Cel 3 części kursu lutowania

Podczas tej serii zawsze na początku znajdziecie bardzo skrótową informację na temat założeń dla danego artykułu. Kurs pisany jest zgodnie z pewnym planem i wcale nie zawsze będzie chodziło o idealne luty - czasami ważniejsze będzie coś innego.

Lutowanie (miękkie) w elektronice

Kurs lutowania oczywiście odnosi się do elektroniki, dlatego omawiane jest tutaj lutowanie miękkie. Podczas tego procesu zależy nam na połączeniu dwóch metali, za pomocą spoiny o temperaturze topnienia niższej od temperatury, w której topią się łączone metale. Lutowanie miękkie, to praca w zakresie do 450ºC, w elektronice działamy jednak bliżej 250ºC.

---

Warto też wiedzieć, czym jest lutowanie twarde, którego kurs nie omawia. Jest to łączenie metali za pomocą spoiwa roztopionego do temperatury ponad 450ºC (najczęściej do ~2000ºC). Tutaj zamiast lutownic używa się przykładowo palników acetylenowo-tlenowych, a samym spoiwem może być przykładowo czysta miedź. Oczywiście takie połączenia są znacznie mocniejsze, jednak nie znajdują zastosowania w elektronice. Z tej technologii korzysta się np. podczas łączenia rur.

Lutowanie w trzech krokach

Już teraz zapamiętaj, że proces lutowania w bardzo dużym uproszczeniu można skrócić do trzech kroków. Będzie to kolejno:

1. przyłożenie lutownicy do elementu i pola lutowniczego,
2. rozgrzanie lutowanych powierzchni,
3. roztopienie cyny o rozgrzane elementy.

Największym, najczęstszym i najgorszym błędem jest próba lutowania poprzez rozgrzewanie cyny na grocie, a następnie przenoszenie jej w miejsce lutowania. Tak zdecydowanie nie robimy!

Niezbędne wyposażenie

W tym odcinku kursu wykorzystamy w praktyce stację lutowniczą, cynę oraz uchwyt uniwersalny (trzecia ręka). Wszystkie te narzędzia opisałem dokładniej w poprzedniej części kursu. Dla formalności przypominam, że identyczny zestaw narzędzi można nabyć w Botlandzie:

Dodatkowe konieczne będą części z zestawu do kursu lutowania. W tej części będzie to płytka PCB oznaczona jako 1/5. Na razie nie potrzebujemy żadnych elementów.

Jeśli jeszcze nie macie kompletu elementów oraz płytek do kursu, to przypominam, że gotowe zestawy są dostępne również w Botlandzie:

Czym są płytki drukowane?

W zestawie przygotowanym na potrzeby kursu lutowania elementów przewlekanych znajduje się pięć płytek drukowanych, inaczej nazywanych PCB od angielskiego Printed Circuit Board. Biorąc pod uwagę, że jest to kurs dla początkujących poświęcę chwilę na ogólne przybliżenie tematu PCB.

Owe płytki drukowane, to "te takie zielone z elektroniką", jak to często można usłyszeć od osób nie znających tematu. Na pewno sam kojarzysz płytki, które widziałeś w urządzeniach elektronicznych.

---

Podczas kursu elektroniki zapewne spotkaliście się z płytkami stykowymi. Dla przypomnienia, były to plastikowej prostokąty z blaszkami w środku. W celu zbudowania urządzenia elektronicznego konieczne było ułożenie elementów w taki sposób, aby za pomocą blaszek oraz przewodów uzyskać odpowiednie połączenia elektryczne.

Jest to niesamowicie wygodne, ale do pewnego momentu. Jeśli skończymy projektowanie i testy, to zdecydowanie łatwiej będzie złożyć układ na płytce drukowanej. Połączenie takie będzie znacznie pewniejsze. Unikniemy również konieczności prowadzenia połączeń z luźnych przewodów.

Oczywiście jest to możliwe, ponieważ płytki są projektowane pod konkretne zastosowanie*. W tym celu wykorzystuje się specjalne oprogramowanie CAD. Jednym z najpopularniejszych wśród hobbystów jest EAGLE (zainteresowanych odsyłam do kursu).

* wyjątkiem są uniwersalne płytki drukowane, o których tutaj nie będziemy mówić.

Oczywiście na początku swojej przygody z lutowaniem będziesz korzystał z gotowych płytek. Tak, jak w przypadku tego kursu. Nie musisz przejmować się kwestią ich projektowania.

Budowa płytki drukowanej

Przejdźmy jednak do omówienia budowy płytki. Na początku przyda się zdjęcie poglądowe, poniżej widoczny jest złożony obwód testowy z kolejnego artykułu (ilość rezystorów, to zabieg celowy).

W związku ze sposobem projektowania i tworzenia PCB możemy na niej wyróżnić kilka warstw. Patrząc od góry na płytce widoczne są elementy (warstwa elementów), która również nazywana jest warstwą TOP. Następnie jest warstwa opisu, czyli tych białych nadruków na płytce. Dzięki nim bardzo łatwo lokalizujemy miejsce dla danego elementu.

W sposób graficzny całość przedstawia się następująco:

Następnie mamy główny element płytki, czyli laminat (najczęściej szklano-epoksydowy). Jest to izolator, czyli materiał, który nie przewodzi prądu. Standardowo ma on od 1.5 do 3 mm grubości.

Po odwróceniu płytki zobaczymy najciekawsze dla nas warstwy. Tym razem zacznijmy od razu od ilustracji, kontynuując powyższy przykład z jednym rezystorem:

Przez otwory wywiercone w laminacie nóżki elementów przechodzą na drugą stronę. Pierwszą warstwą po tej stronie jest warstwa ścieżek. Czyli odpowiednio ułożonych miedzianych połączeń. Taka goła płytka ze ścieżkami wygląda następująco (zdjęcie zaczerpnięte z kursu minisumo):

Kolejną warstwą jest soldermaska, czyli ta zielona farba pokrywająca spodnią stronę płytki. Jest to warstwa izolująca i zabezpieczająca miedź przed uszkodzeniem.

Miejsca, które mają być później lutowane (pady) nie są pokrywane soldermaską. Aby uchronić je przed światem zewnętrznym i ułatwić późniejsze lutowanie pokrywa się je cienką warstwą cyny, stąd nazwa procesu: cynowanie. W droższych płytkach wykonuje się proces złocenia padów.

Między nóżką elementu, a pocynowanym padem lutowniczym "tworzy się miejsce", w którym będziemy roztapiać cynę. Właśnie tam połączymy element z całą płytką drukowaną.

Ile warstw ma płytka drukowana?

Podczas powyższego opisu przykładowej płytki wymieniałem kilka warstw (elementów, opisu...). Jednak na pytanie "ile warstw ma ta płytka" należałoby odpowiedzieć, że jedną!

Jeśli elektronik pyta o ilość warstw, to pomija te mniej ważne, czyli np. opisu. W takim pytaniu zawsze chodzi o ilość warstw miedzi. W tym przypadku mieliśmy tylko jedną, na spodzie.

Temat ten jest jednak dość skomplikowany, dlatego na tym zakończę. Najważniejsze, aby mieć świadomość, że ten kurs omawia płytki jednostronne z elementami przewlekanymi. Czyli takie, gdzie warstwa miedzi znajduje się tylko na spodzie, a nóżki wszystkich elementów przekładane są przez otwory wywiercone w laminacie.

Skąd biorą się płytki drukowane?

W ramach ciekawostki warto byłoby dowiedzieć się skąd biorą się takie PCB. Mamy dwie opcje, pierwszą będzie samodzielne wykonania płytki. Laminat pokryty miedzią można kupić w prawie każdym sklepie.

Jednak jak pozbyć się miedzi z niechcianych miejsc i utworzyć połączenia? W tym celu należy przenieść zaprojektowany wzór na płytkę (najczęściej fotochemicznie lub termotransferem). Następnie płytkę należy wytrawić, czyli w środku chemicznym.

Drugą opcją jest zlecenie zadania firmie, która się w tym specjalizuje. Niestety nie jest to najtańsze rozwiązanie, jednak jakość otrzymanych płytek będzie nieporównywalnie lepsza. Szczególnie przy bardziej skomplikowanych PCB.

Płytki dołączone do zestawu zostały wykonane w specjalistycznej firmie. Dane kontaktowe do polecanych producentów znaleźć można w naszym katalogu firm »

Co będziemy lutować?

Celem tej części, tak jak wspomniałem we wstępie, jest obycie się z lutownicą. Dlatego nie będziemy jeszcze lutować elementów elektronicznych. Zajmiemy się pokryciem cyną odpowiednio zaprojektowanych padów.

Płytka PCB składa się z 4 sekcji:

Odpowiednio:

1. Zielona sekcja - pady połączone trójkami,
2. Pomarańczowa sekcja - pady połączone w duży prostokąt,
3. Czerwona sekcja - pady połączone w duży prostokąt (bez odstępów),
4. Brak koloru - okrągłe pady z otworami (do przełożenia elementów).

Pozornie pierwsze 3 sekcje są identyczne. W końcu srebrne pola lutownicze są tej samej wielkości. Jednak tutaj kluczowe jest ich połączenie. Dzięki temu będziemy mogli sprawdzić jak okolica lutowanego miejsca wpływa na cały proces. Do czego wrócimy później.

Ustawienie sprzętu

Zacznijmy od ustawienia trzeciej ręki, czyli uniwersalnego uchwytu. Dzięki niemu możliwe będzie wygodne lutowanie unieruchomionej płytki. Najlepiej narzędzie trzymać tuż przed sobą.

W związku z tym, że lutując wywieramy na płytkę delikatny nacisk całość musi być dobrze skręcona. Ja dodatkowo proponuję stosunkowo ciężką lupę przekręcić do tyłu. Będzie ona dobrą przeciwwagą.

Moja propozycja ustawień:

Pierwszy kontakt z lutownicą

Pora na pierwszy kontakt z lutownicą. Stację wraz ze stojakiem na lutownicę stawiamy na stole po prawej stronie. Taka opcja będzie najwygodniejsza dla osób praworęcznych. Najważniejsze, aby nie sięgać po lutownicę na skos (unikniemy plątaniny kabli).

Następnie przed podłączeniem do prądu warto zapoznać się z ekstremalnie prostym interfejsem naszej stacji. Na przednim panelu znajdziemy diodę sygnalizacyjną oraz duże pokrętło, którym wybieramy interesującą nas temperaturę.

Oczywiście najpierw należy podłączyć samą lutownicę do odpowiedniego gniazda. Wtyczki nie da się podłączyć odwrotnie, więc nie musimy się niczego obawiać. Następnie dokręcamy nakrętkę. Szansa, że będziemy ją odkręcać w przyszłości jest dość nikła.

Również przed podłączeniem do prądu koniecznie ściągamy z grota ochronną rurkę. Była ona przydatna tylko podczas transportu stacji. Jest to dobry moment, aby zapoznać się również z budową lutownicy. Nie trzeba tego robić samemu, wystarczy spojrzeć na poniższe zdjęcie.

Jak widać, po odkręceniu nakrętki możemy ściągnąć osłonę i wyjąć grot. Należy robić to ostrożnie, aby nie uszkodzić białej grzałki. W przyszłości, gdy zaczniesz pracę z mniejszymi elementami będziesz mógł dokupić cieńszy grot.

Teraz można już podłączyć stację do prądu i włączyć przełącznik znajdujący się na prawym boku. Temperaturę ustawiamy między 250, a 300ºC i czekamy, aż dioda przestanie świecić.

W między czasie koniecznie moczymy gąbkę dołączoną do zestawu. Dzięki niej będziemy mogli łatwo czyścić końcówkę lutownicy. Gąbka powinna być wilgotna, a nie całkowicie przemoczona!

Cynowanie grotu

W Internecie można spotkać różne metody dbania o grot. Naszym celem jest to, aby zawsze był piękny i błyszczący. Cynowanie, to roztopienie na końcówce grota dużej ilości cyny, a następnie oczyszczenie go za pomocą gąbki. Po takiej operacji całość powinna być gładka i srebrna.

Nasz grot na pewno nie może wyglądać np. tak:

Teraz możemy już (!) spokojnie zająć się lutowaniem.

Sekcja 1 - "pady łatwe"

Zacznijmy od przypadku, gdy nasze pady połączone są z resztą układu za pomocą cienkiej ścieżki. Sytuacja ta ma jedną wadę oraz jedną zaletę. Dużym plusem będzie to, że ogrzewana powierzchnia jest stosunkowo mała, więc szybko osiągnie odpowiednią temperaturę. 

Niestety z drugiej strony, tak mała powierzchnia sprawi, że łatwo możemy przegrzać laminat i zerwać pole lutownicze.

Wiemy, czego się spodziewać, więc pora na działanie. Wracamy do płytki zamocowanej w uchwycie. Na początku chcemy pokryć cienką warstwą górne pady lutownicze.

Aby nanieść cynę na pady na początku należy przyłożyć grot do pola i poczekać aż się nagrzeje. Nie powiem dokładnie ile trzeba czekać - ciężko to określić. Najważniejsze, aby działać spokojnie. Można przykładowo policzyć w głowie do 5.

Następnie przykładamy cynę do miejsca styku grota z padem. Pamiętając, że cyna ma się roztapiać głównie od ciepła pola lutowniczego. Jeśli wszystko poszło dobrze, to po skończeniu na padzie zobaczymy błyszczącą, równomierną wypukłość. Warto pamiętać, aby po roztopieniu cyny nie trzymać w niej długo rozgrzanego grota.

Najlepiej obrazuje to film:

Płyn wydzielający się podczas lutowania to topnik, o którym pisałem w poprzednim artykule.  Dzięki niemu cyna rozpływa się znacznie lepiej po polu lutowniczym. Drobne ślady, które widoczne są po zakończeniu lutowania można zmyć za pomocą izopropanolu.

Śmiało, spróbuj - teraz Twoja kolej z lutowaniem! Poniżej kilka zbliżeń na moje wyniki. Sprawdź różne czasy grzania, możesz też eksperymentować z ilością cyny i temperaturą.

Sekcja 2 - "pady średnie"

Teraz pora na kolejne pady. Tym razem są one połączone między sobą za pomocą 4 cienkich ścieżek. Co więcej, dookoła padów jest miedź, która jest bardzo dobrym przewodnikiem, również termicznym. Gdy tylko zaczniesz ogrzewać pole lutownicze jego sąsiedztwo zacznie odbierać mu ciepło.  Jak pewnie już się domyślasz utrudni to roztopienie cyny.

Tym razem na początku przykładałem lutownicę specjalnie odrobinę za krótko. Jak widać cyna wtedy nie rozpływała się tak łatwo po całym padzie:

Z bliska ostatecznie mój efekt wyglądał tak:

Sekcja 3 - "pady trudne"

Jak nie trudno się domyśleć ostatnia sekcja, w której pady nie są od siebie oddzielone będzie najtrudniejsza. Tutaj podgrzanie miedzi do odpowiedniej temperatury będzie ciężkie. Podczas tego przykładu warto nawet delikatnie podnieść temperaturę lutownicy np.: do 300 stopni.

Na poniższym filmie widać, co dzieje się, gdy za słabo podgrzejemy pad. Podczas nakładania cyny na pierwsze pola lutownicze musiałem przytrzymać później dłużej grot, unikaj takich sytuacji!

Ostatecznie całość nie wyszła jednak tak źle:

Nie przejmuj się, jeśli Twoje pierwsze luty wyglądają inaczej. Wszystko przyjdzie z czasem. Zresztą moje również nie są idealne. Na koniec jeszcze widok na ostateczną wersją od góry:

Jeśli napotkałeś problemy z realizacją tych zadań, to dokładnie przeanalizuj poniższą sekcje. Efektami swojej pracy podziel się w komentarzu - zdjęcia mile widziane!

Lutowanie - częste błędy

Jeszcze nie zabraliśmy się za lutowanie elementów, a już będzie mowa o błędach? Tak niestety, ale na tym etapie można zrobić już kilka błędów. Najczęstsze z nich to:

• zbyt mała ilość cyny (nie pokrywa całego pada),
• za duża ilość cyny,
• lutowanie przy zbyt niskiej temperaturze.

Jak uniknąć powyższych błędów? To dość oczywiste (wybrać odpowiednią temperaturę i użyć optymalnej ilości cyny). Ciężej z podaniem złotego środka, jak to osiągnąć.

W celu łatwiejszej identyfikacji problemów nakręciłem film, który pokazuje powstawanie każdego z wyżej wymienionych błędów (zrobiłem to na starszej, prototypowej płytce):

Jeśli podczas Twojej nauki powstały powyższe błędy, to nie przejmuj się nimi teraz. Podczas dalszych artykułów zajmiemy się również tematem naprawy najczęstszych problemów!

Podsumowanie

Część ta jest stosunkowo długa, ale musiałem opisać w niej fundamentalne podstawy. Gdy przejdziemy dalej skupimy się na lutowaniu elementów. Pokażę dokładnie, jak i gdzie przykładać grot oraz ile cyny stosować. To była dopiero wprawka! Jeśli myślisz, że ćwiczenia te nie miały sensu, bo w praktyce nie spotykamy takich padów otoczonych miedzią, to jesteś w dużym błędzie! Już niedługo przekonasz się, gdzie przydaje się wiedza z tego odcinka!

Najważniejsze do zapamiętania po tej lekcji:

1. idealny lut jest gładki i błyszczący,
2. nigdy nie przenosimy cyny na grocie,
3. temperatura oraz czas grzania powinny być dobrane do konkretnego miejsca na płytce,
4. należy dbać o czystość grota - nigdy materiałami ściernymi/ostrymi.

W kolejnym artykule zajmiemy się wlutowaniem, do omawianej tutaj płytki, brakujących elementów. Jeśli macie pytania, to zachęcam do komentowania. Na pewno wspólnie rozwiążemy powstałe problemy. Proszę tylko, aby dyskusja dotyczyła konkretnie omawianych tu przykładów.

Autor kursu, zdjęć i wideo: Damian (Treker) Szymański
Autor wzoru PCB: Michał Kurzela

cyna, kursLutowania, lutowanie, lutownica, pady, PCB