Печь для пайки оплавлением (reflow soldering)

Автоматическая печка на базе бытового ростера (электрической мини-духовки) для пайки мелких серий печатных плат — от одной до нескольких штук — с использованием паяльной пасты. Поддержка нескольких температурных профилей, измерение температуры паяемой платы с высокой точностью, индикация текущей температуры, звуковая сигнализация окончания процесса и возможность подключения по USB для управления и обновления прошивок.

Пайка паяльной пастой — один из самых распространённых и удобных способов как серийной, так и штучной сборки печатных плат, на которых доминируют компоненты для поверхностного монтажа. По сравнению с обычным паяльником, пайка пастой позволяет сильно разгрузить голову и руки (весь процесс сборки разбивается на несколько отдельных этапов, и не надо больше постоянно метаться между платой, кассетницей с деталями, паяльником и банкой флюса — сначала наносится паста, потом ставятся детали, потом всё отправляется в печку), без особых проблем собирать платы с очень высокой плотностью монтажа (когда к отдельным деталям подлезть паяльником, не задев соседей, уже попросту трудно — при пайке пастой достаточно, чтобы деталь можно было поставить на место пинцетом или вакуумным манипулятором), вручную собирать платы с компонентами практически любого размера, пропаивать платы с большими земляными полигонами и толстой фольгой (70 и 105 мкм, например), делать контактные площадки меньшего размера, чем под пайку паяльником — и прочая, и прочая. Это, конечно, не панацея от всех бед, но если у вас на платах преобладают SMD — попробовав, к паяльнику вы пряд ли вернётесь. Лично я уже даже мелочь на пару десятков деталей паяю в печке.

Увы, основной этап пайки — прогрев платы в печке до температуры 210—220 градусов (для свинцового припоя) по специальном термопрофилю, но промышленные печки даже стоят довольно безумных денег, начиная где-то с пары тысяч долларов за настольный вариант. Это нормально для регулярного производства, но как-то, мягко говоря, многовато для людей, собирающих электронику в штучных количествах или тиражами в три-пять штук. Китайские печки можно найти за 300—400 долларов (плюс доставка из Китая почтой — ещё полтинник), они маленькие и аккуратные, но на них масса жалоб из-за плохой равномерности прогрева (что довольно ожидаемо: во-первых, китайцы умудряются делать ляпы в абсолютно неожиданных местах, во-вторых, в печке с маленьким внутренним объёмом действительно трудно добиться равномерного нагрева).

Проблемы с качеством китайских печек и ещё большие проблемы со стоимостью не китайских вылились в то, что многие электронщики-любители делают себе печки для пайки оплавлением самостоятельно — добавляя к обычному бытовому ростеру (электрической мини-духовке) автоматический контроллер температуры. Стоит такой ростер производства того же Китая 50—80 долларов, продаётся в обычных магазинах бытовой технике, нагрев до 220 градусов обеспечивает без каких-то дополнительных мер, причём за счёт медленного нагрева и большого внутреннего объёма ростера прогрев платы получается весьма равномерным.

Переделка ростера в печь для пайки обычно упирается в контроль температуры. Пайка оплавлением идёт в несколько этапов — как правило, сначала плата прогревается до 130—150 градусов, потом выдерживается минуту-две с медленным повышением температуры до 150—160 °C, чтобы дать флюсу испариться из паяльной пасты, прогревается до 210—220 °, выдерживается при этой температуре 10—20 секунд, а потом охлаждается до комнатной температуры. Пытаться контролировать этот процесс родным термостатом ростера абсолютно бессмысленно — он меряет температуру даже не в основном объёме печки, а сбоку от него, в то время как нам надо мерять даже не температуру воздуха, а температуру самой платы. Кто-то берёт мультиметр с термопарой и рулит печкой вручную по его показаниям, кто-то ставит готовый PID-регулятор, опять же с термопарой, устанавливает на нём температуру 220 градусов и следит за прогревом, кто-то делает или покупает полноценный контроллер, максимально автоматизирующий работу печки. Я ленив, а потому люблю автоматизацию — правда, попытка купить готовый контроллер за разумные деньги не увенчалась успехом, пришлось делать самому.

В качестве печки у меня используется Rolsen KW-2620 — самая дешёвая печка мощностью 1500 Вт и вентилятором принудительной конвекции. Все потроха, кроме выключателя, вентилятора и собственно ТЭНов (их в KW-2620 четыре штуки, соединены попарно), извлечены и выброшены. Кстати, несмотря на дешёвые материалы (металл легко гнётся пальцами), сделана печка довольно аккуратно, «соплей» нет, все провода заизолированы.

Rolsen KW-2620 со снятой крышкой

После потрошения щели и дырки внутреннего отсека печки были заделаны высокотемпературным (до 1500 °C) герметиком, чтобы снизить потребную мощность и уменьшить нагрев внешнего корпуса печки.

Для управляющей электроники за основу взят контроллер разработки Дэниеля Стросера — один из немногих подобных проектов с аккуратно написанным ПО. По сравнению с оригиналом, слегка изменена прошивка и сделана собственная плата:

  • так как готовые контроллеры типа Teensy в России купить проблематично, то по-любому плату под микроконтроллер проще и быстрее сделать с нуля, заодно поставив на неё и силовую обвязку;
  • твердотельные реле очень дороги, но в данном случае легко и непринуждённо заменяются на симистор и контроллер типа MOC3063;
  • термопарные термометры типа MAX6675 дороги и в продаже есть не везде и не всегда, поэтому проще подключить термопару к дифференциальному усилителю на ОУ, температуру холодного спая измерять термометром типа TMP37, а итоговую температуру считать линейной аппроксимацией (у термопар K-типа в диапазоне 25—250 °C линейность отличная);
  • принципиальной необходимости регулировать верхний и нижний ТЭНы независимо нет;
  • добавлена синхронизация контроллера с питающей сетью, которая у Дэна предусмотрена в прошивке, но не сделана в железе.

Готовый контроллер старой версии: много всего на шлейфиках, питание от трансформатора

Контроллер новой версии: всё на одной плате, импульсный БП 90—264 В, дополнительное реле, все внешние подключения на быстроразъёмных клеммах

Контроллер новой версии: всё на одной плате, импульсный БП 90—264 В, дополнительное реле, все внешние подключения на клеммах

Контроллер новой версии: всё на одной плате, импульсный БП 90—264 В, дополнительное реле, все внешние подключения на быстроразъёмных клеммах

Кроме того, контроллер был адаптирован под автономную работу, без USB-подключения: к нему добавлены кнопки, светодиоды индикации текущего режима, а также текстовый двухстрочный ЖК-экранчикуразмером 16×2. В принципе, для работы достаточно и одной кнопки «Пуск/Стоп», но наличие пары позволяет делать какие-нибудь удобные вещи — типа выбора температурного профиля из нескольких заранее прописанных в EEPROM или ручной установки температуры печки.

В процессе пайки

Выбор части компонентов обусловлен их использованием в других проектах (симисторы BTA26 в корпусе TOP3, например). В качестве датчика температуры может использоваться как термопара К-типа, так и платиновый терморезистор (RTD) — в первом случае конденсаторы C15, C16, C11 и C14 не устанавливаются, а IC3A не используется (термопара подключается к контактам 6 и 8 разъёма CON1) — но практически в текущей версии прошивки реализована только работа с термопарой. Во втором случае IC3A играет роль источника тока для RTD, который подключается к контактам 8-10 и 4-6 разъёма CON1, причём MCP617 (Uсм < 150 мкВ) можно заменить на что-нибудь более дешёвое и распространённое. Схема питается от трансформатора 220/6В, подключаемого к контактам AC1 и AC2, нагреватели печки соединяются параллельно и подключаются к контактам H1 и H2. Резисторы R8—R11 желательно брать с допуском не более 1 %. В качестве радиатора вместо HS118-30 можно использовать более мелкий. Используемый симистор имеет изолированный от радиатора кристалл и встроенный снаббер, при замене его на другие типы симисторов это необходимо учитывать. Микроконтроллер тактируется на 16 МГц, в его конфигурации отключены DIV8, JTAGEN и HWBEN. К CON2 подключаются кнопки (срабатывание — замыкание на «землю») и знакосинтезирующий ЖК-экранчик на контроллере HD44780, KS0066U или совместимом. [caption id="attachment_2563" align="aligncenter" width="670" caption="Первая плата в печке перед пайкой"][/caption]

В прошивке контроллера на данный момент реализованы:

  • работа с термопарой K-типа (с линейной аппроксимацией);
  • базовые возможности по калибровке термопар с сохранением результата в EEPROM микроконтроллера;
  • автономная работа без USB-подключения;
  • обновление прошивки по USB (через стандартный DFU bootloader);
  • звуковая индикация начала охлаждения (при подключении вместо LED2 пищалки типа Sonitron SMA-13 или аналогичной);
  • вывод текущей температуры, режима, оставшегося времени и целевой температуры на экранчик размером 2×16;
  • три профиля — два для свинцовой (отличаются скоростью нагрева) и один для бессвинцовой пайки (отличается большей температурой);
  • ручное управление: установка температуры от 50 до 250 °C с шагом 5 °C
  • базовая защита от обрыва или КЗ термопары: если целевая температура превышает текущую на 25 °C или более, печка останавливается.

Пайка

Чего в прошивке пока нет:

  • возможности загрузки новых профилей и редактирования имеющихся без перекомпиляции прошивки;
  • может быть, чего-то ещё.

В целом же для организации пайки пастой вам потребуются:

Паяльная паста. Легко доступных в продаже паст — с полдюжины марок, они отличаются консистенцией, флюсами, размером частиц припоя и, наконец, упаковкой. Я пользовался дешёвой китайской пастой, известной под названием «BGA OZ» и поставляемой в маленьких баночках, дорогой некитайской пастой EFD SolderPlus 62NCLR-A, фасуемой в шприцы, в закромах Родины лежит также среднебюджетная китайская паста Baku, которую пока не пробовал. Между BGA OZ и EFD разница очень большая — BGA OZ намного жиже (и потому её трудно сколь-нибудь точно дозировать), при пайке в печке мутнеет и слегка разбрызгивает вокруг собственный флюс. EFD легко дозируется, после оплавления даёт очень чистую пайку с зеркальным блеском. Китайская Baku до сих пор не попробована потому, что китайцы с присущим им талантом делать ляпы в неожиданных местах расфасовали её в шприцы, но немного забыли сделать на них резьбу под иголку — поэтому, чтобы использовать Baku в паре с пневматическим дозатором, её надо сначала передавить в нормальный шприц. Вывод просто: на пасте экономить не надо. Если вам надо много — лучше найти, где купить 500-граммовое ведёрко качественной, чем плясать с 50-граммовыми баночками китайской.

Средство нанесения пасты на плату. В основном их два — пневматический дозатор и скребок. Первый подходит для работы с единичными экземплярами, второй — с серией. Пневматический дозатор дешевле всего купить у китайцев на eBay — их там продаёт собственно производитель, Teli Dispensing Asia Ltd. Сразу же купите к нему шланг для шприцов объёмом 10cc (cc — кубический сантиметр), потому как в комплекте с дозатором дадут только на 30cc, а паста в розничной продаже обычно фасуется в 10cc. Также с дозатором вам дадут три пустых шприца 30cc и набор всевозможных иголок (иголки потом можно докупить отдельно у тех же китайцев). Дозатор несамостоятелен, ему на вход надо подавать сжатый воздух с давлением 6—7 атмосфер — для этого вам потребуется воздушный компрессор с ресивером (т.е. дешёвые автомобильные отпадают, они не умеют давать на выходе постоянное давление) — у меня это Fubag Paint Master Kit, но в принципе вариантов много, если пороетесь в гугле, найдёте массу вариантов вообще самодельных, сделанных из автомобильных или холодильных (низкопроизводительные, зато тихие!) компрессоров. Компрессор подключается к дозатору, дозатор — к шприцу с пастой, и остаётся только подобрать сочетание давления (оно регулируется на дозаторе) и диаметра иглы, чтобы паста выдавливалась равномерно, но не слишком быстро. Дозатор управляется ножной педалью или надеваемой на шприц кнопкой и умеет сам делать отсечку через заданный интервал (правда, мне проще ставить его в ручной режим, когда он давит пасту столько, сколько нажата кнопка), а также каждый раз сбрасывать давление в шприце до атмосферного, чтобы паста не давилась, когда не надо.

Скребок — это средство для быстрого и очень точного нанесения пасты. Минус его в том, что для использования скребка нужен трафарет — тонкий стальной лист с прорезанными отверстиями, изготовление которого стоит некоторых денег. Но если вы делаете десяток-два плат под коммерческий проект, трафарет становится оправданным, так как паста наносится на всю плату буквально за минуту: кладёте плату на стол, накладываете сверху трафарет (подложив вокруг несколько ненужных кусков текстолита или просто негодных плат, чтобы у него края не продавливались), буквально вываливаете сверху шлепок пасты и скребком протягиваете его вдоль трафарета, втирая в его отверстия. Помимо скорости, трафарет имеет ещё одно достоинства — он уменьшает шансы образования перемычек между выводами микросхем практически до нуля, так как паста наносится только на сами контактные площадки, но не между ними. Пасту для трафарета, естественно, удобнее покупать в ведёрке. В качестве скребка можно использовать продающиеся в любом хозяйственном скребки для чистки стеклокерамических варочных поверхностей.

Некоторые безумные люди также давят пасту вручную из шприца, но даже для жидкой «BGA OZ» это — мучительное занятие, развивающее терпение, послушание и мышцы большого пальца правой руки, а с более густыми пастами у вас просто палец отвалится раньше, чем вы закончите первые две микросхемы.

Средство установки компонентов на плату. Ну, это я громко сказал. Обычный пинцет или вакуумный манипулятор. Особо точно позиционировать не обязательно — поверхностное натяжение при пайке само всё выровняет.

Печка с контроллером. Контроллер можно купить у меня, печку — собрать самостоятельно, с готовым контроллером преобразование бытового ростера в печь для пайки занимает меньше часа. Ростер нужен мощностью 1500 Вт или выше и обязательно с вентилятором конвекции — он обеспечивает более равномерный прогрев воздуха внутри. Если у вас есть склонность к экспериментам, можете попробовать сделать ростер помощнее, поставив в него, например, галогенные нагреватели, или вообще соорудить «сковородку» (hot plate) — массивную алюминиевую плиту с нагревателем внутри. Контроллеру всё равно, что контролировать, если он знает его температуру.

Кстати, о температуре и контроле, пока не забыл. Во-первых, температуру всегда надо измерять на самой паяемой плате, потому что реальное значение имеет только она. Проще всего сунуть термопару в какое-нибудь небольшое отверстие в плате, например, в дырку под вывод одной из не-SMD деталей, если у вас такие есть и ещё не установлены, на худой конец, просто прижать к поверхности платы. Во-вторых, один из недостатков бытовых печек — отсутствие принудительного охлаждения, поэтому, когда контроллер пропищит два раза, стоит подойти к печке и приоткрыть её дверцу сантиметров на пять-семь. Когда пропищит четыре — открыть дверцу полностью (плату трогать пока рано, в это момент она ещё нагрета до 100—130 градусов!) и дать остыть окончательно. Контроллер будет вам на экранчике показывать текущую температуру, как только она опустится ниже 50 °C — плату можно вынимать, не рискуя ни обжечься, ни повредить свежую пайку.

Традиционный дефект пайки — слипание ножек на микросхемах с шагом менее 0,8 мм, но при минимальном опыте и правильном подборе пасты, иголки и давления у вас будет не более одной перемычки на 15—20 ножек микросхемы с шагом 0,65 мм (да, с трафаретами эта проблема вообще неактуальна, только с пневматическим дозатором). Перемычки убираются за несколько секунд обычным паяльником и оплёткой для выпайки. Непропаи — отсутствие под выводом припоя — встречаются очень редко и, как правило, связаны с загрязнением или окислением платы. Иногда припой с одной ножки микросхемы утягивает на соседнюю, но под лупой видно, что ножка припаяна — перетянуло только тот припой, что был сверху ножки.

Что-то ещё хотел добавить, но тут мне позвонили, и за 25 минут разговора на другую тему я забыл. Поставлю вместо этого ещё картинок — плата контроллера самой печки (компилятор должен уметь скомпилировать сам себя, печка должна уметь спаять саму себя, так?), паста EFD SolderPlus 62NCLR-A, нанесение вручную пневматическим дозатором.

Площадка под ATMega32U4, паста положена аккуратной колбаской поперёк выводов

На всю микросхему были три перемычки между выводами. Следы удаления их с помощью обычного паяльника видно — плата после пайки не мылась

Очень удобно паять пастой детали с теплоотводом через плату. Шлёпнул пасты, поставил детальку...

...и через пять минут она стоит как всегда тут была. Излишки пасты всосало в отверстия, проходящие через установочную площадку.