Mi történik forrasztás közben?

A forrasztott kötés nem attól tart, hogy az ón „körbeveszi” az alkatrész lábát. A megolvadt ón a réz felületen nedvesít, majd a réz és az ón atomjai néhány mikron vastagságban összekeverednek, és egy intermetallikus réteg (jellemzően Cu₆Sn₅) képződik. Ez a réteg a tényleges kötés – az ón többi része csak mechanikai kitöltés és áramvezető.

Ebből három gyakorlati következtetés adódik, és lényegében az egész forrasztástechnika ezekből vezethető le:

• Az intermetallikus réteg csak megfelelő hőmérsékleten képződik. Ha a felület nem melegszik fel az ón likviduszpontja fölé, az ón rátapad, de nem köt: ez a hideg forrasztás.
• Oxidréteg megakadályozza a nedvesítést. A réz másodpercek alatt oxidálódik a forrasztási hőmérsékleten. Ezért kell flux, ami kémiailag lebontja az oxidot, és a felületet a kötés pillanatáig tisztán tartja.
• A túl sok hő is romboló. Az intermetallikus réteg tovább nő, ha sokáig melegítesz, és 3–4 mikron felett rideggé válik. A pad ragasztója is elenged, a fólia felszakad. A cél a rövid, határozott melegítés, nem a hosszú „biztos, ami biztos”.

Forrasztóón összetétele és olvadáspontja

A forrasztóón összetétele dönti el, milyen hőmérsékleten dolgozol, milyen lesz a kötés fénye, és mennyire lesz megbocsátó a munka. Két fogalmat érdemes megkülönböztetni:

• Szolidusz: az a hőmérséklet, ahol az ötvözet elkezd olvadni. Ez alatt teljesen szilárd.
• Likvidusz: az a hőmérséklet, ahol teljesen folyékonnyá válik. E fölött folyik és nedvesít.

A kettő között van a pépes (pasty) tartomány, ahol az ötvözet se nem szilárd, se nem folyékony. Ha ebben a tartományban megmozdul az alkatrész, a kötés szemcsés lesz. Az eutektikus ötvözeteknél a szolidusz és a likvidusz egybeesik, tehát nincs pépes tartomány – ezért olyan megbocsátó a klasszikus Sn63Pb37.

Az alábbi eszközben minden gyakori ötvözet olvadási tartománya látszik egy közös hőmérsékleti skálán, a hozzá tartozó ajánlott pákahőmérséklettel együtt.

Ólmos vagy ólommentes forrasztóón?

Az ólommentes forrasztóón olvadáspontja nagyjából 35 fokkal magasabb az ólmosénál, és ez a különbség végigfut az egész munkafolyamaton. Az EU-ban a RoHS irányelv miatt a kereskedelmi elektronika ólommentes, a hobbi- és javítómunka viszont továbbra is használhat ólmos ónt.

Gyakorlati javaslat: ha most tanulsz, és a szem előtt tartod a szellőzést, ólmos ónnal gyorsabban lesz sikerélményed. Ha viszont ólommentes panelt javítasz, ne keverd a kettőt: az ólom és az ólommentes ón keveredése alacsonyabb olvadáspontú, de ridegebb ötvözetet ad, ami hosszú távon repedhet. Javításnál mindig azzal dolgozz, ami a panelen eredetileg is volt – vagy távolítsd el az összes régi ónt, mielőtt újat viszel fel.

A flux: a láthatatlan főszereplő

A kezdők a pákára és az ónra figyelnek, a profik a fluxra. A flux három dolgot csinál egyszerre: lebontja a fém felületén lévő oxidréteget, megakadályozza az újraoxidálódást a melegítés alatt, és csökkenti a megolvadt ón felületi feszültségét, hogy szét tudjon folyni.

A forrasztóón belsejében van gyantamag (2–2,5% flux), de ez a mennyiség csak friss, tiszta felülethez elég. Kiforrasztásnál, javításnál, SMD munkánál és minden olyan esetben, ahol már van ón a panelen, külön fluxot kell felvinni.

Gyakorlatban két kiszerelést érdemes tartani: egy flux tollat a gyors, pontszerű felvitelhez, és egy tubusos RMA-223 no-clean forrasztópasztát a nagyobb felületekhez, IC-lábak alá és hídeltávolításhoz. A tubusos paszta a fecskendős kiszerelésben egy kinyomó szerszámmal adagolható pontosan.

A forrasztás eszközei

A forrasztás eszközei közül négy nélkülözhetetlen, a többi kényelmi vagy speciális. Kezdd az alapokkal, és bővíts, amikor tényleg hiányzik valami.

Amit érdemes tudni az egyes eszközökről

• Páka: a hőfokszabályzás nem luxus. Egy fix 400 °C-os páka az SMD-t megégeti, a nagy hőtömegű forrasztásnál pedig visszaesik a hőmérséklete. 60–80 W és állítható hőfok a belépőszint.
• Ón átmérője: hobbielektronikához 0,6–0,8 mm az ideális. Az 1,0 mm nagyobb kötésekhez és vezetékekhez jó, a 0,5 mm alatti a finom raszterű SMD munkához.
• Csipesz: antimágneses, rozsdamentes, hegyes vagy hajlított. Egy 0402-es alkatrészt mágneses csipesszel megfogni reménytelen, mert felugrik rá.
• Paneltartó: a harmadik kéz. Amíg a panel csúszkál, mindent kétszer csinálsz meg.
• Ónszívó vagy zsinór: a pumpa nagy mennyiséghez és átmenő furathoz, a zsinór SMD-hez és pad tisztításához való. Mindkettőre szükség lesz.
• Elszívás: a legolcsóbb változat egy aktivált szenes szűrő ventilátorral. A lényeg, hogy a füst ne az arcod felé jöjjön.

Pákahegyek: anyag, forma és méret

A pákahegy anyaga

A forrasztópáka hegy anyaga lényegesen befolyásolja az élettartamot és a hőátadást. Két alapvető kivitel létezik:

• Tiszta réz hegy: a réz vezeti a hőt a legjobban, ezért az ilyen hegy gyorsan és bőven adja át a hőt. Cserébe a megolvadt ón folyamatosan oldja a rezet, ezért a hegy idővel kimaródik és a formája elvész. Olcsó, cserélhető, és rendszeresen újra kell formázni – belépő szintű pákákhoz ez a tipikus kivitel.
• Vas bevonatos (long-life) hegy: rézmagra vitt vasréteg, ami ellenáll az ón oldó hatásának, ezért sokszorosan tovább él. A munkafelület ónozott, a szár krómozott, hogy az ón ne másszon fel rá. Ezt soha ne reszeld vagy csiszold, mert a bevonat átvágásával a hegy azonnal tönkremegy.

Hegyformák és mire valók

A leggyakoribb kezdő tévhit, hogy apró alkatrészhez apró hegy kell. Valójában fordítva: a nagyobb érintkezési felület gyorsabban átadja a hőt, tehát rövidebb ideig kell melegíteni, ami kíméletesebb az alkatrésznek. Egy 0603-as ellenálláshoz egy 1,6 mm-es véső hegy oldala tökéletes – hegyes ceruzaheggyel ugyanaz a munka lassabb és forróbb lesz.

Forrasztástechnika: a helyes mozdulat

A forrasztástechnika lényege néhány másodperces koreográfia, aminek minden lépése számít. Átmenő furatos alkatrésznél így néz ki:

1. Tisztítsd és ónozd a hegyet. Töröld le nedves szivacson vagy rézgyapoton, majd tegyél rá egy kis ónt. A hegyen lévő ónfilm hőhidat képez a hegy és a munkadarab között – száraz heggyel a hőátadás töredéke.
2. Érintsd a hegyet egyszerre a padra és a lábra. A véső hegy oldalával, ne a csúcsával. Így mindkét fém együtt melegszik.
3. Egy másodperc múlva vidd az ónt a kötéshez – nem a hegyhez, hanem oda, ahol a láb és a pad találkozik, a heggyel átellenes oldalon. Ha elég meleg a fém, az ón azonnal megolvad és körbefut.
4. Vedd el az ónt, majd egy fél másodperccel később a hegyet. Ebben a sorrendben. A flux így még dolgozik, amikor az ón kialakítja a formáját.
5. Ne mozdítsd meg a kötést, amíg meg nem szilárdul. A dermedés alatti elmozdulás okozza a szemcsés, repedt kötést.

A teljes művelet 2–4 másodperc. Ha ennél tovább tart, valami nem stimmel: túl kicsi a hegy, túl alacsony a hőmérséklet, vagy hiányzik a flux. A megoldás sosem az, hogy tovább nyomod ott a pákát.

Mikor kell előmelegítés?

Ha a pad nagy rézfelülethez vagy földsíkhoz kapcsolódik, a hő gyorsabban vándorol el, mint ahogy a páka pótolni tudja. Ilyenkor a kötés sosem éri el a nedvesítési hőmérsékletet. Három megoldás van: nagyobb hegy, magasabb hőmérséklet, vagy előmelegítés (hőlégfúvó vagy előmelegítő lap alulról, 100–130 °C). Sorrendben ez a helyes prioritás – a hőmérséklet emelése csak a második lépés.

SMD alkatrészek forrasztása

Az SMD forrasztás első ránézésre ijesztő, de a technika egyszerűbb, mint az átmenő furatosé: nincs furat, nincs láb hajlítás, és az alkatrész mindkét oldala ugyanolyan. Chip alkatrésznél (ellenállás, kondenzátor, LED) három lépés az egész.

• Kevés ón kell. A leggyakoribb kezdő hiba a túl sok ón: az alkatrész elúszik rajta, és nem látod, hogy a pad tényleg nedvesített-e.
• Ne tartsd a csipeszt a kötésen. A fémcsipesz elszívja a hőt, és ha az alkatrész mozog dermedés közben, szemcsés lesz a kötés.
• Polaritás: LED-nél és tantál kondenzátornál a jelölés a felső oldalon van, és sokszor csak nagyítóval olvasható. Beültetés előtt ellenőrizd, nem utána.
• Tombstone jelenség: ha az egyik oldal előbb olvad meg, a felületi feszültség felállíthatja az alkatrészt. Ezért kell a második oldalnál gyorsan dolgozni, és ezért érdemes kevés ónt használni az elsőn.

SMD IC forrasztás: a drag soldering technika

Az SMD IC forrasztás a legtöbb kezdőt megijeszti, pedig a 0,5–0,8 mm-es rasztereű tokozások (TSSOP, SOIC, QFP) kézzel is megbízhatóan felforraszthatók. A trükk az, hogy nem lábanként dolgozol, hanem szándékosan összefolyatod az ónt, majd a felesleget leszeded.

1. Igazítsd az IC-t a padokra. Nagyítóval nézd meg mindkét oldalt: minden lábnak a saját padja közepén kell állnia. Az 1-es láb jelölése (pötty vagy bevágás) mutassa a helyes irányba.
2. Rögzítsd két átellenes sarkot. Egy-egy lábat forrassz meg átlósan. Ha közben elcsúszott, most még könnyű javítani: melegítsd meg az egyik sarkot, és igazíts.
3. Vigyél fel bőven fluxot az egész lábsorra. Ez a lépés dönti el, hogy sikerül-e a technika.
4. Húzd végig a hegyet egy kevés ónnal, lassan, a lábak mentén. Az ón a flux miatt magától a padokra és a lábakra húzódik. Ha közben hidak keletkeznek, hagyd őket.
5. Szedd le a felesleget kiforrasztózsinórral. Fluxozd meg a zsinórt, tedd a hidakra, és melegítsd rá a pákát. A zsinór felszívja a felesleget, a lábak alatt viszont ott marad a kötéshez szükséges ón.
6. Ellenőrizd nagyítóval és folytonossággal. Minden lábnál látszódnia kell a homorú meniszkusznak, és a szomszédos lábak között nem sípolhat a multiméter.

Forrasztópaszta használata és a reflow

A forrasztó paszta használata ott kezdődik, ahol a pákáé véget ér. A paszta apró ónötvözet-gömböcskék és flux keveréke: felviszed a padokra, ráteszed az alkatrészt, majd az egészet felmelegíted a likviduszpont fölé. A megolvadó ón a felületi feszültség miatt magától a padra húzódik és beigazítja az alkatrészt – ez a self-alignment, ami a QFN és a finom raszterű tokozások kézi szerelését egyáltalán lehetővé teszi.

A reflow profil négy szakasza

A felmelegítés nem lehet akármilyen. A profil négy szakaszból áll, és mindegyiknek megvan a maga dolga. Az alábbi eszközben megrajzoljuk a görbét a választott pasztához és módszerhez.

Kiforrasztás és javítás

A kiforrasztás gyakran nehezebb, mint a forrasztás, mert a régi ón fluxa már elhasználódott, és az oxidálódott felület nem akar újraolvadni. A megoldás mindig ugyanaz: friss ónt és fluxot viszel a régi kötésre, hogy az egész felolvadjon, és csak utána távolítod el.

• Fluxozd meg a zsinórt. Az olcsó zsinórban kevés a flux, és önmagában nem szívja fel az ónt. Egy csepp flux a különbség a működő és a nem működő kiforrasztás között.
• A zsinórt ne húzd, hanem emeld le az ónnal együtt, még melegen. Ha hagyod kihűlni, hozzáforr a padhoz, és letéphetsz vele fóliát.
• Kétoldalas chip alkatrésznél nem kell zsinór: elég két pákával, vagy egyetlen pákával felváltva melegíteni a két oldalt, és csipesszel lehúzni. Sok ón hozzáadása itt kifejezetten segít, mert hőhidat képez a két pad között.
• IC eltávolításához hőlégfúvó vagy alacsony olvadáspontú (Sn42Bi58) segédón kell. Ez utóbbi a régi ónnal keveredve 140 °C körülre viszi le az olvadáspontot, így az egész lábsor egyszerre megolvad.
• Átmenő furatnál a furatnak teljesen tisztának kell lennie, mielőtt új alkatrészt teszel bele. Ha a pumpa nem viszi ki, szúrj át egy vékony tűt vagy fogpiszkálót a megolvadt ónon.

Biztonság: füst, ólom, égés

• A füst a flux, nem az ón. Az ón forráspontja 2600 °C fölött van, tehát a pákahegynél nem párolog. Amit látsz, az az elégő gyanta, ami légúti irritációt és idővel érzékenyítést okozhat. Szellőztess, és tedd magad és a panel közé egy aktivált szenes szűrős ventilátort.
• Az ólom nem a levegőn keresztül jut be, hanem a kezeden. Ólmos ón használata után mindig moss kezet, mielőtt eszel vagy iszol. Ne egyél a munkaasztalnál.
• Védőszemüveg. Amikor levágod a kilógó alkatrészlábat, az elpattanó darab pont szem magasságban repül. A kiforrasztásnál a megolvadt ón is spriccelhet.
• A páka mindig tartóban legyen. Egy asztalon guruló, 350 °C-os hegy pillanatok alatt átégeti a kábelt vagy a kezed.
• Ne fújd le a füstöt. Ösztönös mozdulat, de a ki-be lélegzés miatt pont a saját arcodba juttatod vissza.
• Elektrolit kondenzátor és akkumulátor mellett óvatosan. A túlmelegített elektrolit kondenzátor felrobbanhat, a lítium cellát pedig a forró hegy azonnal átlyukaszthatja.

Mivel kezdj? A forrasztóasztal felszerelése

Nem kell mindent egyszerre megvenni. Az alábbi lista prioritási sorrendben halad: az első négy nélkül nem érdemes elkezdeni, a többi akkor jön, amikor már hiányzik.

Az alapfelszerelés

Hegyek, tisztítás, javítás

SMD munkához és kényelemhez

Hőlégfúvós munkához és állomásokhoz a hőlégfúvó kategóriában találsz eszközöket, a próbapanelekhez és kísérletezéshez pedig a forrasztható NYÁK-lapok jelentenek jó kiindulást.

Gyakori kérdések

Összegzés

A forrasztás három változóból áll: hőmérséklet, idő és flux. Ha bármelyik hiányzik, a másik kettővel nem lehet pótolni – a hosszabb melegítés nem helyettesíti a fluxot, és a magasabb hőmérséklet nem helyettesíti a megfelelő hegyméretet. A jó kötés fényes vagy enyhén matt, homorú lejtővel folyik rá a padra, és 3 másodperc alatt elkészül.

Az SMD sem más: kisebb hegy helyett nagyobb érintkezési felület, több flux, rövidebb idő. A chip alkatrészek egyoldali ónozásos technikája és az IC-k drag solderingje kézi pákával is megbízható eredményt ad – a paszta és a hőlégfúvó csak a lábak nélküli tokozásoknál válik elkerülhetetlenné.