Podstawy lutowania – wprowadzenie do procesu

W poniższym artykule postaram się wprowadzić Was w tematykę lutowania. Tekst jest skierowany przede wszystkim do osób, które chciałyby rozpocząć przygodę z naprawą lub montażem elektroniki.

Odpowiem na następujące pytania, pojawiające się szczególnie często od osób stawiających pierwsze kroki w tym obszarze:

• Czym jest lutowanie?
• Z jakich elementów składa się podstawowe wyposażenie?
• Jak zlutować i rozlutować komponent przewlekany?

W kolejnych artykułach z serii omówimy zagadnienia bliższe osobom średniozaawansowanym i najbardziej doświadczonym.

Czym jest proces lutowania?

Lutem nazywamy stop metali, którego używamy do wykonywania połączenia lutowanego. Połączenie takie nie wymaga osiągnięcia temperatury topnienia elementów, które ze sobą łączymy, w przeciwieństwie do procesu spawania. Roztopiony lut spełnia funkcję wypełniacza między łączonymi powierzchniami. Prawidłowo wykonane połączenie lutowane bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny i o to właśnie nam chodzi.

Dzięki niższej temperaturze łączenia, lutowanie jest stosunkowo bezpieczne. Do zabezpieczenia wzroku wystarczą okulary ochronne, a do rąk lekkie rękawiczki ESD. Lutować należy w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, by uniknąć wdychania toksycznych oparów z palonego topnika, który znajduje się wewnątrz cyny. Profesjonalne pracownie wyposażone są w odciągi bądź pochłaniacze oparów. Lutując amatorsko, możemy uchylić okno i włączyć wentylator.

Podstawowe wyposażenie

Przed lutowaniem musimy zaopatrzyć się w:

• lutownicę,
• drut lutowniczy z topnikiem,
• gąbkę do czyszczenia grotu.

Jest to niezbędne minimum.

Dodatkowym wyposażeniem będą:

• szczypce boczne do przycinania przewodów,
• ściągacz do izolacji,
• trzecia ręka, która może przytrzymywać przewody czy płytkę PCB podczas lutowania.

Przy demontażu elementów przyda się również pęseta do przytrzymania nagrzanego komponentu, zaś do oczyszczenia padów lutowniczych użyjemy taśmy rozlutowniczej i odsysacza cyny.

Rodzaje lutownic

Najdroższym elementem wyposażenia jest lutownica. Urządzenia do celów amatorskich to koszt od kilkudziesięciu do kilkuset złotych. Poniżej opiszę kilka typów tego urządzenia.

Lutownica oporowa

Elementem grzejnym takiej lutownicy jest drut oporowy, często w formie grzałki ceramicznej zasilanej bezpośrednio z sieci. Regulacja temperatury w tych lutownicach nie jest standardem. Nie posiada włącznika, uruchamia się ją, wpinając wtyczkę do gniazdka. Ceny zaczynają się od ok. 20 zł, jednak nie polecam modeli najtańszych, gdyż za ok. 70 zł możemy zakupić lutownicę z regulacją temperatury, wymiennymi grotami i giętkim kablem.

Stacja lutownicza

Jest to rozbudowana wersja lutownicy oporowej. Nadaje się do lutowania powierzchniowego i przewlekanego, łączenia cienkich kabli. Jej groty są wymienne. Grzałki wyposażone są w czujnik temperatury, co zapewnia precyzję ustawienia temperatury. Wyposażona jest w stojak na kolbę. Niestety wymaga własnego stanowiska ze względu na gabaryty. Ceny zaczynają się od ok. 80 zł. Ze względu na fakt, że jest wyposażona w stojak, czyścik do grotów i regulację temperatury jest przyjemna w użytkowaniu.

Lutownica transformatorowa

Wyglądem przypomina pistolet, którego spustem uruchamiamy grzanie drutu oporowego na jej końcu. Roztapia cynę w kilka sekund, jednak za regulację temperatury odpowiadamy sami. Zbyt długie trzymanie spustu przegrzewa lut, pokrywa się on wtedy tlenkami i nie łączy prawidłowo powierzchni. Lutownica ta sprawdza się w łączeniu ze sobą grubszych kabli miedzianych, montażu i demontażu elementów przewlekanych na PCB.

Przy odrobinie wprawy możemy pokusić się o lutowanie większych elementów o montażu powierzchniowym. Zaletą jej jest duża moc. Ceny zaczynają się od 50 zł, jednak transformatory modeli najtańszych szybko się przegrzewają. Lutownica transformatorowa w rozsądnej jakości to wydatek rzędu 100 do 150 zł.

Stacja Hot-Air

Uzupełnienie powyższych urządzeń, które lutuje strumieniem gorącego powietrza. Nadaje się do lutowania powierzchniowego i demontażu elementów z PCB. Można nią również podgrzewać izolacje termokurczliwe w miejscu łączenia kabli. Ceny zaczynają się od 150 zł. Nie zalecam tego wyboru na początek – raczej jako drugie, bądź trzecie urządzenie.

Typy komponentów

Kiedyś w elektronice stosowało się głównie przewlekaną metodę montażu komponentów, tzw. Through-hole technology (THT). Montaż powierzchniowy, czyli Surface-mount technology (SMT), natomiast był rzadkością. Obecnie ze względu na miniaturyzację komponentów, minimalizację kosztów ich produkcji i montażu, dominują elementy SMD (Surface-mount devices).

Elementy THD możemy lutować lutownicą transformatorową, oporową i stacją lutowniczą. Do pracy z elementami THD przydadzą nam się też szczypce boczne, nadają się one do obcinania nadmiarowej długości ich wyprowadzeń.

Do montażu elementów SMD użyjemy natomiast stacji lutowniczej, lutownicy oporowej z regulacją temperatury bądź stacji hot-air. Wyjątkami w komponentach SMD są elementy, podczas montażu których, nie mamy dostępu do ich wyprowadzeń są komponenty BGA i QFN. Te zamontujemy z pomocą gorącego powietrza. Do pracy z elementami SMD musimy się zaopatrzyć w pęsetę. Elementy te są tak małe, że praca bez niej jest niemożliwa.

Lutowanie przewodów

By połączyć ze sobą przewody, należy najpierw pozbawić ich końcówki izolacji. Możemy to zrobić za pomocą ściągacza izolacji bądź ostrego nożyka. W tym momencie należy zdecydować w jaki sposób zabezpieczymy łączone miejsce – taśmą izolacyjną czy rurką termokurczliwą.

Ta druga ma lepsze właściwości mechaniczne i elektryczne, jednak należy ją założyć na kabel przed zlutowaniem przewodów. Taśmy izolującej użyjemy po procesie lutowania. Po ściągnięciu izolacji skręcamy ze sobą przewody, do ich przytrzymania przyda się trzecia ręka. Czyścimy rozgrzany grot, przykładamy do lutowanego miejsca, jednocześnie dozując cynę w miejscu ich styku. Cyna powinna wypełnić szczeliny między łączonymi kablami. Na koniec zgrzewamy rurkę termokurczliwą bądź owijamy lutowane miejsce taśmą izolacyjną.

Jeśli chcemy połączyć kabel z płytką PCB, to najpierw musimy odizolowaną końcówkę kabla pobielić, czyli pokryć go cyną. W tym celu przykładamy grot do kabla i dozujemy cynę. Tak przygotowaną końcówkę będzie można łatwo przylutować do płytki PCB.

Lutowanie i demontaż komponentów przewlekanych

Komponenty przewlekane montujemy do płytki PCB poprzez przewleczenie ich wyprowadzeń przez otwory montażowe. Miejsce lutowania znajduje się po drugiej stronie płytki.

Po przewleczeniu wyprowadzeń przez otwory odcinamy ich nadmiar, pozostawiamy jedynie ok. 1-2 mm. Jeśli komponent wypada z otworów montażowych, możemy odgiąć lekko wyprowadzenia.

Następnie przykładamy jednocześnie grot do pola lutowniczego i wyprowadzenia, dozując cynę.

Prawidłowo wykonane połączenie powinno mieć kształt zbliżony do stożka. Cyna nie powinna się ciągnąć za grotem, gdyż oznacza to utlenienie jej powierzchni.

Jeśli musimy zdemontować komponent, z pomocą przychodzą nam plecionka lutownicza i odsysacz cyny. Plecionkę podgrzewamy grotem lutownicy i dociskamy do miejsca montażu. Gorąca plecionka działa jak knot i pobiera nadmiar cyny. Nasączona cyną plecionka traci swoje właściwości, a my możemy ją zwyczajnie odciąć.

Odsysacz działa natomiast jak odkurzacz. Napędzany sprężyną tłok wyzwalany jest przyciskiem. Pad lutowniczy musimy podgrzać lutownicą. Odsysacz wywołuje chwilowe podciśnienie przy jego końcówce, które wciąga roztopioną cynę do jego środka. Urządzenie trzeba regularnie czyścić, a same końcówki są wymienialne, ponieważ szybko się zużywają.

Jeśli nie posiadamy żadnego z powyższych to podgrzewamy pola lutownicze, a następnie delikatnie wyciągamy komponent, jak pokazano na poniższym filmie

Kilka słów na koniec

Wiele razy przepalałem laminat, pady odklejały się od PCB lub przegrzałem komponenty. Każda porażka uczyła mnie, jak nie popełniać ponownie tych błędów. Polecam uczyć się na starym, uszkodzonym sprzęcie elektronicznym. Któryś z kolei na pewno naprawicie, a to daje dużą satysfakcję.

Mam nadzieję, że podejmiecie wyzwanie, aby kolejny artykuł dla średniozaawansowanych, również Was zainteresował.

Źródła

1. BQ Cable
2. Nova SAE
3. Digi-key
4. SoftSolder

***

Jeśli chcesz dowiedzieć się się, jak dobrze zaprojektować płytkę PCB na dwóch warstwach, polecamy artykuł naszego eksperta.