آموزش لحیم‌کاری برد مدار چاپی (PCB) | قسمت اول

لحیم کاری چیست؟

لحیم‌کاری فرآیندی است که در آن، قطعات فلزی از طریق ذوب فلزی واسط موسوم به «لحیم» به یکدیگر متصل می‌شوند؛ ماده‌ای که در مقایسه با سایر فلزات، از نقطه ذوب پایین‌تری برخوردار است. لحیم‌کاری نقشی حیاتی در صنعت الکترونیک ایفا می‌کند و روش بنیادین برای اتصال قطعات الکتریکی و الکترونیکی به‌شمار می‌رود.
مواد لحیم‌کاری بر پایه درجه کیفی و دمای ذوب به انواع گوناگونی تقسیم‌بندی می‌شوند. از رایج‌ترین ترکیبات این مواد می‌توان به آلیاژهای پایه قلع یا سرب اشاره کرد که با فلزاتی نظیر نقره یا برنج ترکیب می‌گردند. در این فرآیند، هویه با تأمین حرارت لازم، فلز لحیم را ذوب کرده تا همانند ماده‌ای چسباننده اتصال میان دو قطعه را برقرار سازد. در نهایت، با سرد شدن و انجماد آلیاژ لحیم، دو بخش مجزا به اتصالی یکپارچه و واحد تبدیل می‌شوند.

فرآیند لحیم‌کاری برد مدار چاپی (PCB)، متضمن اتصال قطعات الکترونیکی به برد با استفاده از «لحیم»—آلیاژی فلزی و زودگداز—است. این آلیاژ در اثر اعمال حرارت ذوب شده و پس از سرد شدن، پیوند مکانیکی و الکتریکی مستحکمی میان پایه‌های قطعه (Leads) و پدهای سطح برد (Pads) برقرار می‌سازد. اجرای صحیح فرآیند لحیم‌کاری، متضمن تثبیت ایمن و پایدار قطعات و همچنین پایایی (Reliability) اتصالات الکتریکی است.
در این مقاله فنی، مبانی لحیم‌کاری قطعات با فناوری نصب قطعات پایه دار (Through-Hole)، شامل فنون بنیادین، ابزارهای ضروری و راهکارهای کلیدی جهت دستیابی به اتصالات لحیم بی‌نقص، تمیز و کارآمد مورد بررسی قرار می‌گیرد و در جلسات بعدی، مونتاژ قطعات SMD را نیز آموزش خواهیم داد.

دسته‌بندی و بررسی روش‌های لحیم‌کاری

روش‌های متعددی جهت لحیم‌کاری وجود دارد که به‌طور کلی در دو دسته بنیادین تحت عنوان «لحیم‌کاری سخت» (Hard Soldering) و «لحیم‌کاری نرم» (Soft Soldering) طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه، مقایسه‌ای جامع میان این دو فرآیند ارائه خواهد شد.

مبانی و ماهیت فرآیند لحیم‌کاری نرم

لحیم‌کاری نرم به‌منظور اتصال قطعات کوچک به بردهای مدار چاپی بزرگ‌تر (PCB) به‌کار می‌رود و درعین‌حال، متداول‌ترین روش لحیم‌کاری در صنعت به‌شمار می‌رود. در این فرآیند، به‌جای ذوب مستقیم قطعه روی سطح PCB، از یک فلز پُرکننده (Filler Metal)—که معمولاً آلیاژی از قلع و سرب است—برای برقراری اتصال میان قطعه و برد استفاده می‌شود. این آلیاژ نقشی حیاتی در فرآیند لحیم‌کاری ایفا می‌کند؛ چراکه به‌عنوان یک عامل پیونددهنده میان پایه قطعه و پد برد عمل می‌نماید.

ماهیت و کاربردهای لحیم‌کاری سخت

لحیم‌کاری سخت موجب ایجاد پیوندی مستحکم‌تر می‌شود و فرآیندی است که در آن، جهت اتصال دو قطعه فلزیِ مجزا، از ماده لحیمی جامد استفاده شده که با نفوذ و پخش‌شدن در روزنه‌ها و فواصل میان قطعات، اتصال را برقرار می‌سازد. از دیدگاه فرآیندی، لحیم‌کاری سخت از دو زیرفرآیند مشخص تحت عناوین «لحیم‌کاری نقره» (Silver Soldering) و «بریزینگ» (Brazing) تشکیل شده است.
در این فرآیند، آلیاژهای نقره—غالباً آلیاژ کادمیم-نقره—به‌عنوان فلز پُرکننده فواصل (Space-filling Metal) مورد استفاده قرار می‌گیرند. نقره از خاصیت روانی و سیلان‌پذیری بالایی (Free-running Characteristic) برخوردار است، هرچند به‌تنهایی گزینه‌ای ایده‌آل برای پُر کردن درزها و فواصل بزرگ به‌شمار نمی‌رود؛ از این‌رو، معمولاً جهت دستیابی به یک لحیم‌کاری نقره مطمئن و پایا، از روان‌سازها و فلاکس‌های (Flux) ویژه‌ای استفاده می‌شود.

در ادامه، این مقاله به دو بخش اصلی تفکیک می‌شود که تمامی جنبه‌های بنیادین فنون لحیم‌کاری پایه را پوشش می‌دهد:

1. ابزارهای پایه و ضروری لحیم‌کاری برای بردهای مدار چاپی

2. روش‌ها و فنون لحیم‌کاری قطعات پایه دار (Through-Hole Components)

تجهیزات و ابزارآلات ضروری لحیم‌کاری قطعات Through-Hole

پیش از پرداختن به روش‌ها و فنون لحیم‌کاری، در اختیار داشتن ابزارها و تجهیزات مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است. در ادامه، فهرستی از مهم‌ترین و ضروری‌ترین ابزارهای لحیم‌کاری ارائه شده است:

• هویه (Soldering Iron): ابزار اصلی در فرآیند لحیم‌کاری است که به‌منظور تأمین حرارت و ذوب آلیاژ لحیم به‌کار می‌رود. برای دستیابی به دقت و ظرافت بالا در کار، توصیه می‌شود از هویه‌ای با قابلیت تنظیم دما (Adjustable-Temperature) و مجهز به نوک باریک (Fine Tip) استفاده شود.
• سیم / آلیاژ لحیم (Solder Metal): آلیاژی فلزی است که معمولاً از ترکیب قلع و سرب، یا به‌عنوان جایگزین، از ترکیبات بدون سرب (Lead-Free) تشکیل می‌شود. سیم‌های لحیم با مغزی رِزین یا روغن لحیم (Rosin-Core Solder)، به‌دلیل بهره‌مندی از فلاکس داخلی، پرکاربردترین گزینه در صنایع الکترونیک به‌شمار می‌روند.
• فلاکس یا روان‌ساز (Flux): ماده‌ای شیمیایی و پاک‌کننده است که وظیفه زدودن اکسیداسیون سطحی و تسهیل جریان و سیلان آلیاژ لحیم را بر عهده دارد. با وجود اینکه برخی از سیم‌های لحیم به‌صورت توکار مجهز به فلاکس هستند (موسوم به مغزی رِزین یا Rosin-Core)، اما ممکن است در برخی کاربردهای خاص، استفاده از فلاکس تکمیلی و اضافی نیز ضرورت یابد.
• پمپ یا فتیله قلع‌کش: ابزارهای حذف قلع اضافی و رفع خطاهای مونتاژ
• پنس: ابزاری برای جابه‌جایی قطعات کوچک و ثابت نگه‌داشتن آن‌ها در حین لحیم‌کاری
• لوپ یا ذره‌بین: ابزاری برای بازرسی اتصالات لحیم‌کاری، به‌ویژه در قطعات ریز
• تجهیزات ایمنی: شامل عینک ایمنی برای محافظت از چشم‌ها در برابر پاشش قلع مذاب و دستگاه مکنده دود (فوم‌اکسترکتور) یا فن جهت دفع بخارات مضر

نحوه لحیم‌کاری قطعات پایه‌دار (Through-Hole) بر روی برد مدار چاپی

قلع‌اندود کردن نوک هویه (Tinning)

آماده‌سازی هویه شامل فرآیندی به نام قلع‌اندود کردن (Tinning) است. قلع‌اندود کردن به انتقال بهتر حرارت از هویه به سطح لحیم‌کاری کمک می‌کند. قلع‌اندود کردن نوک هویه پیش و پس از هر بار استفاده، باعث محافظت از نوک و افزایش طول عمر آن می‌شود. پس از گرم شدن هویه، برای اطمینان از تمیز بودن آن پیش از شروع کار، نوک آن را روی یک اسفنج مرطوب پاک کنید. پس از تمیزکاری، نوک هویه را در لحیم فرو ببرید تا کاملاً با لایه‌ای از قلع پوشانده شود. اجازه دهید لحیم به طور یکنواخت در اطراف نوک جریان یابد؛ اکنون هویه آماده لحیم‌کاری است.

آماده‌سازی سطح برد مدار چاپی (PCB)

چه در حال لحیم‌کاری روی PCB باشید و چه روی سطوح دیگر، بهتر است کار را با یک سطح تمیز آغاز کنید. برای پاک‌سازی سطح از هرگونه گرد و غبار یا آلودگی‌هایی که ممکن است کیفیت لحیم‌کاری را تحت تأثیر قرار دهند، از دستمال‌های نظافت صنعتی یا پاک‌کننده‌های حاوی استون ،تینر یا محلول شستشو دهنده برد استفاده کنید.

جاگذاری (جانمایی) قطعات

قطعات کوچکی را که قصد دارید کار را با آن‌ها شروع کنید، انتخاب کرده و در جایگاه خود روی سطح برد قرار دهید. هنگام مونتاژ روی برد مدار چاپی (PCB)، قطعات پایه‌دار را درون سوراخ‌های تعبیه‌شده روی برد جای‌گذاری کنید. اگر قطعات روی برد ثابت نمی‌مانند، می‌توانید پایه‌های آن‌ها را در قسمت زیرین برد کمی خم کنید تا در جای خود ثابت بمانند.

گرم کردن محل اتصال

گرم کردن محل اتصال، باعث انتقال حرارت هویه به برد مدار چاپی (PCB) شده و آن را برای لحیم‌کاری آماده می‌کند. در حالی که مقدار کمی لحیم روی نوک هویه قرار دارد، نوک هویه را هم‌زمان با پایه قطعه و پد روی برد تماس دهید. برقراری تماس نوک هویه با هر دوی این بخش‌ها (پایه و پد)، برای حصول اطمینان از چسبندگی صحیح لحیم و گرم شدن مناسب قطعات، امری حیاتی است.

لحیم‌کاری محل اتصال

اکنون محل اتصال جهت لحیم‌کاری آماده است. سیم لحیم باید مستقیماً روی محل اتصالِ گرم‌شده اعمال شود. اگر حرارت‌دهی به‌طور کامل و صحیح انجام شده باشد، گرمایِ خودِ محل اتصال برای ذوب کردن سیم لحیم و ایجاد جریان روان آن کفایت می‌کند.

 

بازرسی محل اتصال و چیدن پایه‌ها

پس از خنک شدن محل اتصال، آن را به‌صورت چشمی بازرسی کنید تا از کیفیت مطلوب آن اطمینان حاصل شود. هنگامی که از کیفیت محل لحیم‌کاری رضایت داشتید، پایه قطعه و سیم اضافی را درست از بالای محل اتصال بچینید. اتصال لحیم‌کاریِ نهایی باید به شکل مخروطی صاف و براق باشد. در نهایت، قطعات باقی‌مانده را لحیم کرده و هرگونه فلاکس (Flux) اضافی را از روی سطح برد پاک کنید تا مونتاژ نهایی محصول تکمیل گردد.

نکات و ترفندهای کاربردی در لحیم‌کاری

نوک‌های هویه و ابزارهای لحیم‌کاری

انواع متنوعی از نوک‌های هویه و مواد لحیم‌کاری در دسترس است. ابزارها و مواد مصرفی مناسب را بر اساس الزامات و شرایط پروژه خود انتخاب کنید.

اتصال خوب در برابر اتصال سرد (Dry Joint)

برای اطمینان از تشکیل یک اتصال مستحکم و باکیفیت، پیش از خنک شدن کامل لحیم، قطعه را حرکت ندهید، به لحیم دست نزنید و برای خنک‌سازی محل اتصال روی آن فوت نکنید. مقدار لحیم باید کافی باشد؛ نه خیلی کم و نه خیلی زیاد.

ملاحظات حرارتی (Thermal Issues)

هنگام اعمال حرارت به محل اتصال، بسیار دقت کنید. گرمای بیش از حد (Overheating) می‌تواند به قطعات الکترونیکی یا برد مدار چاپی (PCB) آسیب جدی وارد کند. برای کاهش احتمال آسیب‌دیدگی قطعه، یک گیره سوسماری فلزی به پایه قطعه متصل کنید؛ این گیره با عملکرد به عنوان یک گرماگیر (هیت‌سینک) موقت، انتقال حرارت از محل اتصال به سمت بدنه قطعه را به حداقل می‌رساند.

نظافت نوک هویه

برای افزایش طول عمر نوک هویه و اطمینان از عملکرد بهینه، مطمئن شوید که نوک آن به‌درستی قلع‌اندود شده باشد تا از اکسیداسیون جلوگیری شود. لحیم مذاب روی نوک قلع‌اندود، بسیار روان و یکنواخت جریان می‌یابد.

اشتباهات رایج در لحیم‌کاری و نحوه پیشگیری از آن‌ها

اتصالات سرد (Cold Joints)

اتصال سرد زمانی رخ می‌دهد که لحیم به‌طور کامل ذوب نشود و در نتیجه، اتصالی ضعیف ایجاد گردد. برای پیشگیری از این مشکل، اطمینان حاصل کنید که پیش از اعمال سیم لحیم، محل اتصال به‌درستی و به‌طور کامل گرم شده باشد.

 اتصال کوتاه ناشی از شره کردن لحیم یا پل‌زدن (Bridging)

پدیده‌ی پل‌زدن زمانی رخ می‌دهد که لحیم اضافی، دو پد مجاور را به یکدیگر متصل کرده و باعث ایجاد اتصال کوتاه شود. برای پیشگیری از این مشکل، از هویه‌ای با نوک ظریف و مقدار کمتری سیم لحیم استفاده کنید؛ همچنین در صورت بروز مشکل، می‌توانید لحیم اضافی را به کمک پمپ لحیم‌برداری (قلع‌کش) یا فتیله لحیم‌برداری برطرف نمایید.

مقدار ناکافی لحیم (Insufficient Solder)

استفاده از مقدار کمی لحیم می‌تواند منجر به ایجاد اتصالی ضعیف شود. اطمینان حاصل کنید که لحیم به‌اندازه‌ی کافی اعمال شده است تا سطح پد و پایه‌ی قطعه را به‌طور کامل بپوشاند.

نکات ایمنی در لحیم‌کاری بردهای مدار چاپی (PCB)

رعایت ایمنی در کار با هویه

همواره هویه را در زمان عدم استفاده در پایه (استند) مخصوص خود قرار دهید و نسبت به دمای بالای نوک آن هوشیار باشید.

فعالیت در محیط دارای تهویه مناسب

فرآیند لحیم‌کاری باعث تولید بخاراتی می‌شود که استنشاق آن‌ها می‌تواند برای سلامت مضر باشد. برای هدایت و دور کردن این بخارات از محیط تنفسی خود، حتماً از دستگاه مکنده دود (Fume Extractor) یا هواکش (فن) مناسب استفاده کنید.

استفاده از تجهیزات حفاظتی

بهره‌گیری از عینک ایمنی و دستکش، شما را در برابر پاشش احتمالی ذرات لحیم و سوختگی‌های ناشی از کار با هویه محافظت می‌کند.

نتیجه گیری

تسلط بر مهارت لحیم‌کاری بردهای الکترونیکی، فرآیندی چالش‌برانگیز و در عین حال بسیار ارزشمند است. با درک مبانی، استفاده از ابزارهای مناسب و پیروی از اصول استاندارد، می‌توانید اتصالات لحیم‌کاری مطمئن و بادوامی ایجاد کنید که عملکرد طولانی‌مدت مدارهای شما را تضمین نماید. چه در حال مونتاژ یک برد مدار چاپی (PCB) جدید باشید و چه در حال تعمیر بردی موجود، این مهارت‌ها در تمامی پروژه‌های الکترونیکی شما کاربردی و کارآمد خواهند بود. همواره به خاطر داشته باشید که با رعایت نکات ایمنی، فعالیت در محیطی دارای تهویه مناسب و همچنین حفظ نظم و پاکیزگی فضای کار، تجربه‌ای موفق و حرفه‌ای از لحیم‌کاری خواهید داشت.

پرسش های متداول

۱. تفاوت اصلی لحیم‌کاری Through-Hole و SMD چیست؟
در Through-Hole پایه‌ها از سوراخ عبور می‌کنند و لحیم‌کاری از پشت برد انجام می‌شود؛ در SMD قطعه روی سطح پد قرار می‌گیرد و لحیم‌کاری از همان سمت انجام می‌شود. SMD نیاز به دقت بیشتر، نوک ظریف‌تر و کنترل دقیق‌تر حرارت دارد.

۲. دمای مناسب هویه برای لحیم‌کاری SMD چقدر است؟
برای لحیم‌های بدون سرب معمولاً ۲۸۰ تا ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد و برای لحیم‌های قلع-سرب حدود ۲۵۰ تا ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد توصیه می‌شود. همیشه از دمای پایین‌تر شروع کرده و در صورت نیاز افزایش دهید.

۳. چگونه از ایجاد پل لحیم (Bridging) در قطعات SMD جلوگیری کنیم؟
از نوک بسیار ظریف، مقدار کم سیم لحیم یا خمیر لحیم، و فلاکس کافی استفاده کنید. در صورت بروز پل، با فتیله قلع‌کش و کمی فلاکس آن را برطرف نمایید.

۴. آیا می‌توان قطعات SMD را بدون ایستگاه هوای گرم لحیم کرد؟
بله، بیشتر قطعات دوپایه و چندپایه کوچک را می‌توان با هویه دستی و پنس لحیم کرد. هوای گرم بیشتر برای قطعات پیچیده یا تعداد زیاد توصیه می‌شود.

۵. بعد از لحیم‌کاری SMD چه کاری باید انجام داد؟
فلاکس باقی‌مانده را با الکل ایزوپروپیل پاک کنید، اتصالات را زیر ذره‌بین از نظر کیفیت بررسی کنید و در صورت نیاز تست الکتریکی انجام دهید.

۶. لحیم بدون سرب برای SMD بهتر است یا قلع-سرب؟
لحیم بدون سرب سازگار با محیط‌زیست و استانداردهای جدید است اما نقطه ذوب بالاتری دارد و کار با آن کمی سخت‌تر است. برای کار خانگی و تعمیرات، لحیم قلع-سرب هنوز رایج و آسان‌تر است.