Lutowanie kabli i przewodów

Wprowadzenie

Lutowanie to powszechnie stosowana metoda łączenia przewodów do płytek PCB lub wyprowadzeń. Lutowanie jest również stosowane w połączeniach przewód-przewód w produkcji wiązek elektrycznych, lub podczas przeróbek lub napraw, co jest określane jako splot (ang. Splice).

Artykuł omawia podstawowe zagadnienia związane z lutowaniem kabli i przewodów oraz przedstawia wybrane wymagania określone przez standardy IPC, takie jak IPC-A-610 oraz IPC/WHMA-A-620.

Przewód, kabel, wiązka przewodów

Terminy przewód, kabel i wiązka przewodów mogą czasami być mylące. Wyjaśnijmy teraz, co każdy z nich naprawdę oznacza.

• Przewód. To pojedynczy przewodnik, który może być lity (drut) lub złożony z szeregu żył (linka). Przewód może być izolowany lub bez izolacji ochronnej.
• Kabel. Kabel składa się z przewodów, odizolowanych od siebie i otoczonych ochronną powłoką zewnętrzną. Formanie nawet jeden przewód z izolacją może być też określony jako kabel. Możemy więc powiedzieć, że kabel ma jeden lub więcej przewodów.
• Wiązka przewodów. Wiązka przewodów to zestaw wielu kabli lub przewodów (czasami setek), zorganizowanych w uporządkowany sposób wraz ze złączami, opaskami zaciskowymi, taśmami itd.

W przemyśle możemy spotkać się z innymi określeniami np. "obwód", więc kwestia terminologii może czasami sprawiać trudności.

Materiały do lutowania kabli

Wysoka niezawodność połączeń lutowanych przewodów to wynik użycia odpowiednich materiałów, narzędzi oraz prawidłowej metody lutowania. Zalecam sprawdzenie następujących materiałów:

• Przewody (żyły). Unikaj używania utlenionych, starych przewodów. Nie stosuj przewodów z niemal czarnymi żyłami miedzianymi lub żyłami pokrytymi zielonym nalotem. Takie żyły są silnie utlenione i będą miały negatywny wpływ na jakość połączeń lutowanych.
• Topnik. Topnik do lutowania usuwa tlenki z łączonych powierzchni oraz wspomaga transfer ciepła. Zbyt aktywny topnik może jednak powodować korozję oraz migrację elektrochemiczną. Ostrożny dobór topnika, jako osobnego materiału lub jako składnika drutu lutowniczego, jest kluczowy dla osiągnięcia wysokiej niezawodności.
• Stop lutowniczy. Wybierz odpowiedni stop bezołowiowy lub stop ołowiowy, uwzględniając przepisy prawne (np. RoHS) i wymagania dotyczące niezawodności. W zależności od składu stopu lutowniczego występują różne temperatury topnienia oraz właściwości mechaniczne.
• Środek czyszczący. Jeśli połączenie lutowane wymaga czyszczenia, upewnij się, że środek czyszczący jest bezpieczny dla izolacji przewodów i nie pozostawia szkodliwych osadów.

Narzędzia do lutowania kabli

Najważniejszym narzędziem do ręcznego lutowania kabli i przewodów jest lutownica. Powinna mieć wystarczającą moc, a grot wystarczająco duży, aby zapewnić odpowiedni transfer ciepła. Dodatkowo grot powinien być zawsze czysty, aby zagwarantować optymalną wydajność lutowania.

W niektórych przypadkach przydatnym narzędziem jest również dmuchawa, która może pomóc w obkurczaniu rurek termokurczliwych. Dodatkowe narzędzia to ściągacze izolacji, obcinaczki, tygle lutownicze oraz różne uchwyty, które ułatwiają przygotowanie i precyzję podczas lutowania.

W przypadku maszynowego lutowania np. "lutowania na fali" należy upewnić się, że profil lutowania jest prawidłowy.

Średnica przewodu lub przewodnika

Niektóre wymagania w standardach IPC opierają się o miarę długości wyrażoną w średnicach przewodu a czasami w średnicach przewodnika. To rozróżnienie jest bardzo ważne w kontekście przygotowania i lutowania przewodów.

• Średnica przewodu (D). To zewnętrzna średnica, liczona razem z izolacją, oznaczona dużą literą D.
• Średnica przewodnika. To średnica kompletnych żył lub litego drutu, liczona bez izolacji.

IPC definiuje szereg innych pojęć (np. średnica żyły), więc w razie wątpliwości zalecam zapoznanie się z odpowiednimi standardami.

Ściąganie izolacji

Ściąganie izolacji to proces usuwania części izolacji przewodu w celu odsłonięcia przewodnika. Najczęściej stosowaną metodą jest mechaniczne odizolowanie. Metoda termiczna jest stosowana w przypadku przewodów emaliowanych. Trzeci sposób to chemiczne usuwanie izolacji, które jest rzadko stosowane i dozwolone tylko dla przewodów jednożyłowych (litego drutu)[1].

Po ściągnięciu izolacji zgodnie z zaleceniami IPC[1][2][3] należy sprawdzić:

• Stan izolacji. Izolacja nie może być postrzępiona lub przebita/uszkodzona. Nie może być zdeformowana więcej niż 20% pierwotnej grubości.
• Efekt ptasiej klatki. Jest to stan, w którym żyły przewodu rozchodzą się lub rozkładają na zewnątrz, przypominając klatkę dla ptaków. Ten efekt nie powinien występować, lub przynajmniej należy go minimalizować. IPC określiło tutaj różne wymogi, w zależności od klasy produktu.
• Stan żył. IPC określa, ile żył może być odciętych lub uszkodzonych (np. naciętych bardziej niż 10% średnicy żyły). Szczegóły ujęto w IPC/WHMA-A-620 tabela 3.1[1] lub IPC-A-610 tabela 6.2[2].

Poniżej przedstawiony został stan dopuszczalny:

Pobielanie przewodów

Pobielanie przewodów określane także jako cynowanie przewodów to proces pokrywania przewodnika (żył) stopem lutowniczym, aby później ułatwić jego montaż w otworze PCB lub owinięcie wokół terminala. Pobielanie przewodów ma także zastosowanie w przypadku połączeń przewód-przewód.

Proces pobielenia polega na zanurzeniu odsłoniętego przewodnika miedzianego w topniku, a następnie w tyglu z roztopionym stopem lutowniczym.

Co sprawdzić po wykonaniu tego procesu?

• Pokrycie lutowiem. Stop lutowniczy powinien pokrywać co najmniej 95% powierzchni żył, które zostały zanurzone w lutowiu. Do 5% metalu bazowego może pozostać odsłonięte z powodu braku zwilżenia lub wtórnego braku zwilżenia.
• Kształt pokrycia. Pobielenie powinno tworzyć jednolitą warstwę, bez ostrych krawędzi lub deformacji, które mogłyby zakłócić późniejszą instalację przewodu.
• Odległość od izolacji. Lutowie może nieco wnikać pod izolację, ale nie powinno zwilżać tej części przewodnika, która powinna pozostać elastyczna (np. ta część, która będzie zaginana w czasie montażu). Maksymalna odległość lutowia od izolacji dla klasy 3 to 1D. Klasa 2 i 1 mają łagodniejsze wymagania.

Poniżej przedstawiony został stan dopuszczalny:

Uwaga: Pobielanie jest zabronione dla przewodów używanych w połączeniach zagniatanych lub połączeniach przewód-przewód znanych jako "sploty zazębiane".

Lutowanie przewodów do PCB

Podczas lutowania przewodów do PCB należy spełnić następujące wymagania:

• Odległość izolacji. Odległość między izolacją przewodu a połączeniem lutowanym powinna wynosić od 0D do 2D lub 1.5mm, którekolwiek jest większe. Odległość większa jest uważana za wadę dla produktów klasy 3.
• Stan izolacji. Izolacja nie może być zwęglona, przypalona ani wtopiona do połączenia lutowanego (nie może zaburzać połączenia lutowanego). Może być lekko zdeformowana i stopiona.
• Połączenie lutowane. Powinno spełniać wymagania IPC-A-610 sekcja 7.3.5. Wymagania te różnią się w zależności od klasy produktu. Na przykład w produktach klasy 3 wypełnienie pionowe powinno wynosić co najmniej 75%. Pokrycie pola po stronie źródłowej powinno mieć minimum 75%, a zwilżenie obwodowe co najmniej 330°. Po stronie docelowej zwilżenie obwodowe powinno obejmować co najmniej 270°, a pokrycie pola może być 0% (całkowity brak pokrycia).

Przykład zalutowania przewodu do PCB. Podano kryteria dla odległości izolacji od połączenia lutowanego:

Potrzebujesz więcej szczegółów na temat klas produktów IPC i warunków lutowania/montażu? Przeczytaj artykuły: Klasy produktów IPC oraz Stany dopuszczenia w IPC.

Lutowanie przewodów do wyprowadzeń

Istnieją dwa rodzaje wyprowadzeń (terminali). Pierwszy rodzaj to metalowa część nitowana do PCB, do której następnie jest mocowany i zalutowany przewód. Drugi rodzaj to metalowe piny złącz "na kabel", do których lutuje się poszczególne przewody kabla. W zależności od rodzaju wyprowadzenia organizacja IPC ustaliła specyficzne wymagania.

Jako przykład, poniżej przedstawiono wymagania dla wyprowadzenia typu "kubełek" (ang. Cup Terminal).

• Wypełnienie lutowiem. Minimum 75% wysokości (slotu kubełka).
• Odległość izolacji. Od 0D do 2D lub 1.5mm, którekolwiek jest większe. Izolacja nie może być zwęglona lub wtopiona w połączenie lutowane.
• Pozycja przewodu. Preferowane jest, aby przewodnik miał pełny kontakt ze ścianką kubełka.

Poniższy przykład przedstawia lutowanie przewodów do wyprowadzeń typu kubełek w złączu D-Sub 9-pin. Tylko połączenie lutowane w punkcie "A" jest zgodne z zasadami. Reszta? Powiedzmy, że to "lutownicza porażka" czekająca na serial dokumentalny o katastrofach...

Sploty

Lutowanie przewód - przewód w standardach IPC jest określone jako "splot" (ang. Splice). Typowe rodzaje:

• Splot zazębiany (ang. Mesh Splice). Przewody nie mogą być uprzednio pobielone. Splot powinien mieć długość od 3D do 5D.
• Splot zawijany (ang. Wrap Splice). Minimum trzy owinięcia każdego przewodnika.
• Splot haczykowy (ang. Hook Splice). Minimum trzy owinięcia każdego przewodnika.
• Splot zakładkowy (ang. Lap Splice). Zakładka minimum trzy średnice przewodników.
• Termokurczliwe elementy wykorzystywane do lutowania (ang. Heat Shrinkable Solder Device). Jest to rurka termokurczliwa zawierająca w środku jeden pierścień ze stopu lutowniczego oraz na brzegach dwa pierścienie uszczelniające. To urządzenie ułatwia szybkie tworzenie szczelnego, lutowanego połączenia przewodów.

Po zalutowaniu splotów należy je zabezpieczyć koszulką termokurczliwą.

Sploty lutowane w niektórych aplikacjach to bardzo zły pomysł. Drgania oraz różne stresy termiczne mogą powodować pęknanie połączeń lutowanych, więc stosowanie tego typu połączeń może być problemem. Czasami lepiej zastosować sploty zaciskane (ang. Butt Splice).

Przykładowy splot zawijany (stan przed zalutowaniem):

Przykładowy splot zakładkowy (stan po zalutowaniu):

Więcej informacji na temat oceny splotów znajdziesz w standardzie IPC/WHMA-A-620.

Zagięcie odprężające

Po zamontowaniu i zalutowaniu przewodów upewnij się, że nie są one naprężone (naciągnięte). Należy zapewnić zagięcie odprężające. Jego brak może po pewnym czasie spowodować pęknięcie połączenia lutowanego.

Standardy

Przykładowe standardy zawierające między innymi wymagania dla lutowania przewodów:

• IPC-A-610. Acceptability of Electronic Assemblies.
• IPC/WHMA-A-620. Requirements and Acceptance for Cable and Wire Harness Assemblies.
• IPC-J-STD-001. Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.
• MIL-STD-2000. Standard Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.

Wymagania standardów IPC

Kryteria podane w standardach IPC mają zastosowanie wtedy, kiedy ustanowiono takie wymaganie, np. zapis w umowie, dokumentacji lub zamówieniu. Należy pamiętać, że IPC określa tak zwane Kryteria pierwszeństwa, czyli zasady postępowania w przypadku rozbieżności między wymaganiami IPC a dokumentacją lub zamówieniem.

Podsumowanie

Wysokiej jakości połączenia lutowane przewodów są wynikiem doboru materiałów o dobej jakości, użycia właściwych narzędzi oraz zastosowania odpowiedniej metody montażu. Stosowanie standardów przemysłowych IPC zapewnia, że połączenia lutowane będą niezawodne w szerokim zakresie zastosowań i zgodne z typowymi oczekiwaniami klientów.