоэлектронике (при монтаже интегральных схем, пайке проводов, контактов, деталей приборов), деталей точных механических устройств, твердосплавного инструмента, оптических приборов и пр.

При электронно-лучевой пайке необходи­мая теплота выделяется в поверхностном слое паяемых деталей при торможении быстролетящих электронов, ускоренных высоким напря­жением между катодом и анодом.

Пайка, выполняемая в вакуумных камерах при разрежении 1,3∙10^-2…1,3∙10^--4 Па, может осуществляться сфокусированным непод­вижным или сканирующим лучом (рис.3.12).

Преимущества метода:

возможность локальной пайки изделий в электронной и радио­технической промышленности, деталей из тугоплавких металлов, металлокерамики. Так, пучок электронов может фокусироваться на участке диаметром до 0,01 мм при удельной мощности до 500 МВт/м;

время нагрева и плавления может быть существенно сокращено, что важно для чувствительных к нагреву тугоплавких металлов;

отсутствие тепловой инерционности, обеспечивающее возмож­ность достаточно точно управлять процессом нагрева в автоматиче­ском режиме.

Недостатки метода:

• сложность и высокая стоимость установок из-за необходимости получения вакуума и управляющих систем высокой точности;

• низкая производительность процесса.

Электронно-лучевая пайка успешно применяется, например, для соединения электрических выводов с контактными площадками пленочных мик­росхем, для пайки сильфонных конструкций, при производстве компакт­ных трубчатых теплообменников из стали типа X18H10Т в топливо-масляных системах авиационных двигателей и системах кондициони­рования воздуха.

Рис.3.12 Электронно-лучевая установка ЭЛУ-20А

Пайка лазером. Нагрев паяемых деталей с помощью лазера - оп­тического квантового генератора - наиболее рационален для микроми­ниатюрных деталей, контактов и пр. Диапазон длины волны в лазе­рах для технологических целей составляет обычно 0,4—10,6 мкм. Схе­ма пайки лазерным лучом антенного провода к пластине прибора приведена на рис.3.13.

Рис.3.13 Схема пайки привода лазерным лучом

Пайка осуществляется следующим образом. На пластину 2 кладут провод 3, а с двух сторон от него - по кусочку припоя /; на припой и провод ставят ограничивающий цилиндр 4. Лазерный луч из источни­ка 8 проходит первую конденсационную линзу 7 и уменьшается в диа­метре до диаметра стекловолокна 6. Пройдя по стекловолокну и изме­нив направление на 90°, лазерный луч проходит через вторую конден­сационную линзу 5, увеличивающую его диаметр до внутреннего диа­метра ограничивающего цилиндра.

При лазерной пайке происходит локальный равномерный нагрев припоя без перегрева. Скорость нагрева паяемого материала дости­гает 10¹⁰ °С/с, скорость охлаждения – 10⁶°С/с.

При пайке конструктивно-сложных изделий в ряде случаев ис­пользуют устройства, в которых луч лазера после выхода из генерато­ра с помощью составной линзы разделяется на несколько лучей, каж­дый из которых по стекловолокну подается на свою фокусирующую линзу и фокусируется ею на припой и слой флюса.

В настоящее время основная область применения лазерной пайки - очень мелкие конденсаторы, элементы печатных плат, соединения ин­тегральных схем и другие, пайка выполняется под микроскопом в чрезвычайно тонком поперечном сечении.

Преимущества метода:

• локальный концентрированный нагрев и точное дозирование те­пловой энергии;