Разработка и изготовление инфракрасного нижнего подогрева для пайки

Введение

В 2020-м году участниками хакерспейса CADR принято решение оборудовать hardware-зону с рабочим местом для монтажа и ремонта. Для качественного монтажа в некоторых случаях необходимо использовать инструмент "нижний подогрев" обеспечивающий поддержание стабильной температуры поверхности платы и уменьшающий необходимое время нагрева припоя до температуры плавления.

Постановка задачи, поиск исполнителей

Для сборки плат, имеющих двухсторонний монтаж элементов, не подходит нижний подогрев, который требует непосредственного контакта с поверхностью платы для передачи тепла. При двухстороннем монтаже используется подогрев работающий на ИК-излучателях, т.к. инфракрасное излучение обеспечивает нагрев PCB, не имеющих ровной нижней поверхности в случае наличия смонтированных SMD-элементов.

Доступные в продаже готовые устройства имеют высокую стоимость в среднем 20т.р.

По ТЗ необходимо разработать бюджетное устройство обеспечивающее нагрев PCB с использованием инфракрасного излучения. Устройство должно обеспечивать стабильный результат при известных недостатках.

Команда разработки включала в себя SergeyPRS

Описание решения

В качестве основы изделия используется инфракрасная плита "Матрёна" МА-044.

Преимущества решения

Коэффициенты пропускания разных длин волн для разных материалов.

1. Низкая исходная цена. Плита доступна в продаже по цене от 1700р.
2. Устройство уже имеет корпус, нагревательный элемент и контроллер, это позволяет ускорить сборку и уменьшить затраты.
3. Поверхность плиты покрыта стеклом, которое обеспечивает фильтрацию диапазона излучения и легко очищается после использования.
4. Мощность нагрева регулируется от 100 Вт, что позволяет нагревать платы небольшого размера без риска перегрева.
5. Низкий корпус позволяет использовать конструкцию совместно с микроскопом с подходящим по высоте штативом.

Необходимые доработки

1. В исходном состоянии температура нагрева не стабилизируется и непрерывно растет при самой минимальной мощности нагрева. Для решения проблемы используется механический термостат, используемый для стабилизации температуры духовки.
2. Корпус не имеет креплений для надежной фиксации PCB в процессе сборки. Для решения проблемы крепления собираются из доступных подходящих по форме и размеру профилей.

Процесс сборки

Первые шаги

• 

  Шаг 0.
  Исходное состояние.

• 

  Шаг 1.
  Разбираем корпус плиты.

Установка термостата

• 

  Шаг 2.
  Подготовка механического термостата

• 

  Шаг 3.
  С помощью мультиметра ищем контакты замкнутые в исходном состоянии. Можно провести тест работоспособности термостата, нагрев колбу паяльным феном.

• 

  Шаг 4.
  На передней панели плиты сделать подходящие по размеру отверстия для фиксации термостата.

• 

  Шаг 5.
  Используя kapton tape изолируем витки трубки, чтобы избежать короткого замыкания элементов на плате.

• 

  Шаг 5 (продолжение).
  Используя kapton tape изолируем витки трубки, чтобы избежать короткого замыкания элементов на плате.

• 

  Шаг 6.
  Впаиваем термостат в разрыв красного провода идущего к нагревательному элементу.

• 

  Шаг 7.
  Располагаем баллон термостата над нагревательным элементом по центру, для этого аккуратно чтобы не повредить разгибаем тонкую трубку

• 

  Шаг 8.
  Собираем корпус плиты и фиксируем ручку термостата.

Первое тестовое включение плиты

Шаг 9. Устанавливаем на термостате температуру нагрева. Нажимаем кнопку включения питания. Выставляем мощность нагрева кнопками панели в соответствии с инструкцией к плите. Конфорка включается, при нагреве начинает светиться, черная полоса на фоне конфорки — колба термостата под стеклом над конфоркой. В момент нагрева до установленной температуры термостат отключается со звуком щелчка. Плита при этом работает независимо от состояния термостата т.к. в этой бюджетной модели доступность нагревательного элемента не проверяется и отключения не происходит, для задачи это преимущество, т.к. упрощает конструкцию.

• 

  Шаг 9.

Сборка крепления для фиксации платы из профилей

• 

  Шаг 10.
  Сборка крепления для фиксации платы из профилей.
  На фото: П-образный профиль.

• 

  Шаг 10 (продолжение).
  Плоский профиль 15х2х1000мм.

Шаг 11. Из П образного профиля необходимо нарезать 4 П-образных крепления, шириной равной ширине плоского профила — 15мм. Используя сверло по металлу 3,5мм нужно сделать в заготовке 4 отверстия. Винт DIN 965 вкрутить в полученные отверстия нарезая резьбу. Диаметр винта меньше диаметра отверстия и алюминий достаточно мягкий, чтобы не использовать метчик.

• 
• 

Разделить заготовку на 4 сегмента по 15мм шириной.

Из плоского профиля нарезать полосы на отрезки по 28,5мм используя ножовку по металлу. Используя сверло по металлу 6,5мм сделать в каждой заготовке по 2 отверстия. Отверстия с запасом по диаметру для подгонки в зависимости от поверхности платы.

• 

Получаем набор крепежа:

• 

Применение

Для создания защитного экрана используется фольга для запекания, желательно использовать фольгу повышенной прочности.

Экран применяется для ограничения площади нагрева только нижней поверхностью платы для защиты рук от нагрева ИК-излучением.

Экран также защищает плату от загрязнения в процессе пайки. К экрану можно подключить антистатик, если им оборудована паяльная станция.

Вырезаем лист из фольги по размерам верхней поверхности плиты:

• 

Помещаем плату на поверхность листа и вырезаем по контуру канцелярским ножом:

• 
• 

Помещаем края платы на крепеж собранный ранее из профилей. Между поверхностью платы и плиты расстояние около 3мм. Это позволяет выполнить нагрев плат на которых применяется двухсторонний монтаж.

• 

Фиксируем плату используя второй ряд профилей и гайки-барашки.

Выставляем мощность нагрева в зависимости от размера платы. Для плат небольшого размера 100, 500Вт.

Выставляем температуру стабилизации ручкой механического термостата. Температура выставляется приблизительно т.к. итоговая температура в зоне пайки зависит от размера платы, наличия теплоемких элементов, расстояния до поверхности плиты.

С помощью kapton tape фиксируем термопару k-типа в зоне пайки на поверхности платы. Т.е. итоговую температуру и в процессе пайки нужно контролировать используя мультиметр с функцией измерения температуры.

• 

Тест стабильности нагрева

Выставлена целевая температура нагрева 150*, мощность нагрева 500Вт. Замеры проводились мультиметром с термопарой к-типа зафиксированной kapton tape.

Результат с указанием времени замера на фото:

• 

Возможные доработки инструмента

1. Оборудование электронным термостатом -- например rex c-100. При этом контроль температуры осуществляется термопарой термостата, которую можно разместить непосредственно в зоне нагрева и исключить использование мультиметра. При этом получить более гибкие возможности настройки температурного режима. При использовании более продвинутой модели термостата возможно применение термопрофилей для пайки.
2. Оборудование медной плитой по размеру верхней поверхности плиты. В этом случае необходим непосредственный контакт поверхности платы и плиты для эффективного нагрева, но при этом получаем большую полезную площадь нагрева и стабильный нагрев по всей поверхности плиты за счет толщины, теплоемкости и материала.