Utlenianie się kulek lutowniczych podczas drugiego cyklu reflow

© RayPCB

Opisane wyżej pytanie padło na jednym z blogów, traktujących o technologii montażu. Fritz Byle, inżynier procesu z firmy doradczej Astronautics, aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw zrobił kilka założeń: ‘odpowiednio oczyszczony’ oznacza, że ​​wszystkie pozostałości topnika zostały usunięte, nie pozostawiając żadnych śladów jonowych; drugi cykl lutowania przepływowego odbywa się bez atmosfery azotu, a cały proces reflow przebiega pod właściwą kontrolą pod kątem szczytowej temperatury i czasu przebywania płytki ponad progiem temperatury rozpływu. Fritz Byle pisze: ‘Przy powyższych założeniach, do pewnego stopnia może nastąpić zjawisko utleniania się kulek BGA, jednak nigdy nie powinno to powodować powstawania otwartych lutów, chyba że coś naprawdę wymknęło się spod kontroli. Jeśli po drugim cyklu lutowania rozpływowego pojawiają się otwarte luty, których nie było po pierwszym cyklu reflow, lista możliwych przyczyn obejmuje:

- słabe początkowe zwilżanie, z minimalnym kontaktem, który został zerwany po drugim przepływie

- de-wetting (dosłownie ‘odwilżanie’) padów przy drugim cyklu, co powinno również dotyczyć widocznych padów SMT, choć to mniej prawdopodobny scenariusz

- wibracje w piecu rozpływowym, powodujące utratę kontaktu (co jest naprawdę mało prawdopodobne)’.

Jako że Fritz Byle właściwie wyklucza dwie z trzech podanych przez siebie przyczyn, jego rekomendacją jest wykonanie dokładnej analizy rentgenowskiej połączeń lutowniczych po pierwszym cyklu lutowania rozpływowego w celu zidentyfikowania złych parametrów zwilżania. Dodatkowo, jeśli jest to komponent o drobnym rozstawie wyprowadzeń, należało by dokładniej przyjrzeć się procesowi drukowania pasty i upewnić się, czy depozyt pasty na któryś padach nie ma zbyt małej objętości.

Podobnie wypowiada się Tony Lentz, inżynier aplikacyjny z FCT Assembly: ‘Jeśli mowa o kulkach lutowniczych na elementach BGA, podczas drugiego cyklu reflow na metalowych powierzchniach może wystąpić utlenianie. Zakładając jednak, że połączenia lutowane zostały prawidłowo uformowane podczas pierwszego cyklu rozpływu, utlenianie zwykle nie spowoduje powstawania otwartych lutów. Usuwanie pozostałości topnika no-clean z płytki drukowanej likwiduje potencjalną ochronę przed utlenianiem, którą zapewnia topnik no-clean. Pozostałości topnika na bazie wody są potencjalnie żrące i powinny zostać usunięte, zazwyczaj nie pomagają też w ochronie przed utlenianiem’. Zauważmy jeszcze tylko, że identycznie wypowiada się jeszcze kilku ekspertów, uczestniczących w dyskusji: jeśli pierwszy cykl został przeprowadzony prawidłowo, w drugim nie powinno się dziać nic  złego.  

Dr. Oommen Tharakan Kuttiyil Thomas z  Vikram Sarabhai Space Center rozgryza natomiast zadany wyżej problem na poziomie oddziaływań chemicznych: ‘Załóżmy, że drugi cykl reflow oznacza lutowanie drugiej strony płytki drukowanej. Podczas lutowania związki międzymetaliczne (IMC) tworzą się jako stała warstwa na granicy między cyną a miedzią, powszechnie nazywana warstwą międzymetaliczną lub strefą dyfuzji.

Bezpośrednio przy warstwie miedzi utworzy się cienka warstwa Cu3Sn, która będzie pokryta grubszą warstwą Cu6Sn5. W normalnych temperaturach lutowania warstwy te są stałe, jednak powyżej 415ºC zaczynają rozpuszczać się w stopionym lucie. Dopiero wówczas mogą powstać pustki o rozmiarach submikronowych, albo na styku między IMC a warstwą miedzi, albo w samym IMC. Te puste przestrzenie powstaną, jeśli złącza lutowane zostaną wystawione na działanie podwyższonej temperatury, na przykład podczas testów żywotności w wysokiej temperaturze i cykli termicznych.

W przypadku omawianym w pytaniu internauty, jest to tylko ekspozycja na standardową temperaturę rozpływu, której czas trwania jest ponadto ograniczony. Co więcej, jeśli reflow drugiej strony zostanie przeprowadzony bezpośrednio po pierwszym cyklu i odpowiednim oczyszczeniu (lub też oczyszczone PCB będzie przechowywane w komorze z azotem, co może wynikać z wymagań cyklu produkcyjnego), przed lutowaniem rozpływowym drugiej strony PCB, nie powinno występować ani utlenianie, ani otwarte luty'.