Паяем транзисторы

Когда говорят ?паяем транзисторы?, многие представляют себе простую операцию: приложил выводы к плате, прогрел — и готово. На практике же это один из самых критичных этапов сборки, где мелочи вроде температуры жала или выбора флюса определяют, будет ли устройство работать годы или выйдет из строя через месяц. Особенно это касается современных компонентов, тех же MOSFET или биполярных транзисторов, которые чувствительны к перегреву. Сам через это проходил — бывало, вроде всё сделал по инструкции, а параметры упали или вообще кристалл отходит. Потом разбирался, искал причины. Сейчас поделюсь тем, что наработано, с упором на силовую электронику, где требования к монтажу особенно жёсткие.

Почему транзистор — не резистор: физика процесса

Главная ошибка новичков — ставить знак равенства между пайкой пассивных компонентов и активных, тех же транзисторов. У резистора или конденсатора выводы массивные, тепло отводится равномерно. А у транзистора, особенно в корпусе TO-220 или SMD, есть кристалл, припаянный внутри к медной подложке. Если перегреть вывод, тепло по медной рамке дойдёт до этого внутреннего соединения. Припой там имеет свою температуру плавления, часто ниже, чем у нашего оловянно-свинцового. И вот уже возникает микротрещина, контакт ухудшается, сопротивление растёт. Увидеть это невооружённым глазом нельзя, но на тепловизоре потом видно локальный перегрев.

Поэтому первое правило — контроль температуры. Я, например, для монтажа силовых ключей, тех же MOSFET от OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, всегда пользуюсь паяльной станцией с точной регулировкой. На их сайте wfdz.ru в описании продукции прямо указаны рекомендуемые условия монтажа для каждого типа приборов. Это не просто формальность. У них в ассортименте, кстати, не только MOSFET, но и тиристоры, полевые транзисторы — компоненты, где перегрев при пайке может сместить пороговое напряжение.

Ещё один нюанс — время контакта. Даже при правильной температуре нельзя держать жало на выводе дольше 3-4 секунд. Особенно это критично для диодов Шоттки и быстровосстанавливающихся диодов, которые тоже есть в линейке Ванфэн. Их p-n переходы очень чувствительны. Была у меня партия диодов, вроде стандартных. Пайка шла на конвейере, и на одном из мест термопара станции сбилась. В результате перегрели несколько сотен штук. При проверке на стенде обратное напряжение пробоя у них оказалось ниже паспортного на 10-15%. Пришлось всю партию отбраковывать. Дорогой урок.

Инструмент и материалы: что реально работает в цеху

Говорят, что мастерство в руках, но с плохим флюсом и тупым жалом ничего не сделаешь. Для пайки транзисторов я давно отказался от активных кислотных флюсов. Да, они отлично обезжиривают и работают даже с окисленными выводами, но остатки потом разъедают контактные площадки, особенно если устройство работает в условиях перепадов влажности. Использую сейчас безотмывочные флюсы на основе канифоли с умеренной активностью. Главное — после пайки всё равно желательно промыть плату изопропиловым спиртом, особенно если транзисторы стоят плотно.

Паяльник. Идеальный вариант — станция с термофеном для SMD-компонентов. Большинство современных биполярных транзисторов и TVS-диодов поставляются именно в таких корпусах. Тут без равномерного прогрева всей зоны не обойтись. Для сквозного монтажа (THT), который ещё часто встречается в силовых блоках, подходит паяльник с жалом типа ?микроволна? или просто скошенное жало. Оно даёт хорошую площадь контакта и быстрый прогрев. Мощность — 40-60 Вт, не больше, чтобы не было инерции.

Припой. Споры о бессвинцовых припоях не утихнут никогда. С точки зрения надёжности, старый добрый Sn63Pb37 до сих пор вне конкуренции. Он имеет самую низкую температуру плавления среди эвтектических составов и отличную текучесть. Но если продукция идёт на экспорт в ЕС, приходится переходить на бессвинцовые, например, SAC305. Тут важно помнить: температура пайки вырастает на 30-40 градусов! Это дополнительный риск для компонента. При переходе на такой припой мы специально проводили испытания на термоудар для стабилитронов и тиристоров от Ванфэн, чтобы убедиться, что кристалл выдерживает новый режим.

Типичные сценарии пайки и где подстерегают проблемы

Рассмотрим два частых случая: замена неисправного компонента на плате и монтаж нового транзистора на чистую контактную площадку. При замене главная сложность — аккуратно удалить старый припой, не перегревая саму плату и соседние элементы. Особенно если плата многослойная. Я для этого использую оплётку для удаления припоя, смоченную во флюсе. Греть нужно с обратной стороны платы, подводя оплётку к выводу сверху. Ни в коем случае не ?долбить? паяльником по компоненту, пытаясь его расшатать. Так можно оторвать медную дорожку или термическую площадку.

При монтаже нового компонента на чистую поверхность есть своя тонкость — лужение. Многие сначала лудят выводы транзистора, потом лудят площадки на плате, а потом совмещают. Это не самый лучший путь. Избыток припоя может привести к образованию перемычек, особенно между близко расположенными выводами SMD-транзистора. Я делаю так: наношу на площадки немного флюса, кладу компонент, фиксирую его пинцетом или специальным вакуумным захватом, а затем паяю, подводя припой к месту соединения жала и вывода. Припой за счёт капиллярного эффекта сам равномерно распределяется под выводом. Это требует сноровки, но результат гораздо чище и надёжнее.

Особая история — пайка компонентов на радиатор. Часто для MOSFET или силовых диодных сборок требуется отвод тепла. Между корпусом компонента и радиатором обычно наносят термопасту или кладут теплопроводящую прокладку. Но иногда требуется и электрический контакт, если, например, фланец транзистора — это его сток, который нужно посадить на ?землю?. Тут используют изолирующие шайбы и специальные теплопроводящие пасты, которые не высыхают. Важно не перетянуть винт при креплении — можно расколоть керамический изолятор внутри корпуса. Контрольный момент — после затяжки проверяю мультиметром сопротивление между фланцем и радиатором, чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания через прокладку.

Контроль качества: как понять, что пайка удалась

Визуальный осмотр под лупой — это только первый этап. Нужно смотреть на блеск паяного соединения. Матово-зернистая поверхность (часто называемая ?оловянной чумой?) — признак перегрева или некачественного припоя. Угол смачивания должен быть острым, припой должен плавно ?обтекать? вывод и площадку, а не лежать каплей сверху. Но даже идеальная на вид пайка может быть холодной — когда припой и вывод не образовали интерметаллидного слоя из-за недостаточной температуры или плохого флюса. Такое соединение со временем рассыплется от вибраций.

Поэтому обязательный этап — электрическая проверка. Прозвонка на короткое замыкание между соседними выводами — это само собой. Но для силовых компонентов, особенно от производителя, который делает ставку на технологию процессов, как OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, важно проверять и ключевые параметры после монтажа. Например, для MOSFET — пороговое напряжение затвора (Vgs(th)) и сопротивление открытого канала (Rds(on)). Их смещение может прямо указывать на термический стресс при пайке. У нас в лаборатории для этого есть простейший стенд на базе источника-измерителя.

И, конечно, термоциклирование. Если устройство предназначено для суровых условий, собранный узел с новыми транзисторами гоняют в камере от -40 до +85 градусов. После нескольких десятков циклов снова проверяют параметры. Бывало, что партия диодов Шоттки, которые в статике показывали отличные результаты, после термоциклов начинала ?плыть? по обратному току. Причина — микротрещины в области пайки кристалла, которые не мы создали, но наш неидеальный монтаж мог усугубить. Это заставляет очень внимательно относиться к рекомендациям производителя.

Вместо заключения: мысли вслух о практике

Так что фраза ?паяем транзисторы? для меня давно превратилась в целый комплекс процедур, где важен каждый шаг. Это не высокое искусство, но ремесло, основанное на понимании физики и большом количестве проб и ошибок. Ошибки, кстати, самые ценные учителя. Помню, как пытался ускорить процесс и паял биполярные транзисторы для одного из блоков управления, используя термофен с неправильным профилем нагрева — слишком резкий подъём температуры. В результате у половины партии отвалились выводы от кристалла внутри корпуса. Пришлось срочно искать замену и заново пересматривать весь технологический лист.

Сейчас, когда беру в руки новую партию компонентов, например, тех же выпрямительных диодов или тиристоров от Ванфэн, первым делом смотрю не только на datasheet, но и на рекомендации по монтажу. Их команда инженеров в Жугао, этом ?краю долголетия?, явно вкладывает в это знание. И это логично: можно разработать идеальный технологический процесс производства полупроводникового прибора, но его надёжность в конечном счёте определяет тот, кто будет его паять на плату. Наше дело — не испортить их работу на этой последней миле.

В общем, пайка — это мостик между теорией и практикой в электронике. Делаешь его крепким — устройство работает годами. Сделаешь кое-как — проблемы будут сыпаться как из рога изобилия. И транзисторы, будь они MOSFET, IGBT или биполярные, всегда первыми сигнализируют о плохом монтаже. Стоит только прислушаться, а точнее — присмотреться и проверить.