термоинструмент для демонтажа

Борьба за качество производства электронной техники приносит ощутимые плоды, но электронный мир пока не идеален, и сервисным центрам по-прежнему хватает работы. С ростом сложности ремонтных работ на передний план выходят задачи обеспечения КАЧЕСТВА РЕМОНТА. И это закономерно, ибо ремонтные технологии в своем развитии неотступно следуют за технологиями производства, определяемыми, в свою очередь, эволюцией элементной базы электроники. Нехитрый ремонтный арсенал из паяльника 220В и самодельного оловоотсоса благополучно отошел к начинающим радиолюбителям, в то время как современные мастерские оснащаются профессиональным термоинструментом для пайки и демонтажа. Предлагаемый ниже обзор имеет практический уклон: описание технологических приемов демонтажа снабжено ссылками на конкретный инструмент фирмы ERSA - одного из мировых лидеров в области ремонтных технологий.

Использование термоинструмента в ремонтной операции начинается с демонтажа неисправного элемента и заканчивается индивидуальной пайкой исправного элемента на восстановленные контактные площадки или в отверстия. Первая задача – это аккуратное и быстрое выпаивание элемента без повреждения печатных проводников платы, критичных к перегреву. Важным условием успеха является сочетание “низкой” температуры инструмента с высокой теплопередачей. При правильном демонтаже в подавляющем большинстве случаев остается невредимой и демонтируемая микросхема, что особенно приятно в случаях, когда не оправдывается предположение о том, что именно она являлась виновником неисправности устройства. Для демонтажа элементов с поверхности платы и из отверстий используются различные термоинструменты. Вместе они составляют полный комплект для демонтажа любых элементов, причем без какого-либо использования горячего воздуха, имевшего широкое распространение в ранних разработках ремонтных систем.

1. Контактный демонтаж элементов с поверхности

Для демонтажа малоразмерных поверхностно-монтированных элементов, начиная с типоразмера 0201, а также микросхем в корпусах SOIC, QFP и PLCC удобно использовать термопинцет со сменными профильными насадками. Четыре основных типа насадок – плоские, угловые и эллипсовидные и игольчатые – применяются соответственно для демонтажа корпусов с двухрядным расположением выводов, четырехсторонним расположением выводов, цилиндрических компонентов MELF и chip-компонентов. Термопинцет ERSA ChipTool (в более ранней версии - Pincette40) содержит два идентичных керамических нагревателя с сопротивлением, зависящим от температуры (технология RESISTRONIC), так что мощность его находится в диапазоне от 2x20Вт при 350°C до 2x30Вт при 280°C. Миниатюрные нагревательные элементы располагаются внутри полых цилиндрических опор сменных профильных насадок, а область нагрева вплотную прилегает к основанию рабочих граней насадок. Поэтому теплопередача осуществляется эффективно, несмотря на относительно небольшую мощность инструмента. Кстати, физически ощутимым достоинством небольшой мощности инструмента является его всегда прохладная рукоятка. В модели ChipTool интегрированы фиксаторы углового положения и дистанции разведения демонтажных насадок для работы с компонентами от размера 0201 на платах с плотной компоновкой.

Перед операцией демонтажа на рабочие грани парных насадок термопинцета наносят значительное количество припоя, а выводы демонтируемой микросхемы флюсуют. Отлично зарекомендовал себя жидкий “ремонтный” флюс IF8001, и еще лучше - безотмывочный крем-флюс FMKANC, не растекающийся за пределы рабочей области до момента его активации разогретым инструментом. Для демонтажа многовыводных QFP корпусов с малым шагом рекомендуется предварительно "залить" выводы микросхемы на плате избыточным количеством припоя для замыкания их между собой и, таким образом, улучшения теплопроводности с целью более равномерного прогрева при последующем выпаивании; излишки припоя потом удалить с платы несложно. В самых сложных случаях для многослойных плат, когда с выводами микросхемы соединены печатные проводники с различной теплоотводящей массой, рабочую область платы можно предварительно прогреть до температуры порядка 100°C с помощью инфракрасного излучателя: это сократит продолжительность активной фазы выпаивания и уменьшит вероятность поврежднения “трудных” проводников.

Насадки термопинцета, разогретые до температуры около 320°C, аккуратно и плотно прислоняют ко всем линейкам выводов микросхемы для одновременного оплавления припоя. Эта фаза демонтажа микросхемы с применением термопинцета занимает не более 2-3 секунд, а дискретных элементов - менее секунды. Если за эти секунды не удается завершить демонтаж, то надо сделать передышку, чтобы избежать температурного перегрева микросхемы и контактных площадок платы. Чем более массивна насадка, тем большая мощность требуется для поддержания необходимой температуры на ее рабочих гранях. К аналоговым станцям прилагается таблица соответствия шкалы температур типам насадок, а в цифровых станциях вводятся поправки. При этом надо иметь в виду, что конкретный тип насадок, установленных на термопинцет, не может быть идентифицирован паяльной станцией автоматически. В случаях, когда сил поверхностного натяжения расплавленного припоя оказывается недостаточно для удержания "тяжелой" микросхемы на насадках, помощь в транспортировке окажет вакуумный манипулятор Vampire. Доступ “вампира” к верхней плоскости микросхемы совершенно не затруднен благодаря открытой конструкции насадок термопинцета ERSA. Вывод: лучше всегда иметь Vampire под рукой.

Стабилизация температуры термопинцета осуществляется электроным блоком управления в станциях ERSA i-CON, i-CON2 и Digital2000A, унифицированный электронный блок которых может работать также с другими паяльными инструментами.

Применение игольчатых насадок с рабочей областью диаметром 0,2 мм позволяет использовать термопинцет ChipTool для демонтажа даже мельчайших чип-компонентов типоразмера 0201. При необходимости частой смены видов демонтажных насадок удобнее не снимать каждый раз фиксирующие шайбы с насадок, а иметь комплект шайб (артикул 45600, фото внизу), зафиксированных на каждом виде насадок.

К сожалению, достоинствам термопинцета есть предел: для удаления корпусов с числом выводов более двухсот мощность термопинцета уже недостаточна, и прогрев протяженных рабочих граней насадок не столь равномерен. Радикальным решением для перехода на следующий уровень сложности работ является инфракрасная установка IR550Aplus, совершенно не требующая каких-либо насадок. Впрочем, универсальность применений инфракрасной установки не является плюсом для демонтажа распространенных микросхем DIP с двухрядным расположением выводов. Штыревые линейки удобно выпаивать из отверстий печатной платы с помощью вакуумного термоососа. Рассмотрим его подробнее.

2. Контактный демонтаж элементов из отверстий

Вакуумный отсос как инструмент удаления компонентов из отверстий знаком профессионалам и любителям паяльно-ремонтного жанра в широком спектре реализаций. Простейший поршневой отсос претерпел эволюцию через сетевой паяльник с пристыкованной пружинной помпой или резиновой грушей до наиболее совершенных устройств ценой в тысячу долларов. Столь впечатляющая разница цен обусловлена степенью технического совершенства инструмента. Остановимся на четырех важнейших параметрах вакуумного термоотсоса.

(a) Cлишком высокая температура наконечника или слишком продолжительное время контакта наконечника с платой влечет отслоение контактных площадок, повреждение переходных отверстий и тонких печатных проводников. Напротив, недостаточная температура наконечника черевата неполным оплавлением и удаление припоя, а значит высокой вероятностью обрыва печатного проводника при извлечении компонента из отверстия. В многослойных платах работу усложняет также интенсивный отток тепла от точки нагрева. Идеальный инструмент должен обеспечивать минимально достаточную температуру (например, 320°C) для полного оплавления контакта, причем быстро. Отношение массы наконечника термоотсоса к массе выпаиваемого объекта, рассеивающего тепло, определяет скорость остывания наконечника при касании объекта и, соответственно, длительность операции выпаивания.
(b) Процедура выпаивания микросхемы DIP с помощью вакуумного термоотсоса является многошаговой: она слагается из последовательности однотипных операций над каждым из выводов. В процессе вакуумной очистки вывода наконечник термоотсоса остывает как из-за механического контакта с выводом и платой, так и в результате всасывания воздуха через канал. Если восстановление температуры наконечника осуществляется недостаточно быстро, это снижает производительность демонтажа и не гарантирует устойчивой повторяемости результатов. Желание ускорить процедуру путем установки избыточной температуры инструмента имеет последствия, уже перечисленные выше. Поэтому тебованием к профессиональному вакуумному термоотсосу является высокая стабилизация температуры.
(с) Ключевым фактором эффективности при очистке отверстия от расплавленного припоя является уровень вакуумного разрежения, но не столько в насосном агрегате, сколько в наконечнике термоотсоса поблизости от точки выпаивания. В большинстве систем, в том числе имеющих мощные вакуумные насосы, клапан расположен поблизости от насоса, а не в оконечном инструменте. Поэтому при открытии клапана воздух сначала всасывается из метрового шланга-воздуховода (тем самым уменьшая вакуум и ослабляя тягу), и только после этого - из наконечника и объекта выпаивания. Между тем, расплавленный припой должен полностью, за считаные миллисекунды пролететь через наконечник, чтобы не остыть и не застрять по пути следования: ведь неполная очистка вывода и отверстия от припоя повлечет обрыв проводника при удалении микросхемы.
(d) В вакуумных термоотсосах старого образца утомительной процедурой является удаление брызг припоя из стеклянной колбы-накопителя и чистка канала в наконечнике термоотсоса. Возможность легко и быстро выполнять подобные работы должна быть заложена в конструкции инструмента наряду с эргономичностью и антистатическим исполнением.

Читатель может самостоятельно проанализировать, в какой мере различные вакуумные термоотсосы соответствуют приведенным критериям качества. В инструменте ERSA X-Tool необходимые качества обеспечиваются следующими техническими решениями.

(a) Два керамических нагревателя суммарной мощностью 120Вт в рабочем режиме (260Вт при включении) разогревают состыкованный со сменным наконечником массивный "резервуар тепла" (35г гальванической меди), позволяющий эффективно компенсировать остывание наконечника при касании объекта выпаивания. Справедливости ради надо заметить, что единственным неприятным следствием столь массивного резервуара тепла является некоторый нагрев нижней части рукоятки термоотсоса, но в угоду качеству прогрева многослойных плат приходится с этим мириться. (b) Термосенсор, расположенный предельно близко к точке выпаивания (на стыке со сменным наконечником), оперативно регистрирует снижение температуры, а электронный блок управления, обладающий большим запасом мощности, обеспечивает быструю "подкачку" тепла через малоинерционные керамические нагреватели типа SENSOTRONIC. (c) Вакуумная камера расположена в рукоятке инструмента на расстоянии менее 100 мм от точки выпаивания (см. чертеж ниже), поэтому при открытии клапана расплавленный припой всасывается с большой скоростью благодаря мощной тяге - 500 мБар всего за 55 мс. Cегодня это лучший результат на мировом рынке!

(d) Картридж-накопитель припоя извлекается за три секунды; еще пять секунд требуется для установки сменного картриджа. Борьба со стеклянной колбой с помощью металлической кисточки - в прошлом! Чтобы минимизировать вероятность засорения канала, внутренний диаметр его увеличен, и только на расстоянии 3мм от края наконечника диаметр уменьшается до рабочего значения 0,8...1,8 мм, соответствующего типу наконечника. Если засорение короткой части канала все же произошло, очистка производится быстро и безопасно с помощью пружинного механизма.

Пневматическая схема вакуумного термоотсоса X-Tool подключается к компрессору CU100A (220В, 800 мБар, 4,5л/мин, 55 дБ, 1,25кг), а управление нагревом осуществляется от универсального блока станции Digital2000A или от аналогичных встроенных модулей в станции IR550Aplus.

Внутренний диаметр наконечника термоотсоса подбирают по диаметру отверстия, внешний – так, чтобы для наилучшей теплопередачи он накрывал металлизированный контур печатного проводника вокруг отверстия. Для выпаивания каждого штыревого вывода микросхемыили разъема наконечник нагретого термоотсоса “надевают” на вывод с обратной стороны платы. В процессе прогрева соединения наконечник "покачивают" возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости, пока не оплавится припой в отверстии (о чем можно судить по легкости качания вывода), после чего нажимают на кнопку “вакуум”. Если операция выполнена безупречно, то сквозные отверстия печатной платы и выводы микросхемы имеют практически первозданный вид, и готовы для дальнейшего использования.

3. Инфракрасный демонтаж элементов с поверхности и из отверстий

Инфракрасная установка ERSA IR550A plus предназначена для операций демонтажа и локальной пайки элементов с линейными размерами от 10мм до 60мм, монтируемых как на поверхность, так и в отверстия, в том числе по бессвинцовой технологии. Среди них матричные микросхемы в корпусах BGA и PGA, крупноразмерные QFP с любым шагом выводов, разнообразные пластиковые панельки и разъемы, а также экранирующие и сложнопрофильные массивные элементы. Размеры прямоугольной зоны нагрева определяются органами регулировки окна верхнего ИК-излучателя, однако сколь угодно сложную геометрию зоны нагрева можно очертить самостоятельно с помощью отражающей ленты (фольги), которой накрывают прилегающие области печатной платы, не подлежащие оплавлению.

Процедура инфракрасного выпаивания микросхем (в том числе всех типов BGA) несложна. Сначала оператор устанавливает плату с демонтируемым элементом в рабочую зону. После достаточного прогрева платы нижним ИК-излучателем (до 100..120°С примерно за минуту)оператор активизирует инфракрасную "пушку" - верхний ИК-излучатель и закрепляет присоску с вакуумным подсосом на верхней плоскости корпуса BGA. Органами регулировки температуры обеспечивается типовая скорость нарастания 2-5°C в секунду. Как только произойдет оплавление выводов, микросхема будет автоматически поднята над платой на вакуумной присоске, и оператору останется опустить горячую микросхему на антистатическую плошку: процесс завершен. Так выпаивают корпуса самых разных типов, включая BGA, PGA и QFP. Однако при выпаивании корпусов QFP в сложных случаях на многослойной плате выводы микросхемы нуждаются в неодинаковом прогреве из-за неодинаковой массы контактирующих с ними элементов. Для достаточного оплавления всех выводов при выпаивании рекомендуется продленный режим предварительного прогрева платы снизу и ручное управление вакуумной присоской: включение насоса и контактирование присоски с корпусом QFP лучше осуществлять не в начале процесса нагрева, а сразу после того, как оплавление выводов уже произошло и отмечено визуально. Таким образом предельно минимизируется опасность повреждения контактных площадок и выводов корпуса при демонтаже. При выпаивании разного рода разъемов инфракрасный разогрев зоны следует производить до степени оплавления контактов (но не выше, чтобы не допустить расплавления пластмассы) и немедленно извлечь разъем из печатной платы, пользуясь пинцетом. Точно так же используют пинцет при выпаивании радиаторов, потенциометров, высокочастотных экранов и других сложнопрофильных элементов, которые невозможно извлечь с помошью вакуумной присоски станции или ручного “вампира” Vampire.


4. Очистка контактных площадок для монтажа

После удаления поверхностно-монтированной микросхемы с печатной платы осуществляется очистка контактных площадок от капель припоя. Эта операция выполняется очень просто и дешево с помощью впитывающей медной оплетки WICK NC, пропитанной безотмывочным флюсом. Три варианта ширины оплетки являются преимуществом для различных ситуаций: в узких местах наиболее удобна лента шириной 1,5мм; для очистки больших площадок (например, под BGA) более пригодна лента шириной 2,7мм, а для остальных случаев - универсальная 2,2мм. Для нагрева оплетки используются клиновидные жала универсальных паяльников ERSA - TechTool, PowerTool и т.п.

Итак, площадки (или отверстия) очищены и абсолютно не повреждены; можно приступать к пайке нового элемента на место удаленного