Źródła zanieczyszczenia i kontrola jakości tygla ze stopami bezołowiowymi

Tony Lentz z FCT Assembly wskazuje, że najbardziej prawdopodobnym źródłem zanieczyszczeń w kąpieli lutowniczej – bez względu na to, czy jest to tygiel fali czy selektywa - są metale uwalniane z płytek drukowanych oraz komponentów.

‘Na przykład, jeśli płytki są pokryte cynowo-ołowiowym wykończeniem HASL a są montowane w reżimie bezołowiowym, wówczas ołów z powłoki HASL najpewniej rozpuści się w kąpieli lutowniczej. Z kolei jeśli płytki są pokryte powłoką OSP, miedź z padów rozpuści się w kąpieli lutowniczej. Ponadto, wyprowadzenia komponentów są często powlekane cyną lub niklem, który również może rozpuszczać się w kąpieli lutowniczej […]’ czytamy wypowiedź Tony’ego na jednym z blogów.

Kevin Mobley z General Atomics Electromagnetic Systems Group wskazuje na podobne źródła zanieczyszczeń: ‘Najczęstszymi źródłami zanieczyszczenia tygla lutowniczego będą zazwyczaj materiały zawarte w podzespołach, które są lutowane na fali. Niewielkie ilości miedzi usuwane są z każdej płytki przechodzącej przez tygiel lutowniczy i to samo dotyczy złota lub srebra, jeśli jest stosowane jako wykończenie powierzchni. Z kolei kadm, cynk i aluminium mogą pochodzić z fixtur lutowniczych, uchwytów, zacisków, końcówek itp. Prawie wszystko, co przejeżdża przez falę, utraci trochę materiału, chociaż zwykle są to bardzo małe ilości’.

Zanieczyszczenia tygla mogą wpływać na właściwości fizyczne takie jak zwilżalność lutu i konsekwencji mogą powodować defekty, takie jak icycyling (stożkowe formacje na padzie), mostkowanie, otwarte luty czy niedostateczne zwilżanie. Limity zanieczyszczeń opisane są w normie IPC J-STD 001C DOD 2000A. Firma AIM zgromadziła rodzaje zanieczyszczeń, ich najczęstsze pochodzenie i rekomendowane działania:

© AIM

Kester zaleca w swojej nocie aplikacyjnej, aby podczas wstępnej analizy tygla lutowniczego dane zbierać co miesiąc przez co najmniej pół roku, aby zaobserwować zmian zachodzące w czasie. Na podstawie tak zebranych danych, można określić najbardziej odpowiednią częstotliwość testowania czystości tygla dla swojej konkretnej aplikacji. Wielu użytkowników tradycyjnych stopów ołowiowych weryfikuje zgodność zawartościm tygla z wymaganiami branżowymi co 3-6 miesięcy. Jednak w przypadku stopów bezołowiowych mogą być konieczne częstsze analizy, ponieważ stopy o wysokiej zawartości cyny mają większą tendencję do rozpuszczania innych metali (tj. stopy bezołowiowe mogą rozpuszczać miedź, żelazo i inne metale szybciej niż stopy ołowiowe). Jak podaje Kester, wielu użytkowników stopów bezołowiowych testuje swoje tygle lutownicze co 1-2 miesiące. ‘Po usunięciu żużlu i wymieszaniu garnka należy pobrać próbkę co najmniej 150 g lutu, aby zapewnić jednorodną i reprezentatywną próbkę garnka’ czytamy w nocie aplikacyjnej Kester.

Carlos Bouras z Nordson SELECT zaleca na blogu, aby kąpiele lutownicze zawierające stopy bezołowiowe były analizowane raz na 3-6 miesięcy lub co 8.000 PCB, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Chociaż zwykle przeprowadzana jest pełna analiza, analiza lutowia koncentruje się przede wszystkim na trzech głównych zanieczyszczeniach metalicznych: miedzi (Cu), ołowiu (Pb) i żelazie (Fe).

Carlos Boursas pisze też więcej o limitach i konsekwencjach przekroczenia tych progów: ‘Głównym źródłem zanieczyszczenia miedzią jest rozpuszczanie się miedzi z wykończenia powierzchni płytki drukowanej, co tworzy związek międzymetaliczny miedź-cyna (CuSn). Zanieczyszczenie miedzią jest dopuszczalne do 1,0% wagowo, a zawartość tego pierwiastka powyżej tej graniczy powoduje spowolnienie przepływu lutu i niekorzystnie wpływa na wydajność maszyny. Z kolei aby zapewnić zgodność z dyrektywą RoHS, górny poziom zanieczyszczenia ołowiem wynosi 0,1%. Pomimo pracy z bezołowiową kąpielą lutowniczą, ołów z wykończeń powierzchni PCB może przedostawać się do tygla lutowniczego, powodując powstawanie w połączeniach  lutowniczych bogatych w ołów segmentów o niskiej temperaturze topnienia, co może prowadzić do pęknięć i innych ukrytych defektów. Zanieczyszczenie żelazem jest dopuszczalne do maksymalnej wartości 0,02% i wynika przede wszystkim z wypłukiwania elementów maszyn w kontakcie z bezołowiowymi stopami lutowniczymi bogatymi w cynę, które tworzą związek międzymetaliczny żelazo-cyna (FeSn2). Poziomy zanieczyszczenia żelazem przekraczające 0,02% mogą potencjalnie powodować kruche połączenia lutownicze i należy ich unikać'.

Mitch Holtzera z Alpha wsponina także, iż przyczyną zanieczyszczenia tygla może być podejście do zarządzania żużlem, które może zmienić stosunek cyny do srebra w stopie bezołowiowym. Jego zdaniem każda próba recyklingu żużlu, polegająca na oddzieleniu metalu od tlenków jest głównym źródłem zanieczyszczenia, bowiem jak pisze żużel bezołowiowy ma wyższy współczynnik zawartości cyny (cyna jest mniej szlachetna niż srebro), co jest przyczyną zachwiania pierwotnego stosunku tych metali.