Przejdź do treści
wirelab
ende
Wszystkie wpisy

12 listopada 20269 min czytania

Lutowanie SMD dla początkujących: narzędzia, technika i BHP

Większość popularnych obudów SMD wlutujesz zwykłą stacją lutowniczą. Opisuję narzędzia, rozmiary obudów z not katalogowych, temperatury grota, technikę dla elementów 0805 i układów SOIC/TSSOP, usuwanie mostków i bezpieczeństwo przy oparach topnika i ołowiu.

Lutowanie SMD dla początkujących: narzędzia, technika i BHP

Elementy SMD (montowane powierzchniowo) wyglądają groźnie, ale większość popularnych obudów da się wlutować zwykłą stacją lutowniczą, bez pieca i bez gorącego powietrza. Trzeba tylko dobrać narzędzia, użyć topnika i opanować kilka prostych ruchów. Opisuję sprzęt, rozmiary obudów (z wymiarami z not katalogowych), technikę krok po kroku, poprawianie błędów i bezpieczeństwo.

Narzędzia: co naprawdę się przydaje

Stacja lutownicza z regulacją temperatury. To podstawa. Lutownica bez regulacji jest albo za zimna (lut nie płynie), albo za gorąca (grot szybko się utlenia, topnik wypala się, zanim zadziała). Brytyjski urząd BHP (HSE) wymienia lutownice z regulacją temperatury także wśród środków ograniczających ilość oparów topnika.

Grot. Hakko zaleca, żeby rozmiar grota pasował do wielkości miejsca lutowania: za mały słabo przekazuje ciepło, za duży może uszkodzić płytkę. W praktyce na start wystarczą dwa:

  • ścięty (typ „dłuto” albo ścięty walec, u Hakko kształty D i BC/C) do rezystorów 0805/0603 i do lutowania „z przeciąganiem”,

  • nożowy (K) albo ścięty z wgłębieniem (BCM/CM) do układów z gęstymi wyprowadzeniami. Hakko poleca BCM/CM wprost do drag solderingu, bo wgłębienie trzyma nadmiar cyny i zmniejsza ryzyko mostków.

Bardzo cienki szpiczasty grot nie ułatwia SMD, bo z tego samego powodu słabo oddaje ciepło.

Pinceta. Prosta albo wygięta, z cienkimi, dobrze schodzącymi się końcami. To nią trzymasz element, gdy lutujesz pierwsze wyprowadzenie.

Topnik. Najważniejszy materiał przy SMD. Cyna z rdzeniem topnikowym to za mało, bo topnik z drutu wypala się w ułamku sekundy. Wygodny jest topnik w strzykawce (żel/pasta) albo w pisaku. Popularne są topniki „no‑clean”: na przykład MG Chemicals w karcie technicznej swojego topnika 8341 pisze, że w typowych zastosowaniach pozostałości nie trzeba usuwać.

Cyna. Cienki drut, np. 0,5 mm, ułatwia dozowanie małych ilości. Wybór między cyną ołowiową a bezołowiową omawiam niżej.

Plecionka (knot) do rozlutowywania. Miedziana taśma nasączona topnikiem, która „wysysa” nadmiar cyny. LCSC w poradniku zaleca najwęższą plecionkę, która pokrywa pole: około 0,8–1,0 mm do pól 0402/0603 i 1,5–2,0 mm do wyprowadzeń SOIC i QFP.

Powiększenie. Lupa, okulary powiększające albo mikroskop stereoskopowy. Przy 0603 i TSSOP bez powiększenia nie ocenisz, czy lut jest dobry.

Opcjonalnie: hot air. Stacja na gorące powietrze przydaje się do QFN (pole pod spodem), do zdejmowania układów i przy dużej liczbie elementów. Na start nie jest konieczna.

Do tego: gąbka lub druciak do grota, alkohol izopropylowy z pędzelkiem i pochłaniacz oparów.

Rozmiary obudów

Nazwy rezystorów i kondensatorów chip to w praktyce rozmiary w setnych częściach cala, np. 0805 to około 0,08 × 0,05 cala. Istnieje też zapis metryczny w dziesiątych częściach milimetra (0805 = 2012). Łatwo je pomylić, bo „0603” w zapisie metrycznym oznacza zupełnie inny, dużo mniejszy element. Wymiary z noty rezystorów Vishay D/CRCW e3:

Rozmiar (cale / metryczny)

Długość

Szerokość

Wysokość

0805 / 2012

2,0 mm (+0,20/−0,10)

1,25 ± 0,15 mm

0,5 mm

0603 / 1608

1,55 mm (+0,10/−0,05)

0,85 ± 0,10 mm

0,45 mm

0402 / 1005

1,0 ± 0,05 mm

0,5 ± 0,05 mm

0,35 mm

Wysokość i tolerancje różnią się między producentami i typami, a kondensatory ceramiczne bywają wyższe. Tabela pokazuje przede wszystkim skalę. Na start polecam 0805, a 0603 po kilku udanych płytkach. 0402 zostaw na później.

Obudowy układów (przykłady z rysunków Nexperia):

Obudowa

Wyprowadzenia

Raster

Korpus (dł. × szer. × wys.)

SOT23 (TO‑236AB)

3

0,95 mm

2,9 × 1,3 × 1,0 mm

SO8 / SOIC‑8 (SOT96‑1)

8

1,27 mm

4,9 × 3,9 × 1,75 mm

TSSOP14 (SOT402‑1)

14

0,65 mm

5,0 × 4,4 × 1,2 mm

HVQFN16 (SOT763‑1)

16

0,5 mm

3,5 × 2,5 × 1,0 mm

HVQFN32 (SOT617‑3)

32

0,5 mm

5 × 5 × 0,85 mm

TSSOP i QFN występują w wielu rozmiarach i z różną liczbą wyprowadzeń, więc zawsze sprawdzaj notę konkretnego układu. Kolejność trudności dla początkującego wygląda mniej więcej tak:

kod
łatwo ────────────────────────────────────────────► trudno
0805 → SOIC (1,27) → SOT23 → 0603 → TSSOP (0,65) → 0402 → QFN

To skala orientacyjna, nie norma. QFN jest na końcu, bo jego pola są pod spodem lub tylko lekko wystają, a często ma też duże pole termiczne pośrodku, którego lutownicą nie dosięgniesz. Tu zwykle potrzebny jest hot air albo pasta i piec.

Temperatura grota

Zamiast jednej „magicznej” liczby lepiej zrozumieć zasadę. American Hakko proponuje taką regułę: lut powinien mieć temperaturę około 50 °C powyżej temperatury topnienia stopu. Do tego dochodzi zapas na odzysk ciepła: około 70 °C dla stacji z szybkim odzyskiem (np. Hakko FX‑951) i około 100 °C dla klasycznej (np. Hakko 936). Wychodzą z tego zakresy nastaw:

Stop

Temp. topnienia

Nastawa stacji wg Hakko

Sn63/Pb37 (ołowiowy)

183 °C

ok. 303–333 °C

SAC305 (bezołowiowy)

ok. 220 °C

ok. 340–370 °C

Brytyjski dystrybutor Hakko dodaje, że nastawę trzeba trzymać tak nisko, jak się da przy dobrym lucie, bo cyna bezołowiowa utlenia grot wyraźnie szybciej niż ołowiowa. Radzi też cynować grot przed odłożeniem lutownicy na podstawkę. HSE też zaleca najniższą temperaturę, przy której da się poprawnie lutować. Wniosek praktyczny: zacznij od dolnej granicy zakresu i podnoś ją dopiero wtedy, gdy lut „nie chce płynąć”. Przy dużych polach masy i grubych ścieżkach potrzeba więcej ciepła niż przy małym rezystorze. Często lepiej wtedy zmienić grot na większy, niż podkręcać temperaturę.

Ołowiowa czy bezołowiowa? Sn63/Pb37 topi się niżej (183 °C wobec ok. 220 °C dla SAC305), a Hakko zauważa, że cyna bezołowiowa ma większą lepkość i łatwiej robi mostki. Z drugiej strony ołów jest toksyczny, więc przy tej cynie higiena ma szczególne znaczenie (niżej). Jeśli płytka ma trafić do sprzedaży w UE, dyrektywa RoHS co do zasady wymaga lutowia bezołowiowego, więc przy takich projektach warto od razu ćwiczyć na nim.

Technika krok po kroku: element dwukońcówkowy (0805/0603)

Metoda „jedno pole najpierw” to podstawa ręcznego SMD:

kod
 1) cynujesz JEDNO pole         2) przykładasz element pincetą,
                                   grzejesz pole, element "wpada" w cynę
   ┌───┐        ┌───┐             ┌───┐ ┌──────┐ ┌───┐
   │▓▓▓│        │   │             │▓▓▓│█│ R1   │ │   │
   └───┘        └───┘             └───┘ └──────┘ └───┘
   pole A       pole B             lut A           pole B

 3) lutujesz drugą stronę        4) poprawiasz pierwszą (świeży topnik)
   ┌───┐ ┌──────┐ ┌───┐
   │▓▓▓│█│ R1   │█│▓▓▓│          → oba luty gładkie, wklęsłe,
   └───┘ └──────┘ └───┘            błyszczące (lub satynowe przy bezołowiowej)

  1. Nanieś odrobinę topnika na oba pola.

  2. Dotknij grotem jednego pola i dodaj minimalną ilość cyny. Wystarczy cienka warstwa.

  3. Chwyć element pincetą, połóż go na polach i dotknij grotem zacynowanego pola. Cyna się stopi, a element osiądzie. Zabierz grot, a element trzymaj jeszcze sekundę.

  4. Sprawdź pod lupą, czy element leży płasko i równo na obu polach. Jeśli nie, podgrzej lut i popraw.

  5. Przylutuj drugą stronę: grot dotyka jednocześnie pola i końcówki, cynę podajesz w miejsce styku.

  6. Wróć do pierwszej strony, dodaj odrobinę topnika i dogrzej, żeby lut ładnie się rozpłynął.

Typowy problem to „nagrobek” (element staje na jednej końcówce). Zwykle oznacza, że jedna strona dostała dużo więcej ciepła lub cyny niż druga. Podgrzej, połóż i zacznij od nowa.

Układy z wieloma wyprowadzeniami: przyklejenie i drag soldering

Dla SOIC, SOT23 i TSSOP stosujesz ten sam początek: zacynuj jedno narożne pole, ustaw układ i przylutuj jedną nóżkę. Teraz najważniejszy moment: sprawdź pod powiększeniem, czy wszystkie nóżki leżą dokładnie na swoich polach. Poprawienie jednej nóżki to kilka sekund, a przesunięcie układu po przylutowaniu wszystkich to prawdziwa męka. Potem przylutuj nóżkę w przeciwnym narożniku.

Resztę możesz lutować nóżka po nóżce (przy SOIC to całkiem wygodne) albo metodą drag soldering, którą Hakko opisuje dla układów QFP i podobnych:

kod
   kierunek przeciągania grota ─────────►
        ╲ grot z kroplą cyny
   ═╤═══╤═══╤═══╤═══╤═══╤═══╤═   ← nóżki układu
    │▓▓ │▓▓ │▓▓ │   │   │   │    ← pola (część już polutowana)

  1. Obficie nałóż topnik na nóżki i pola. Hakko podkreśla, że topnik nałożony przed lutowaniem pomaga uniknąć mostków.

  2. Nabierz na grot trochę cyny (albo podawaj ją w trakcie, zależnie od kształtu grota).

  3. Powoli przeciągaj grot wzdłuż rzędu nóżek, na ich końcach, nie dotykając korpusu układu. Napięcie powierzchniowe rozdzieli cynę na poszczególne połączenia.

  4. Obejrzyj wynik pod lupą. Mostek między nóżkami przy tej metodzie to norma, a nie porażka.

Naprawa mostków

Mostek to cyna łącząca dwa sąsiednie wyprowadzenia. Sposoby, od najprostszego:

  1. Topnik i czysty grot. Nałóż świeży topnik, oczyść grot z nadmiaru cyny i przeciągnij go przez mostek, od korpusu na zewnątrz. Często nadmiar cyny przejdzie na grot. Hakko opisuje to dla grotów nożowych i ściętych, z ostrzeżeniem, żeby nie ustawiać grota zbyt stromo, bo można uszkodzić płytkę.

  2. Plecionka. Połóż plecionkę na mostku, dociśnij grotem i poczekaj, aż cyna wsiąknie. Według LCSC plecionkę i grot unosisz razem, jednym ruchem, póki cyna jest płynna. Przeciąganie stygnącej plecionki po płytce może zerwać pole. Nasyconą część plecionki od razu odetnij.

kod
   grot
    ▼
  ┌──────────────┐  ← plecionka (świeża, z topnikiem)
  │▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒│
 ═╧══╤═════╤══╧═   ← mostek między nóżkami wsiąka w miedź

Po plecionce połączenia bywają „suche”. Wtedy dodaj topnik i dogrzej każdą nóżkę albo zrób jeszcze jedno lekkie przeciągnięcie.

Czyszczenie topnika

Po lutowaniu zostają lepkie, bursztynowe resztki topnika. W przypadku topników no‑clean producent zwykle dopuszcza ich pozostawienie (sprawdź kartę techniczną swojego topnika). Mimo to warto je zmyć, choćby po to, żeby lepiej obejrzeć luty. ZESTRON, producent środków do mycia PCB, opisuje alkohol izopropylowy (IPA) jako popularny środek do ręcznego, miejscowego czyszczenia, ale z zastrzeżeniami: nie usuwa dobrze wszystkich rodzajów pozostałości, jest łatwopalny i może wpływać na niektóre tworzywa i kleje. Praktycznie: pędzelek, IPA, szorowanie, wytarcie niepylącą chusteczką. Rób to z dala od gorącego grota i przy wentylacji.

Bezpieczeństwo

  • Opary topnika. Według HSE opary topników kalafoniowych (kalafonia to inaczej colophony/rosin) są częstą przyczyną astmy zawodowej, a kontakt z nimi i z pozostałościami może powodować problemy skórne. Nie pochylaj się nad lutem tak, żeby dym leciał prosto w twarz. Zapewnij wentylację, a najlepiej pochłaniacz lub odciąg przy stanowisku. HSE przestrzega przed urządzeniami filtrującymi, które oddają powietrze do pomieszczenia bez filtra HEPA. Jeśli to możliwe, rozważ topnik bez kalafonii lub o jej obniżonej zawartości.

  • Ołów. Przy cynie ołowiowej myj ręce przed jedzeniem, piciem i po skończonej pracy (HSE zaleca mycie rąk przed każdą przerwą). Nie jedz przy stanowisku.

  • Temperatura. Grot ma kilkaset stopni. Odkładaj lutownicę zawsze na podstawkę i wyłączaj stację po pracy.

  • Oczy. Okulary ochronne przydają się przy obcinaniu wyprowadzeń i przy pracy z gorącym powietrzem. HSE (INDG249) wymienia ochronę oczu wśród środków ochrony osobistej.

  • IPA jest łatwopalny. Trzymaj butelkę z dala od grota i dyszy hot air.

Płytki ćwiczeniowe

Nie zaczynaj od drogiej płytki. Do treningu nadają się:

  • zestawy ćwiczeniowe SMD z polami na elementy chip i kilka układów SOIC/TSSOP (hasła „SMD practice kit”, „zestaw do nauki lutowania SMD”),

  • zepsute płytki z elektrośmieci: ćwicz zdejmowanie elementów i wlutowywanie ich z powrotem,

  • proste zestawy z efektem (migające diody), bo praktyka z celem lepiej motywuje.

Kolejność nauki: 0805, SOIC, SOT23, 0603, na końcu TSSOP z drag solderingiem. Krzywe luty na początku to norma. Zdjęcia pierwszych płytek można wrzucić na forum wirelab, łatwiej wtedy wyłapać błędy. Jeśli potrzebujesz zaprojektowania albo zmontowania płytki, opisuję to na stronie elektronika.

Źródła

Napisz