Не так давно був виготовлений апарат, призначений в основному для монтажу-демонтажу чіпів в корпусах BGA, що іменується в народі інфрачервоної паяльної станцією. Однак результати роботи цього пристрою не відрізнялися стабільністю.
Як відомо, потужність ІК випромінювання з одиниці площі поверхні пропорційна четвертого ступеня температури (закон Стефана-Больцмана), а довжина хвилі, на яку припадає максимум спектра, обернено пропорційна температурі. Галогенка в штатному режимі має температуру спіралі 2500 ... 3000К, максимум випромінювання на 1 мкм. Але подивіться на графік:
Навіть при такій температурі максимум дуже пологий, в спектрі містяться в тому числі і довгі хвилі, причому амплітуда їх набагато менше максимуму. При зниженні температури спіралі шляхом послідовного з'єднання ламп і / або діммірованія спектр стає ще більш плоским, і шкідлива короткохвильова частина з хвилями коротше 2.5мкм становить в загальній потужності досить малий відсоток.
Таким чином, галогенова лампа, що працює з недокалом, за властивостями випромінювання мало відрізняється від промислового кварцового опромінювача. Так може ще більше знизити температуру спіралі, до невидимого випромінювання? Ні, тут підстерігають інші граблі, потужність випромінювання з одиниці площі поверхні різко падає (пропорційно четвертого ступеня температури), а поверхня випромінювання спіралі в галогенці дуже мала. Ми просто не зможемо забезпечити потрібну щільність потоку потужності. До того ж кварцове скло трубок ламп не пропускає хвилі довше 4мкм.
Загальна потужність при повному відкритті керуючого сімістора склала близько 3 кВт, колір світіння помаранчевий, як у всьому відомих нагрівачів UFO. Під час роботи на повну потужність включається дуже рідко, зазвичай світить червоним, а в режимі підтримки взагалі майже невидимим. Конфігурація верху - 6 ламп 118мм по 300Вт (є лампи такої ж довжини п'ятисотки, але вони помітно товщі і погано влізли б в мій корпус, у кого корпус більше, можна сміливо ставити їх). На фото видно висувна змінна діафрагма, вона спеціально засунута не до кінця для наочності.
Природно, лампи розташовані частоколом. З'єднання - по дві послідовно (3 групи), загальна потужність близько 600 Вт. Ці лампи я заматірованной, з метою підвищити рівномірність, напевно даремно, віддача трохи знизилася. Потім вже, прочитавши статтю Фейдмана, я зрозумів, що цього можна було не робити. Але мені вистачає віддачі. Для порівняння вирішив все ж спробувати спорудити на швидку руку макет кварцового нагрівача, просунувши в відрізану від лампи трубку спіраль для електроплити. Так, звичайно світиться більш червоним, але інерційність просто жахлива, постійна часу десятки секунд! Точно відтворити термопрофіль з таким неповоротким «виконавчим механізмом» було б складно. До речі, для промислових кварцових нагрівачів теж заявлені досить великі постійні часу, не кажучи вже про керамічних.
Отже, з нагрівачами розібралися. Тепер про ще один дуже важливий момент, правильному вимірі температури. Коли я тільки починав проект і вибрав в якості датчиків терморезистори Pt100 типу PT106051, думав, що у мене з цим проблем взагалі не буде. Термопари принципово не хотів, компенсація холодного спаю, інструментальні підсилювачі з обв'язкою з високоточних резисторів ... Pt100 дозволяє без усього цього обійтися без шкоди для точності. Схемотехніка радикально спрощується, ніякої настройки і калібрування не потрібно. Маленькі розміри датчиків обіцяли малий час відгуку. Однак не все виявилося так просто. По-перше, незважаючи на те, що датчики мають розмір 1.7х2.4мм, це все ж більше, ніж крапелька спаяний термопари. Спочатку конструкція кріплення була така:
Думав, що пластинчатая пружина зверху, крім того, що буде притискати датчик до плати, ще й затенит його від прямого випромінювання, щоб він нагрівався тільки платою. Виявилося, що затінюється і сама плата в цьому місці (а може ще й відводиться тепло через пружину, не знаю), і датчик показує на 5 ... 8градусов нижче, ніж насправді. Змінив конструкцію:
Пробував ставити датчик прямо на чип при випоюванні, все як за підручником, починає плисти при 217градусах для безсвінца. Однак це ще не все. Головною проблемою першого варіанту верху було занадто маленьке робоче вікно. Через відведення тепла в сторони від нагрівається місця на платі розподіл температур має наступний вигляд:
Центр чіпа буде з будь-якого гаряче, ніж термодатчик, встановлений збоку від нього. А термопрофілі Інтелу, прописані в вищезгаданому документі, виміряні датчиком, розміщеним прямо серед куль в спеціальному отворі (див. Малюнок на стор. 9-5 документа). У цьому вся і проблема, датчик, розташований збоку, та ще на краю опромінюється, показує значно менше, ніж реальна температура в центрі чіпа. Щоб мінімізувати цю різницю, вікно опромінювача має перекривати область чіпа з запасом, мати розміри не менше 60х60мм, так щоб датчик, що стоїть збоку, опромінювався по можливості так само як чіп, а не потрапляв на край області. Відстань від опромінювача до плати не повинно бути занадто великим. Але навіть з цими заходами деяка різниця залишається. Для того, щоб станція працювала правильно, необхідно цю різницю (градієнт) виміряти і ввести як поправку до програми управління. Для цього треба провести пробний цикл демонтажу, періодично пробуючи похитувати чіп. Можна вважати, що на Безсвинцевий припое чіп починає ворушитися при 217градусах (датчик при цьому показує менше). Після цього завжди намагатися встановлювати верхній нагрівач на одній і тій же висоті, на якій проводилися вимірювання (я у себе ризику намалював). У новому варіанті моєї станції кріплення верхнього датчика замінено на традиційний «колодязь-журавель» (гнучкий рукав себе не виправдав, був незручний).
«Шия» журавля зроблена з мідної трубки діаметром 3 мм, яку при необхідності можна легко зігнути руками як завгодно для обходу незручно розташованих деталей на платі, виліт регулюється гвинтовим затискачем. Притискна пружина закріплена так, що в робочому положенні притискає датчик до плати, і в той же час утримує «журавля» у верхньому положенні, коли потрібно, без всяких додаткових фіксаторів, чисто за рахунок кінематики. Датчик температури низу перенесений на нижню частину плати.
Справа в тому, що текстоліт, як виявилося, має дуже погану теплопровідність, приблизно як сухе дерево (за даними Вікіпедії). При нагріванні плати тільки низом зі швидкістю 2градуса в секунду різниця температур верхньої і нижньої сторони плати сягає 15 ... 20градусов (виміряв особисто). Наприклад, якщо ми задаємо режим стабілізації температури плати по датчику, розташованому зверху, ПІД звичайно стабілізує температуру датчика, але при цьому температура нижньої сторони плати постійно гуляє в досить великих межах, що не є добре. Датчик закріплений на важелі, що складається з двох половин, з'єднаних шарніром (подібно руці з ліктем), що дозволяє легко встановити його в будь-який вільний місце на платі. Якщо виникають сумніви, чи туди потрапив датчик, завжди можна прикласти плату, потім зняти і подивитися відбиток термопасти, залишений датчиком. Притиск здійснюється за рахунок пружних властивостей самого важеля, цього цілком достатньо.
Якщо в конструкції механічної частини враховані вищезазначені рекомендації, Ви без праці налаштуєте як верхній, так і нижній ПІД на практично ідеальну роботу, керуючись методикою ув. Тіма Вескотт. Але є одне але. Як ні парадоксально, але в силу принципу вимірювання і деяких конструктивних особливостей ідеально працює ПІД аж ніяк не забезпечує хорошу роботу паяльної станції в цілому. ПІД управляє температурою датчика і гадки не має, яку температуру має плата або чіп в 10мм від нього. А тут уже все залежить від градієнтів, величини і напрямки потоків тепла, і визначати температуру можна тільки побічно. Пірометри теж не панацея, по-перше їх показання сильно залежать від виду вимірюваної поверхні, по-друге всі відомі мені недорогі піродатчікі потрібно розміщувати далеко від верхнього нагрівача, щоб уникнути прямого нагріву, і оснащувати оптикою, так як без неї виходить дуже велике поле зору . За точністю вони поступаються традиційним термопар і RTD. Завжди слід враховувати той факт, що верхній нагрівач гріє локальну область, і тепло розходиться від неї колами на всі боки іноді по самі вінця плати (якщо та невелика). Якщо просто зробити 2 незалежних ПІДАЄВ для верхньої та нижньої частини, виникає неприємний ефект: тепло від верху досягає нижнього датчика і підвищує його температуру вище уставки. ПІД, природно, на це реагує повним відключенням нижнього нагрівача, а верхній без підігріву знизу просто не в змозі нормально прогріти кулі, які не перегрів верхівку чіпа. У підсумку шлюб. Я у себе вирішив цю проблему наступним чином: після розігріву плати ПІДом до необхідної температури нижній ПІД відключається і переводить лампи в режим фіксованого потужності, а датчик використовується тільки для індикації температури. Величина цієї фіксованої потужності виміряна заздалегідь і забита в програму. Шляхом декількох тестових нагревов з різними фіксованими потужностями я побудував графік залежності сталої температури від потужності, дані з якого і заніс до свого контролер. Звичайно, при зміні температури в приміщенні і напруги мережі температура може повільно відповзає від заданої, але мережу у мене хороша, і на практиці уползаніе не перевищує десяти градусів, що для низу прийнятно. Була думка після виходу на «полицю» термопрофілю деякий час стабілізувати температуру ПІДом, при цьому запам'ятовувати середню потужність нагрівача і фіксувати вже на ній. Але для отримання достовірної величини цей час виходить досить великим, та й програма ускладнюється. Залишив поки так, може бути зроблю в наступній версії. До речі, про саму температурі низу. На мій погляд, температура розігріву всієї плати повинна бути якомога вище для полегшення роботи верху і зменшення ефекту «кіл на воді». Головне гарантовано не розплавити припій, щоб деталі знизу не повідпадали, якщо є щось ніжне знизу (пластикові роз'єми наприклад), їх потрібно захистити фольгою. У мене зараз при Безсвинцевий процесі плата розігрівається до 175градусов, при свинцевому 140.
Тепер про верху. Тут потрібна максимальна точність і неприпустимо навіть невелике перерегулювання. Також неприпустимі «гонки за уставкой», коли через велику і / або довгого неузгодженості нагрівач тривалий час працює на повну потужність. Багато застосовують розбивку кінцевого (самого гарячого) ділянки термопрофілю на багато дрібних кроків (кожний наступний крок не починається до тих пір, поки не «устаканиться» попередній). Це дуже ефективний спосіб. Я ж просто зменшив до мінімуму диференціальну складову в верхньому ПІДЕ, щоб регулятор «не робив різких рухів» потужністю, цього виявилося достатньо. Швидкість нагріву на кінцевій фазі не коштує робити занадто великий, досить десь 0.3 ... 0.5градусов в секунду, інакше зросте різниця чіп-датчик (вищезгаданий градієнт).
Тепер про ще один важливий момент - підтримках. Стандартний стеклотекстолит FR-4 має температуру розм'якшення 125градусов (так звана температура склування). Вище неї його можна гнути руками майже як пластилін, а при охолодженні він запам'ятовує нову форму. Відповідно при нагріванні плата провисає, і після охолодження (якщо немає підтримок або вони неправильно встановлені) приймає форму вертолітного гвинта. Підтримок повинне бути якомога більше, приблизно через кожні 7..8см. Найбільш поширені дві основні конструкції кріплення плати на столі: «вільна», це коли плата за допомогою стійок, вставлених в штатні кріпильні отвори, просто вільно лежить на сітці або склі, і «жорстка», де плата затискається з боків, а проміжні підтримки виконують допоміжну роль, просто не дають їй провисати. Перша конструкція прогрессивней, але для неї важко знайти жорстку непрогибающуюся сітку або ІК-прозоре скло. На моїй станції стіл рухливий, тому довелося застосувати другу конструкцію. Побоювання, що плата буде вигинатися через теплового розширення, не виправдалися. При звичайному для паялкі перепаді температур в 200градусов розширення навіть найбільшою деськтопной материнки не перевищує 0.5 мм, тому якщо затискати плату не дуже щільно, нічого нікуди не вигинається. До того ж ділянки плати, що опинилися за межами робочого вікна низу (а воно у мене 210х120мм), залишаються жорсткими і грають роль рамки, яка часто застосовується в промислових паяльних печах для боротьби з викривленням. Для боротьби з прогином вниз виготовив знімні підтримки з рухомими слайдерами, їх легко пересунути на місце, не зайняте деталями.
Думаю з часом додати ще і поперечки, утворивши щось на зразок великої решітки. Щоб можна було закріпити складні непрямокутні плати (ноутбучні і т.п.), зробив додаткові знімні «лапи» кріплення.
Всі ці заходи разом досить ефективні, «вертоліт» практично не спостерігається.
Під час роботи з'ясувалося, що в процесі очищення п'ятаків на випаяному чипі останній весь час хоче кудись втекти, утримувати його дуже незручно. Розкопав в загашнику обрізки склотекстоліти товщиною 2 мм і, не мудруючи лукаво, зробив ось таку мишоловку:
Зверніть увагу, що притискної куточок закріплений шарнірно одним гвинтом, що дозволяє йому самовстановлюється, рівномірно розподіляючи навантаження на чіп, а також без проблем закріплювати неквадратні (прямокутні) чіпи.
Ну що ж, це мабуть все. Всі вищезазначені висновки зроблені виключно з особистих спостережень, всіляких експериментів і вивчення літератури. Ні в якому разі не можна їх вважати догмою або істиною в останній інстанції. Будь-які зауваження і доповнення вітаються. В даний час мій апарат працює стабільно в повністю автоматичному режимі, шлюбу практично не буває. Думаю, що, прочитавши цю статтю, Вам буде набагато легше виготовити свій варіант апарату, оскільки багато питань стануть ясніше.