Lutowanie to zaskakująco łatwa umiejętność do zdobycia, pod warunkiem, że wiesz, co robisz. To ostatnie ma kluczowe znaczenie, ponieważ statek polega na manipulowaniu komponentami o wytrzymałości na maksymalnie 250 ° F za pomocą narzędzia, które działa w temperaturze 65 ° F.
Margines błędu jest tu dość niewielki, a błędy często katastrofalne i kosztowne, co zniechęca większość początkujących do przetrwania przy początkowych niepowodzeniach. Można tego jednak całkowicie uniknąć, już na wstępie zapoznając się z podstawami.
Czytaj dalej, aby poznać podstawy lutowania i oszczędzić sobie okropności zwęglonej elektroniki i nieudanych snów.
Dlaczego warto zawracać sobie głowę lutowaniem?
Na najbardziej podstawowym poziomie lutowanie tworzy niezawodne połączenia elektryczne (a co za tym idzie mechaniczne) między przewodzącymi metalowymi elementami. Wiąże się to z połączeniem pary przewodów lub elementu elektronicznego na płytce drukowanej (PCB).
Krytyczni myśliciele wśród was mogą się zastanawiać, dlaczego po prostu nie skręcić ze sobą przewodów lub przymocować komponentów do płytek drukowanych za pomocą nakrętek i śrub. Z tym podejściem wiążą się dwa główne problemy. Po pierwsze, takie połączenia nie są stabilne mechanicznie pod wpływem ruchu lub wibracji. Po drugie, chociaż mechanicznie sprawne, elementy złączne w ogóle nie są stabilne elektrycznie.
Poszukiwaliśmy danych wejściowych od Dr Lakshmi Narayan Ramasubramanian od Wydział Inżynierii Materiałowej w Indyjskim Instytucie Technologii Delhi, dla jasności niektórych bardziej technicznych aspektów lutowania.
Wrażliwa elektronika absolutnie potrzebuje połączeń elektrycznych o niskiej rezystancji, aby utrzymać stałą przewodność przez cały okres użytkowania produktu. Jest to trudne do osiągnięcia przez proste łączenie elementów za pomocą łączników. Nieunikniona szczelina powietrzna między elementami w takich złączach prowadzi do utleniania (lub rdzy w przypadku metali żelaznych), co znacznie zmniejsza przewodność elektryczną. Te przeszkody sprawiają, że lutowanie jest niezbędne w zastosowaniach elektroniki precyzyjnej niskiego napięcia.
Związane z: Jak zaktualizować drukarkę 3D Ender-3?
Kiedy lutujesz dwa elementy, sam lut łączy się z metalem (zwykle miedzią), tworząc całkowicie nowy stop. Lutowanie zasadniczo wiąże elementy na poziomie molekularnym, nie pozostawiając szczeliny powietrznej, a tym samym eliminując możliwość utleniania. Dodatkowa stabilność mechaniczna to bonus powitalny.
Spajanie metali przez stapianie ich razem jest ryzykowną propozycją, biorąc pod uwagę, jak większość elementów półprzewodnikowych jest przystosowana do pracy w maksymalnej temperaturze 250 ° F. Używanie ciepła do łączenia wyprowadzeń zintegrowanego chipa z padami na płytce drukowanej nie jest możliwe, ponieważ miedź topi się w łzawiących temperaturach 1984°F. Z pewnością usmażysz element na długo przed stworzeniem niezawodnego połączenia.
Tutaj w grę wchodzą unikalny skład i właściwości termodynamiczne lutowia.
Lut to stop eutektyczny składający się z ołowiu i cyny. Bit eutektyczny jest ważny, ponieważ umożliwia stopienie stopu w znacznie niższej temperaturze w porównaniu z metalami składowymi. Podczas gdy czysty ołów i cyna topią się odpowiednio w temperaturze 620°F i 450°F, stop lutowniczy składający się z tych dwóch metali zmieszanych w stosunku 63:37 zaczyna płynąć już przy 361°F.
Podczas gdy lutowanie może wydawać się, że polega na topieniu miedzianych drutów lub wyprowadzeń komponentów na płytce drukowanej, w rzeczywistości proces działa poprzez wykorzystanie działania rozpuszczalnika metalu lutowia. Kiedy gorący lut jest wprowadzany do miedzianych wyprowadzeń, działa on jak rozpuszczalnik przenikający i rozpuszczający odsłonięte powierzchnie miedziane. To działanie rozpuszczalnika łączy je na poziomie molekularnym, tworząc całkowicie nowy stop w warstwie międzymetalicznej.
Zjawisko to nazywane jest działaniem zwilżającym i jest absolutnie kluczowe dla procesu lutowanie — czyli przekształcanie różnych elementów w ciągłą i przewodzącą elektryczność bryłę stop hybrydowy.
Związane z: Ekscytujące projekty DIY Electronics do rozwiązania poniżej 15 USD
Pokonanie utleniania za pomocą topnika
Działanie lutowia na rozpuszczalniki metali jest podstawą udanych połączeń lutowanych. Jednak w praktyce lut nie może sam zainicjować działania zwilżającego. Proces ten jest katalizowany przez dostarczanie ciepła zarówno do przewodów lutowniczych, jak i miedzianych.
Jest to problem, ponieważ ciepło powoduje również szybkie utlenianie odsłoniętych powierzchni miedzi w obecności powietrza. Powstała tlenkowa warstwa graniczna działa jak bariera uniemożliwiająca zwilżanie. Problem pogarsza się z brudem, brudem, olejkami do palców, tłuszczem i innymi zanieczyszczeniami obecnymi na powierzchniach komponentów. To dodatkowo hamuje działanie rozpuszczalnika metalu wymagane do udanego połączenia lutowanego.
Możesz spróbować szorować powierzchnie do czysta, ale natkniesz się na zupełnie nową warstwę tlenku w momencie ponownego podgrzania miedzianych przewodów. Gdyby tylko był sposób na usunięcie warstwy tlenku podczas lutowania. Cóż, dokładnie to robi strumień.
Topnik składa się z kalafonii, która jest stałą formą żywicy pozyskiwanej z roślin. Na potrzeby elektroniki kalafonia jest stosowana samodzielnie lub w połączeniu z łagodnymi aktywatorami, które pozwalają otrzymanemu topnikowi pozostać niekorozyjnym i nieprzewodzącym w temperaturze pokojowej. To samo staje się wystarczająco aktywne, aby chemicznie wypłukać tlenki i inne zanieczyszczenia po dostarczeniu wystarczającej ilości ciepła.
Kiedy pokrywasz topnikiem powierzchnie przeznaczone do lutowania, ciepło zastosowane podczas procesu lutowania katalizuje topnik i usuwa zanieczyszczenia. To odsłania czystą miedź i umożliwia działanie zwilżające. Topnik można nakładać na elementy przed lutowaniem, ale jest również wprowadzany podczas procesu przez sam drut lutowniczy.
Większość nowoczesnych drutów lutowniczych ma wewnętrzny rdzeń wypełniony topnikiem kalafonii, który jest automatycznie dozowany podczas lutowania.
Kiedy lutować, a kiedy nie lutować
Teraz, gdy poznaliśmy podstawy naukowe lutowania, równie ważne jest, aby wiedzieć, kiedy lutować, a kiedy jest to zły pomysł. Wszystko, co obejmuje płytki drukowane, jest prawie wyłącznie lutowane. Proces ten zapewnia doskonałą przewodność elektryczną i dobry stopień mechanicznego mocowania, jednocześnie znacznie zmniejszając ogólny rozmiar projektów elektronicznych.
Czasami jednak opłaca się wiedzieć dokładnie, kiedy nie należy uciekać się do lutowania.
Chociaż przewody można lutować ze sobą lub na płytkach drukowanych, należy ponownie rozważyć, gdy żądane zastosowanie wiąże się z dowolnym stopniem ruchu lub wibracji. Zastosowania motoryzacyjne, robotyka i drukowanie 3D są świetnymi przykładami, w których lutowanie jest zwykle ograniczone do płytek PCB i jest kategorycznie unikane w przypadku wszystkich zakończeń kabli.
Dzieje się tak, ponieważ połączenia lutowane są twarde, ale kruche i dlatego podatne na zmęczenie zginające. Zdecydowanie nie jest to pożądana cecha dla połączeń elektrycznych narażonych na ciągłe wibracje i ruch. Kable lutowane w takich zastosowaniach podlegają zmęczeniu zginającemu, a w konsekwencji zawodzą na kruchych połączeniach.
Właśnie dlatego końcówki kablowe podlegające takim siłom są w tych zastosowaniach zaciskane, a nie lutowane.
Choć może to brzmieć sprzecznie z intuicją, lutowanie nie jest jedynym sposobem na uzyskanie gazoszczelnych i odpornych na utlenianie połączeń. Ogromne ciśnienie generowane podczas zaciskania topi miedziane przewody na poziomie molekularnym, co czyni je idealnie gazoszczelnymi.
W rzeczywistości połączenia zaciskane są lepsze zarówno pod względem mechanicznym, jak i elektrycznym od ich lutowanych odpowiedników, a jednocześnie są odporne na zmęczenie zginające. Dr Ramasubramanian wymienia brak związków międzymetalicznych w połączeniach zaciskanych jako główny powód, dla którego interfejs z czystej miedzi wykazuje lepszą przewodność w stosunku do połączeń lutowanych.
Wyjaśnia również, że połączenie miedź-miedź połączeń zaciskanych jest z natury silniejsze, ponieważ podobne atomy mają tendencję do tworzenia silnych, stabilnych wiązań. Z drugiej strony, odmienne atomy miedzi, ołowiu i cyny występujące w połączeniach lutowanych tworzą się stosunkowo słabsze wiązania, które są pod stałym naprężeniem, co z kolei przyspiesza pękanie zmęczeniowe pod wpływem mechanicznym naprężenie.
Związane z: Przewodnik dla początkujących po drukarkach 3D Voron dla majsterkowiczów
Dlatego też w komorze silnika pojazdu nie znajdziesz ani jednego przylutowanego zakończenia kabla. To samo dotyczy drukarek 3D i wszelkich innych urządzeń podlegających ciągłym wibracjom i ruchom.
Im więcej wiesz
Znajomość podstawowej mechaniki lutowania i tego, kiedy należy ją zastosować w swoich projektach, będzie stanowić różnicę między sukcesem a setkami dolarów na uszkodzoną elektronikę.
Jeśli interesujesz się elektroniką, potrzebujesz lutownicy. Oto najlepsze lutownice dla Ciebie.
Czytaj dalej
- majsterkowanie
- Elektronika
Nachiket w swojej 15-letniej karierze zajmował się różnymi technologiami, od gier wideo i sprzętu komputerowego po smartfony i majsterkowanie. Niektórzy twierdzą, że jego artykuły o majsterkowaniu służą jako wymówka, by przekazać żonie swoją drukarkę 3D, niestandardową klawiaturę i uzależnienie od RC jako „wydatki biznesowe”.
Zapisz się do naszego newslettera
Dołącz do naszego newslettera, aby otrzymywać porady techniczne, recenzje, bezpłatne e-booki i ekskluzywne oferty!
Kliknij tutaj, aby zasubskrybować