Rola zwilżalności dyszy w procesie lutowania selektywnego

© Pillarhouse

Lutowanie selektywne do nakładania lutu na komponenty na spodniej stronie PCB wykorzystuje dyszę, którą można przesuwać w celu wykonywania zanurzeń (nakładanie lutu na pojedynczy element) lub przeciągnięć (nakładanie lutu na kilka elementów w jednym ruchu). Dzięki temu technologia lutowania selektywnego pozwala dostosować proces do określonej topologii połączeń i umożliwia zastosowanie wielu typów dysz. Dysze mogą różnić się rozmiarem (średnicą wewnętrzną) i kształtem, dzięki czemu nadają się do różnych typów procesów. Wszystko to jest podyktowane wymaganiami dotyczącymi topologii płytki i cyklu procesu.

Lutowanie selektywne zapewnia wiele korzyści w porównaniu z lutowaniem na fali i lutowaniem ręcznym, takich jak:

• Minimalny szok termiczny.
• Niższe koszty eksploatacji niż w przypadku lutowania na fali.
• Praca w środowisku obojętnym, minimalizującym ilość defektów lutowania, zmniejszającym ilość tworzącego się żużlu i poprawiającym zwilżanie
• Możliwość zastosowania technologii do produkcji nisko i wysokoseryjnej.
• Powtarzalność procesu i połączeń lutowanych
• Wymagana mniejsza liczba operatorów.

Kluczowe cechy dysz

Aby zapewnić w pełni kontrolowane nakładanie lutu w całym procesie, lut musi dobrze przylgnąć do powierzchni dyszy (lub inaczej: zwilżyć dyszę). Zwilżalność to adhezja cieczy do ciał stałych, zachodząca w efekcie interakcji pomiędzy energią powierzchniową ciała stałego a napięciem powierzchniowym cieczy. Energia powierzchniowa (znana jako napięcie powierzchniowe w odniesieniu do cieczy) jest wypadkową siły wiązania samego materiału i poziomu niezrównoważenia sił, występujących na powierzchni. W zależności od składników interakcji powierzchniowej, istnieje wiele metod charakteryzowania energii powierzchniowej, a najpowszechniejszym jest pomiar kąta zwilżania nieruchomej (osiadłej) kropli.

Kiedy żadne inne siły nie działają na kroplę cieczy (tj. występuje brak kontaktu z innymi powierzchniami i brak oporu powietrza spowodowanego ruchem), utworzy ona kulę. Ponieważ jest to kształt o możliwie najmniejszej energii, jej własne napięcie powierzchniowe przyciąga ją do tego kształtu. W kontakcie z ciałem stałym kropla odkształci się i rozprzestrzeni. Wielkość rozprzestrzeniania się i kąt międzyfazowy między cieczą a ciałem stałym jest zależy właśnie od napięcia powierzchniowego cieczy i energii powierzchniowej ciała stałego. Rysunek 1 ilustruje różne poziomy zwilżania. Kiedy energia powierzchniowa ciała stałego jest większa niż napięcie powierzchniowe cieczy, kropla będzie się bardziej rozprzestrzeniać i będzie miała mniejszy kąt zwilżania (Rysunek 1a i b).

Rysunek 1. Przykłady różnych kątów zwilżania między kroplą (czerwone pole) a ciałem stałym (pole niebieskie): (a) Kąt zwilżania 0°, wykazujący doskonałe zwilżenie. (b) Kąt zwilżania mniejszy niż 90° dla powierzchni zwilżającej. (c) Kąt zwilżania większy niż 90° oznacza powierzchnię hydrofobową.

Źródło: Selective Soldering: A Need for Innovation and Development © Pillarhouse International Ltd.

Zazwyczaj do badań zwilżalności preferowany byłby układ statyczny, ale w przypadku dyszy mamy do czynienia z procesem dynamicznym. W tym przypadku, zilustrowanym na poniższym rysunku 2a, zwilżanie lutu do końcówki dyszy utrzymuje stabilną falę promieniową - utrzymywanie stabilnego kształtu kopuły osadzającej lut jest warunkiem zapewnienia kontroli w procesie lutowania selektywnego. Rysunek 2a przedstawia dobrze zwilżoną dyszę, w której lut przywiera do całej zewnętrznej powierzchni dyszy, a zatem ma stabilną falę promieniową, co pozwala z kolei na dobrą kontrolę podczas procesu lutowania selektywnego. Statyczna zwilżalność dla tej dyszy byłaby podobna do rysunku 1a lub 1b.

Rysunek 2. Przykład odpowiednio zwilżonej dyszy (a) oraz dyszy niezwilżającej (b).

Źródło: Selective Soldering: A Need for Innovation and Development © Pillarhouse International Ltd.

W przypadku materiału, do którego lut nie przylega łatwo, energia powierzchniowa dyszy (lub innego zwilżanego materiału) nie jest wystarczająca do pokonania energii powierzchniowej lutu i dlatego lut zachowa pojedynczy strumień, jak pokazano na rysunku 2b. Zwilżalność statyczna tej dyszy dawałaby duży kąt zwilżania, taki jak na rysunku 1c.

Warunkiem osiągnięcia odpowiedniego poziomu zwilżenia między ciekłym lutem a dyszą, jest idealnie czysta powierzchnia dyszy, z minimalną ilością tlenków powierzchniowych. Tlenki obecne na powierzchni działają jako bariera i utrudniają zwilżanie lutu do powierzchni. Dodatkowo, energia powierzchniowa samych tlenków jest zbyt niska, aby mogło dojść do zwilżenia.

Do usuwania tlenków i utrzymywania tego czystego ‘interfejsu’ przed procesem i podczas pracy dyszy służy topnik. Po oczyszczeniu, stopień zwilżenia między lutem a dyszą powraca do normalnego stanu, jednak interakcja ta ogranicza również żywotność dyszy poprzez stopniowe wypłukiwanie metalu do kąpieli lutowniczej. Sama ekspozycja na lut i późniejsza reakcja nie powoduje znacznego zużycia, jednak przepływ cieczy zwiększa zużycie w efekcie synergistycznym (sugeruje to, że podstawowym mechanizmem jest złożona reakcja korozji-erozji).

Dlatego też dysza musi mieć nie tylko dobrą zwilżalność lutu, zapewniając utrzymanie kontroli podczas procesu lutowania selektywnego, lecz dodatkowo powinna zachowywać równowagę między korozją a zwilżaniem. Aby to osiągnąć, skład chemiczny materiałów, z których jest ona wykonana, musi być starannie dobrany. Na przykład doskonale zwilżalny materiał, taki jak miedź, charakteryzuje się jednocześnie dużą szybkością rozpuszczania i taka dysza zostałaby całkowicie ‘wypłukana’ do kąpieli w ciągu kilku godzin (wskazuje to również na związek między procesem zużycia a stopniem zwilżania).

Obecnie producenci maszyn do lutowania selektywnego wprowadzają innowacyjne nowe modele maszyn, pompy czy systemy czyszczenia dysz, jednak w badaniach materiałów na dysze nastąpił jedynie niewielki postęp. Lepsze materiały zmniejszyły koszty operacyjne i koszty konserwacji ponoszone przez producentów, zmniejszając liczbę zużywanych dysz i skracając przestoje spowodowane ich awariami. Poprawa zwilżalności dysz pozwoli na lepsze poradzenie sobie z problematycznymi przypadkami połączeń lutowniczych.

Obecne dysze mają żywotność około 200 godzin (mniejsze dysze zużywają się jednak szybciej). Część producentów opracowała nowe dysze, oparte na bezprądowych, zanurzeniowych powłokach niklowo-złotych (są to materiały stosowane już w branży). W większości przypadków, producenci zachowują daleko powściągliwość w informowaniu, z jakich materiałów wykonane są dysze, można jedynie odnotować fakt, że w przypadku maszyn do lutowania na fali, upowszechnia się przedłużająca żywotność urządzeń technika azotowania.

Zródło: Selective Soldering: A Need for Innovation and Development © Pillarhouse International Ltd

Autorzy: Dr. Samuel J. McMaster*1, Professor Andrew Cobley1, Dr. John E. Graves1, Nigel Monk

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!