Усовершенствованное устройство для выпаивания микросхем в корпусах QFN/QFP

В статье описано устройство для выпаивания электронных компонентов с плат на базе галогенных ламп, работающих от сетевого напряжения ~220 В, с цоколем R7s и патронов LH39, предназначенных для их подключения. Такие лампы и патроны для них, оснащенные фарфоровыми изоляторами, имеют большое преимущество по сравнению с галогенными автомобильными лампами с пластмассовыми цоколями, не выдерживающими высокую температуру при длительной работе [1]. В статье также описан регулятор мощности на базе симистора BTA04-600T и неоновой лампы NE-2B, дающий возможность управлять интенсивностью нагрева платы. Приводятся конструкции регулятора и нового устройства для выпаивания компонентов. Показаны результаты его работы.

Введение

Как показал опыт использования устройства для выпаивания микросхем с платы, описанного автором в статье [1], основанного на нагревании платы галогенной автомобильной лампой со стороны обратной расположению компонентов, оно действительно имеет большое преимущество по сравнению с традиционным способом, при котором нагрев платы со стороны расположения компонентов производится горячим воздухом фена. Описанный способ действительно хорош, и автор неоднократно им пользовался. Однако его реализация с помощью автомобильной галогенной лампы оставляет желать лучшего.

Дело в том, что автомобильная галогенная двухспиральная лампа, примененная в устройстве, описанном в статье [1], через некоторое время вышла из строя. Причиной этого стал достаточно сильный нагрев центрального контакта как самого цоколя лампы, так и контакта ответного разъема для неё, через которые проходит общий ток (около 10 А) обеих спиралей. В результате провод от лампы, приваренный к этому контакту, отскочил, а сам контакт безвозвратно засел в контакте ответного разъема, вокруг которого образовался пузырь из расплавленной пластмассы. Это произошло из-за того, что лампа проработала более 15 минут (автор отвлекся на телефонный звонок и забыл выключить устройство). Хотя для выпаивания микросхем, как было отмечено в [1], достаточно и 5 минут, покупать новую лампу и дорогой ответный разъем для нее у автора особого желания не было. Непонятно, как вообще такие лампы работают в фарах автомобилей, если включен дальний свет… Кроме того, в устройстве [1] требуется достаточно дорогой прибор для зарядки аккумуляторов автомобилей.

Автор решил выяснить, а существуют ли более надежные галогенные лампы с цоколем, например, из фарфора, который не плавится от высокой температуры, и соответствующие патроны для них? Как оказалось, такие лампы существуют; они, как правило, используются в прожекторах для освещения, которые могут работать часами, не выходя из строя. Это галогенные лампы, работающие от сетевого напряжения ~220 В, с цоколем R7s, оснащенные фарфоровыми изоляторами. Самыми короткими из них являются лампы длиной 78 мм (Рисунок 1).

Рисунок 1.	100-ваттная галогенная лампа с цоколем R7s с фарфоровыми изоляторами.

Для таких ламп имеются патроны, изоляторы которых также выполнены из фарфора, например, патрон LH39 (230V R7s J78), рассчитанный на максимальную мощность до 1500 Вт! Такой патрон, кроме того, оснащен специальными теплостойкими проводами длиной около 20 см с двойной изоляцией (внутренняя жила обмотана фторопластовой лентой, а поверх неё расположен еще один изолирующий слой из термостойкой стеклоткани).

Стоят такие лампы и патроны для них не более 50 руб./шт. Если лампы с цоколем R7s длиной 78 мм купить легко, т.к. они достаточно распространены, то цоколь для них LH39 почему-то не так распространен, однако автору все же удалось его найти. В крайнем случае, его можно приобрести на AliExpress, правда, по цене в несколько раз выше (около 200 – 250 руб.).

На базе таких ламп и патронов для них и было решено сконструировать новое устройство для выпаивания микросхем.

Конструкция устройства

Основой устройства (Рисунок 2) послужила дубовая струганая доска (оставшаяся от ремонта ) шириной 10 см и толщиной 1 см, от которой был отрезан кусок длиной 11 см. Патроны для двух ламп закреплены с помощью двух шестигранных латунных стоек длиной 10 мм, оборудованных с одной стороны шпильками с резьбой М4, с другой – внутренней резьбой М4. К доске стойки достаточно прочно прикручены через просверленные отверстия с обратной стороны винтами М4 с использованием широких кузовных шайб. Патроны (их два) крепятся к стойкам двумя гайками М4 и обычными шайбами. Провода пропущены через отверстия в доске (Рисунок 2а) на обратную сторону, где скоммутированы с сетевым проводом (обе лампы включены параллельно). Ввиду простоты схема не приводится. Коммутация осуществлена в распределительной коробке, прикрученной к доске двумя саморезами (она белого цвета на Рисунке 2б). Сетевой провод дополнительно приклеен к доске термоклеем. Для того чтобы устройство не скользило, по углам доски установлены мебельные пластмассовые подпятники, которые вместе с резиновыми ножками прикручены к доске саморезами и, чтобы не крутились, они дополнительно укреплены термоклеем. Чтобы невзначай не коснуться контактов патронов, находящихся под сетевым напряжением, и чтобы свет от ламп не слепил глаза, к доске с двух сторон двумя саморезами прикручены два уголка, согнутых под 90°, из алюминиевой полосы шириной 35 мм и толщиной 2 мм. К этим уголкам с помощью еще двух алюминиевых уголков 10×10 мм толщиной 1.5 мм, в которых просверлены отверстия и нарезана резьба, винтами М3 прикручена алюминиевая пластина, которая дополнительно снизу прикручена к доске саморезами. Такая конструкция обладает достаточной жесткостью и поэтому не подвергается какому-либо короблению от высокой температуры. Кстати, как показал опыт эксплуатации устройства, пластина и уголки даже особенно и не нагреваются, и к ним можно свободно прикасаться рукой (по ощущениям автора при работе ламп в течение 5 минут температура нагрева получившегося алюминиевого кожуха была не более 40 °C). Далее автор оставил включенным устройство на полчаса. За это время ничего с устройством не произошло, а кожух нагрелся чуть больше, но не до такой температуры, чтобы к нему нельзя было прикоснуться рукой (примерно на 50 °C).

а) б)
Рисунок 2.	Внешний вид устройства: (а) – вид со стороны патронов, (б) – вид снизу.

На свободное место доски установлено хорошо известное устройство «третья рука» (долгое время лежавшая без дела) с двумя зажимами типа «крокодил», которые достаточно прочно держат плату с выпаиваемой микросхемой на расстоянии около 20 мм от ламп (Рисунок 3). Для того чтобы свет от ламп не слепил глаза, с двух сторон платы были установлены две шторки из тонкого (1 мм) одностороннего стеклотекстолита, которые были прижаты к уголкам кожуха двумя канцелярскими зажимами медным слоем вниз. Расстояние между шторками легко регулируется и устанавливается в соответствии с размером платы. После 3 – 4 минут прогрева микросхема легко снимается обычным тонким пинцетом. При этом плата не выделяет никаких дополнительных запахов, поскольку особенно и не нагревается, хотя благодаря инфракрасному излучению ламп, проникающему сквозь плату и нагревающему дорожки, припой плавится достаточно интенсивно.

Рисунок 3.	Внешний вид включенного устройства с платой, зажатой в «крокодилах» «третьей руки».

Регулятор мощности

Автор проверял работу устройства с лампами мощностью 60, 100 и 150 Вт. Как показал эксперимент, при использовании ламп мощностью 60 Вт даже при 10-минутной выдержке платы на расстоянии 20 мм от ламп припой не плавится, и такие лампы применять нецелесообразно. При применении ламп мощностью 150 Вт, во-первых, уже после 2 минут прогрева плата настолько интенсивно нагревается, что начинает дымиться, выделяя неприятный запах, во-вторых, эти лампы очень яркие и слепят глаза. При применении ламп мощностью 100 Вт устройство работает идеально, и, как указано выше, для выпаивания компонентов достаточно 3 – 4 минут прогрева. При этом никаких неприятных запахов плата не выделяет.

Здесь следует заметить, что есть некоторые нюансы использования описанного устройства.

Во-первых, даже при применении 100-ваттных ламп, бывают случаи, когда их мощность следует несколько снизить. Если с платы требуется удалить относительно большое количество компонентов (например, с десяток конденсаторов, нескольких резисторов, диодов или более простых микросхем), то после разогрева припоя на это требуется некоторое время (несколько минут). За это время интенсивный нагрев может привести к тому, что плата может начать дымиться и выделять неприятный запах. Чтобы этого не произошло, интенсивность нагрева желательно уменьшить.

Во-вторых, для того чтобы использовать лампы мощностью 150 Вт, их интенсивность нагрева (как указано выше) также следует ограничить.

В-третьих, при включении ламп, когда их спирали еще холодные, в связи с чем они имеют низкое сопротивление, начальный ток может достигать достаточно больших значений, что чревато выходом ламп из строя, т.е. они могут попросту перегореть (что довольно часто случается при использовании ламп накаливания). В связи с этим при включении ламп их мощность следует ограничить.

Снять все эти три проблемы позволяет достаточно простой симисторный регулятор мощности, описанный ниже.

Основой схемы регулятора мощности (Рисунок 4) послужила давняя разработка автора [2], где использован симистор MAC97A8 в корпусе ТО-92 с максимальным током 1 А и максимальным током включения (IGT) 5 мА, подаваемым на управляющий электрод (G). Особенностью схемы является применение миниатюрной неоновой лампы NE-2B голубого цвета свечения размером всего 4×9 мм для управления симистором взамен динистора в хорошо известных подобных устройствах. Тройное преимущество неоновой лампы перед динистором заключается в следующем. Во-первых, два электрода такой лампы гальванически изолированы друг от друга, что не позволяет помехам сетевого напряжения, возникающим при переключениях симистора, проникнуть на его управляющий электрод. Во-вторых, достаточно слабый ток лампы (несколько мА), когда загорается газ неон, с одной стороны не превышает максимальный ток управляющего электрода симистора, с другой – достаточен для его включения. Обе эти причины предохраняют симистор от выхода из строя, или, другими словами, не позволяют сжечь симистор большим током, подаваемым на управляющий электрод, что существенно повышает надежность работы регулятора. И, наконец, в-третьих, неоновая лампа является своеобразным индикатором, по свечению которого можно судить о мощности, пропускаемой симистором. Здесь, правда, связь обратная – чем слабее светится лампа, тем бо́льшую мощность пропускает симистор. Хотя, конечно, о мощности, в нашем случае, можно судить и по свечению самих галогенных ламп.

Рисунок 4.	Симисторный регулятор мощности с неоновой лампой.

Как видно из схемы Рисунок 4, в ней используется симистор BTA04-600T (VD1) в корпусе ТО-220 с максимальным напряжением 600 В, максимальным током 4 А и максимальным током включения IGT в 5 мА (как и у MAC97A8), позволяющим управлять им с помощью неоновой лампы. Однако относительно большой ток симистора при работе при максимальной нагрузке, когда галогенные лампы работают на полную мощность, приводит к его разогреву. Поэтому для симистора необходимо предусмотреть небольшой радиатор. В качестве такового автор использовал алюминиевое днище корпуса, к которому прикручен симистор.

Здесь следует сделать некоторое отступление относительно корпусов симисторов. Симисторы с максимальным током 4 А (и более) выпускаются в корпусах двух типов. Первый тип – это стандартный корпус TO-220 с металлическим основанием, в котором имеется отверстие для его закреплении на радиаторе. В свою очередь, металлическое основание корпуса либо имеет контакт с центральным электродом симистора (MT2), либо изолировано от него. Второй тип – полностью изолированный пластмассовый корпус SOT186A (TO-220F), который также оснащен отверстием для его закреплении на радиаторе. Для того чтобы невзначай не коснуться рукой днища корпуса, оно должно быть изолировано от высокого сетевого напряжения. Если симистор в корпусе TO-220 имеет контакт металлического основания с центральным электродом, то для изоляции днища корпуса от высокого напряжения потребуется применить изоляционную прокладку желательно керамическую и специальную изоляционную втулку. Стоимость керамической прокладки довольно высока и достигает стоимости самого симистора, поэтому изоляцию такого типа применять нежелательно. Теплопередача металлического основания корпуса ТО-220 несколько выше теплопередачи пластмассового корпуса SOT186A. Поэтому наиболее целесообразно применять симисторы в корпусе TO-220 с изолированным металлическим основанием.

Кроме того, для того чтобы симистор управлялся малым током неоновой лампы, его ток управления не должен превышать 5 мА. Такие симисторы еще называют симисторами с управлением логическим уровнем (Logic level triac).

Резюмируя вышесказанное, наиболее целесообразно использовать симисторы в корпусе ТО-220 с изолированным металлическим основанием и с управлением логическим уровнем. Одним из представителей таких симисторов и является BTA04-600T (VD1), примененный в схеме Рисунок 4. Хороший результат показал также симистор BTA208X-1000C в полностью изолированном пластмассовом корпусе SOT186A.

Теперь о конструкции регулятора.

Он собран в пластиковом корпусе G1031BA размером 64×44×30 мм с алюминиевым днищем (Рисунок 5). Розетка Р1 (РД1-1, рассчитанная на ток 6 А) из карболита, в которую вставляется вилка от устройства с галогенными лампами (условно обозначенная на схеме Рисунок 4 как RН), расположена на узкой боковой поверхности корпуса, к которой она прикручена винтом М3 впотай и гайкой. Переменный резистор R1 (СП4-1 0.5 Вт), на шток которого надета ручка, и выключатель П1 (П1Т-1-1В, рассчитанный на ток 5 А) прикручены к верхней поверхности корпуса соответствующими гайками. Лампа (NE-2B размером 4×9 мм) вставлена в металлический держатель для светодиодов (RLL-3010), который также прикручен соответствующей гайкой к верхней поверхности корпуса. Внутренний диаметр трубки с резьбой этого держателя составляет 4.2 мм, так что лампа легко в него вставляется, а конусовидная полиэтиленовая пробка (поставляемая вместе с держателем) фиксирует лампу. Керамический конденсатор для поверхностного монтажа размером 2220 (5.6×5×1.8 мм) укреплен на одном из выступов розетки термоклеем. К одному из его контактов припаян резистор R3 (Рисунок 4), а к переменному резистору припаян резистор R2. Оба этих резистора спаяны между собой, и на них надет кембрик (трубка ПВХ), разрезанный вдоль и укрепленный с двух сторон термоклеем. Сетевой провод с вилкой В1 на конце пропущен через резиновую втулку, расположенную на второй узкой боковой поверхности корпуса и дополнительно зафиксированную термоклеем. Симистор VD1 прикручен к внутренней поверхности днища корпуса винтом М3 и гайкой с использованием теплопроводной пасты КПТ-8. Таким образом, поскольку все компоненты закреплены на корпусе, для схемы не требуется печатной платы, и все соединения выполнены монтажным проводом сечением не менее 0.5 – 0.8 мм², кроме проводов для неоновой лампы, которые имеют сечение 0.05 – .1 мм². Для того чтобы корпус не скользил, на днище прикручены 4 резиновые ножки.

а) б)
Рисунок 5.	Общий вид регулятора: (а) – в открытом корпусе, (б) – в сборе, в работе.

Автор проверял работу регулятора с лампами мощностью 150 Вт. Для приемлемого нагрева платы ручку резистора регулятора мощности следует установить приблизительно на 2/3 от максимального угла поворота, т.е примерно на 200° (максимальный угол поворота резистора СП4-1 составляет 300°).

При работе с лампами 100 Вт угол поворота должен быть максимальным. При этом выходное напряжение регулятора приблизительно на 10 В ниже входного, т.е. если входное напряжение составляет 220 В, то максимальное выходное напряжения будет 210 В. Минимальное напряжение при полностью выведенной влево ручке переменного резистора составило около 35 В. Измерение напряжений производилось стрелочным тестером (ТЛ-4) на диапазоне «~300 В» (т.е. измерялось действующее значение напряжения переменного тока).

Здесь следует добавить, что подобный регулятор с симистором, рассчитанным на ток 4 А, может использоваться и с другими устройствами, предназначенными для нагрева (паяльниками, электроплитками и т.п.), мощностью до 800 Вт, а с симистором с максимальным током 8 А мощность нагревателей может быть увеличена до 1.5 кВт.

Результаты работы устройства

Примеры работы устройства (Рисунок 6) достаточно красноречиво свидетельствуют о том, что с его помощью можно не только легко выпаять микросхему в корпусе QFN-24 – Рисунок 6а (хотя, конечно, и об этом), но также возможно выпаять микросхему в корпусе LGA-8 (Рисунок 6б), у которого контакты расположены на его дне и на достаточно приличном расстоянии от краёв, и разогреть эти контакты обычным паяльником не представляется возможным, не повредив саму микросхему. Кроме того, для того чтобы выпаять 24-контактный разъем (для подключения шлейфа), у которого к плате припаяны не только сами контакты, но и крепёжные площадки, расположенные по бокам (Рисунок 6в), требуется одновременно разогреть паяльником каждый контакт разъема и крепёжные площадки, что даже двумя паяльниками сделать невозможно.

а) б) в)
Рисунок 6.	Примеры выпаивания компонентов с плат: (а) – микроконтроллер EFM8SB20 в корпусе QFN-24, (б) – датчик давления и температуры BMP280 в корпусе LGA-8 (в) – разъем для подключения шлейфа FPC24/0.5 mm.

С помощью описанного устройства после разогрева платы все компоненты легко снимаются пинцетом.

Заключение

Описанное устройство для выпаивания микросхем на базе галогенных ламп мощностью 100/150 Вт с цоколем R7s длиной 78 мм, работающих от сетевого напряжения, и патронов для них LH39 с использованием симисторного регулятора мощности показало надёжную работу. Все выпаянные таким способом компоненты вполне работоспособны (это касается и программы, зашитой в микроконтроллер) и пригодны для повторного использования. Комплектующие для подобного устройства недороги, а конструкция достаточно проста для изготовления своими силами. Автор рекомендует его для использования.

Литература

1. Алексей Кузьминов. Простой способ выпаивания микросхем в QFP- и QFN-корпусах.
2. Алексей Кузьминов. Регулятор мощности паяльника в сетевой вилке. Современная электроника, 2014, № 2.

Материалы по теме

1. Datasheet STMicroelectronics BTA04-600T