Wróć

Wyzwania lutowania elementów rozpraszających ciepło

Metalizowane komponenty i PCB o dużej zawartości miedzi działają jak radiatory: tworzą efekt rozprowadzania ciepła, który odciąga ciepło od grotu lutowniczego, co utrudnia jego dostarczenie do punktu lutowniczego.
Opublikowano: 2021-08-30

W elektronice użytkowej i przemysłowej lutowia wykonane ze stopów cyny, srebra i miedzi (SAC) stały się standardem branżowym dla lutowania bezołowiowego. W połączeniu z wielowarstwowymi PCB i komponentami wykonanymi w celu rozpraszania ciepła na bazie metalizowanych ramek wyprowadzeń, dzisiejsza elektronika wymaga specjalnych, dysponujących dużą mocą rozwiązań do lutowania ręcznego.

Metalizowane komponenty i PCB działają jak radiatory: tworzą efekt rozprowadzania ciepła, który odciąga ciepło od grotu lutowniczego, co utrudnia jego dostarczenie do punktu lutowniczego. Aby lepiej zrozumieć efekt rozpraszania ciepła, pomyśl o dużej miedzianej patelni - jeśli ciepło zostanie przyłożone do jednego małego punktu na patelni (odpowiednik końcówki lutownicy przyłożonej do arkusza miedzi), rozprowadza się ono tak długo, aż cała patelnia osiągnie wystarczająco wysoką temperaturę do gotowania.

Podobnie efekt rozpraszania ciepła utrudnia lutowanie, odciągając ciepło od grotu lutowniczego, co wymaga specjalnego rozwiązania do podgrzania zarówno komponentu, jak i płytki drukowanej oraz w konsekwencji stopienia lutowia.

Efekt rozpraszania ciepła jest widoczny w przypadku tranzystorów dużej mocy, takich jak TO-220, a także wielowarstwowych płytek drukowanych i czy też PCB z dużymi, metalizowanymi płaszczyznami uziemienia. Innym rodzajem PCB, który wykazuje efekt rozpraszania ciepła, jest izolowane podłoże metalowe (IMS), powszechnie używane w oświetleniu LED i innych zastosowaniach, które generują znaczne ilości ciepła. Są one tworzone przez nałożenie warstw przewodzących i nieprzewodzących klejów na metalową płytkę, co pozwala na skutecznie odciągnięcie ciepła od komponentów generujących ich duże ilości. Jednak ręczne lutowanie płytek IMS może być niezwykle trudne ze względu na ich masywne,  metalowe podłoże.

Przepalony lut powstały w efekcie dostarczenia nadmiernej ilości ciepła

Źrodło: Inductive Soldering for High Thermal Demand Applications. © OK International

Inne komponenty trudne do lutowania

Ekranowanie RF (często przybierające postać metalowych puszek), kable koncentryczne z metalizowanym uziemieniem czy elektronika zatopiona w szkle, to inne pozycje na liście 10 najtrudniejszych do lutowania komponentów. Łączenie elektroniki i szkła (takie jak elektronika odmrażacza przedniej szyby), ekranowanie RF i  uziemienia zwykle są wykonane z metali bardzo wydajnie przewodzących ciepło, działają jak duże rozpraszacze ciepła i są szczególnie trudne do lutowania.

Metody kompensacji i potencjalne ryzyka

Aby przezwyciężyć problemy nieodłącznie związane z lutowaniem metalizowanych komponentów i PCB, operatorzy próbują rekompensować rozpraszanie ciepła wydłużając czas przyłożenia źródła ciepła, tj. grotu. Można również próbować zwiększyć temperaturę grotu. Te metody kompensacji nie tylko skracają żywotność grota, ale mogą również ujemnie wpływać na niezawodność lub uszkadzać  zarówno płytki, jak i komponenty.

Inną metodą kompensacji jest wstępne podgrzanie PCB i próba lutowania komponentu, gdy płytka jest wciąż gorąca. To z kolei nie jest bezpieczne dla samego operatora, którzy często mają tendencję do trzymania twarzy blisko PCB, a czasami też opierają na niej ręce, co jest przyczyną dyskomfortu w pracy, a może nawet skutkować bolesnym oparzeniem.

Lutowanie indukcyjne a lutowanie oporowe

Lutowanie indukcyjne zapewnia szereg korzyści w porównaniu z lutowaniem rezystancyjnym, w tym przede wszystkim generowanie i przenoszenie ciepła jest szybkie, wydajne, powtarzalne i dokładne. Lutownice indukcyjne wykorzystują cewkę indukcyjną owiniętą wokół rdzenia magnetycznego. Gdy prąd przemienny przepływa przez cewkę, powstaje pole, które generuje ciepło. W przypadku ogrzewania indukcyjnego temperatura rdzenia magnetycznego jest kontrolowana przez prąd przepływający przez cewkę wokół niego. Ogrzewanie indukcyjne jest bardziej wydajne i łatwiejsze do kontrolowania niż grzanie oporowe i umożliwia uzyskanie temperatury tylko w momencie, kiedy jest potrzebna w procesie ('on demand').

W lutownicach indukcyjnych grzałka i czujnik temperatury są wbudowane bezpośrednio w grot lutownicy, tworząc zamknięty obwód wymiany ciepła, który jest szybki, wydajny, powtarzalny i dokładny.

Lutownice oporowe nagrzewają cały grot przez przewodzenie. Wykorzystując technologię ogrzewania oporowego, końcówka działa jak zbiornik ciepła, o wyższej odporności termicznej i niższej wydajności cieplnej niż ogrzewanie indukcyjne. Oznacza to, że wolniej się nagrzewa i trudniej jest utrzymać stałą temperaturę grota lutowniczego bez niebezpiecznego przekroczenia temperatury.

Lutownice rezystancyjne o mniej wydajnych właściwościach przenoszenia ciepła będą wymagały wyższych temperatur, aby osiągnąć ten sam wynik, ryzykując jednocześnie potencjalne uszkodzenie komponentów i płytek drukowanych

Korzyści z lutowania indukcyjnego

Przy dzisiejszej delikatnej i złożonej elektronice dokładność i kontrola temperatury są stałym wyzwaniem. Metalizowane komponenty i płytki drukowane w połączeniu z elektroniką wrażliwą na temperaturę i koniecznością lutowania bezołowiowego, tworzą trudny do spełnienia kompleks wymagań dotyczących kontroli procesu.

Aby sprostać tym wyzwaniom, producenci mogą stosować wysokowydajne systemy lutowania z lutowaniem indukcyjnym. Lutowanie indukcyjne wytwarza ciepło ‘na żądanie’, szybko i skutecznie. A ponieważ lutowanie indukcyjne wytwarza ciepło w sposób precyzyjny i kontrolowany, można go stosować zarówno w przypadku najmniejszych i delikatnych komponentów, jak i wymagających elementów o dużej pojemności cieplnej.

Podsumowanie

Elektronika staje się coraz mniejsza, szybsza, inteligentniejsza i bardziej funkcjonalna. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru układów, w mniejszych przestrzeniach wytwarza się coraz więcej ciepła. Aby wspomóc odprowadzanie ciepła, projektanci wykorzystują w swoich projektach dobrze przewodzące materiały, takie jak szkło i metal. Ramki wyprowadzeń, wielowarstwowe płytki PCB, podłoża metalizowane i powierzchnie uziemiające dalej będą powszechnie stosowane, co będzie wymagało właściwych rozwiązań lutowniczych.

Podczas gdy rezystancyjne systemy lutownicze ewoluują w kierunku stosowania większej mocy, wytwarzając i przenosząc więcej ciepła do grotów lutowniczych, systemy lutowania indukcyjnego przyjmują inne podejście.

Wykorzystanie standardowego zasilacza i zwiększenie częstotliwości mocy wokół namagnesowanego rdzenia okazuje się być znacznie bardziej wydajnym sposobem generowania i utrzymywania ciepła grota.

Źródło: Inductive Soldering for High Thermal Demand Applications. © OK International

https://amtest-group.com/pl/
https://amtest-group.com/pl/