Od czego zależy poziom zgarów w lutowaniu na fali?

W procesie tworzenia stopu metale są dodawane do siebie i stapiane razem, a następnie schładzane do ustalonego punktu przekraczającego temperaturę topnienia stopu. W przypadku stopu cynowo-ołowiowego (Sn63/Pb37) będzie to temperatura powyżej 183°C (361°F), natomiast dla stopu bezołowiowego, takiego jak SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0. 5) będzie to powyżej 217-219°C (423-426°F). Gdy stop topi się, jego powierzchnia jest wystawiona na działanie powietrza. To oddziaływanie powietrza na powierzchnię stopu tworzy warstwę tlenku zwaną żużlem lub zgarami (ang. dross). Gęstość żużla i stopu są bardzo podobne, co powoduje powolne ich rozdzielanie. Ilość zgarów nie jest związana z występowaniem zanieczyszczeń, lecz raczej z szybkością utleniania, chociaż trzeba podkreślić, iż niektóre zanieczyszczenia, takie jak glin (Al) i cynk (Zn) zwiększają szybkość tworzenia się żużla ze względu na ich szybkie utlenianie). Jednak większość zanieczyszczeń mieszczących się w granicach określonych przez IPC-J-STD-006 jest dopuszczalna i nie powoduje tworzenia się żużlu.

Co powoduje, że niektóre sztabki tworzą więcej żużla?

Niektóre firmy do produkcji lutu w sztabkach często używają metali pochodzących z recyklingu, co nie musi automatycznie oznaczać, że sztabka jest złej jakości. Jednak z powodu złych technik rafinacji, powszechnie stosowanych w przeszłości, panuje powszechne przekonanie, że stosowanie metali z recyklingu w jest niedopuszczalne. Częstym problemem towarzyszącym stosowaniu metali z recyklingu jest to, że po procesie chemicznego usuwania zanieczyszczeń, chemikalia lub utleniony metal, które powstają w tym procesie, nie są de facto w pełni usuwane. W procesie rafinacji często stosuje się chemikalia, takie jak siarka (S), chlor (Cl), fosfor (P) i sole sodu, które jeśli nie zostaną odpowiednio usunięte i pozostaną w stopie na dalszych etapach procesu produkcji. Chemikalia te mogą następnie hamować zdolność oddzielania się żużla od lutu i powodować wbijanie się struktur żużlu w masę lutu podczas odlewania. Spowoduje to duży stopień zanieczyszczenia lutu zgarami. Niektórzy producenci stopów z recyklingu stosują też etap galwanizacji i chociaż proces ten obniża poziom zanieczyszczeń, jak wspomniano powyżej, wciąż nie gwarantuje to niskiego poziomu żużlu.

Z drugiej strony, niektórzy producenci lutów będą używać tylko ‘pierwotnych’ metali w produkcji stopów. W przypadku Sn63/Pb37 oznacza to zakup czystej cyny i ołowiu (a czasami także czystego antymonu, jeśli ten dodatek jest wymagany), a następnie ich połączenie. W przypadku stopu bezołowiowego, takiego jak SAC305, czyste srebro i miedź są łączone z czystą cyną w celu utworzenia końcowego stopu. Teoretycznie powinno to dać wysokiej jakości stop, dający jedynie standardową ilość zgarów. Dlaczego więc nie zawsze tak jest? Jak wspomniano powyżej, żużel pochodzi z tlenków metali, a nie z zanieczyszczeń, a dostawcy cyny i ołowiu czasem mogą dostarczać surowce, które zawierają wysoki poziom tlenków, które powinny być usunięte w procesie tworzenia stopu. Jeśli jednak nie zostaną one dokładnie usunięte, w efekcie wytworzony zostanie stop równie słaby, jak w przypadku słabej jakości stopu z recyklingu.

Techniki redukcji żużlu.

Istnieją dwa różne podejścia, stosowane przez producentów spoiw, których celem jest zmniejszenie zawartości żużlu w sztabkach. Pierwsza metoda polega na dodaniu do gotowego stopu ‘pochłaniaczy tlenu’: najczęściej stosowanym jest fosfor (P), który utlenia się i daje efekt niskiego poziomu zgarów. Niestety z fosforem wiążą się pewne problemy. Jeśli poziom fosforu jest zbyt wysoki, spowoduje to przyleganie żużlu do części wykonanych z żelaza, co z kolei powoduje zatykanie się pomp lub przegród falowych. Ponadto, jeśli lut nie jest często uzupełniany, fosfor można usunąć z tygla wraz z usuwanym żużlem, minimalizując zamierzone efekty redukcji żużlu. Innym problemem jest to, iż nie jest łatwo analizować poziom fosforu. Ackroyd i MacKay (1) wykazali, że jeśli poziom fosforu w tyglu lutowniczym wynosi powyżej 0,01%, może to powodować niedostateczne zwilżanie i pękanie połączeń lutowanych.

Preferowaną metodą zmniejszenia zawartości żużlu w sztabkach jest zastosowanie systemu ich produkcji eliminującego uwięzienie tlenku. Na przykład system Electropure opracowany przez AIM to proces, który eliminuje pierwiastki, które potencjalnie zwiększają tworzenie się żużlu, jednocześnie redukując tlenki zawarte sztabie.

Azot w lutowaniu na fali

Azot, który jest substancją obojętną, stosuje się w celu obniżenia poziomu tlenu, co z kolei powoduje redukcję tworzenia się żużlu. Ci, którzy wdrożyli proces lutowania na fali z azotem, osiągnęli redukcję kosztów żużlu do 95% (2). Ponadto, azot zmienia napięcie powierzchniowe lutu, co dodatkowo poprawia zwilżanie. Zazwyczaj poziom tlenu w układzie obojętnym utrzymuje się na poziomie około 50 do 100 ppm.

Wytworzenie atmosfery obojętnej w procesie lutowania na fali można osiągnąć przez rozproszenie gazu po obu stronach przepływającej fali w układzie otwartym lub poprzez zainstalowanie kaptura nad tyglem lutowniczym, który skutecznie zamyka środowisko lutowania. Niektóre maszyny do lutowania falowego dostarczają azot również do tunelu, prowadzącego do tygla lutowniczego, aby zapobiec utlenianiu podczas podgrzewania wstępnego.

Zmiana dostawcy lutu

Podczas zmiany lutowia w tyglu z jednej marki na inną, po jego opróżnieniu rekomenduje się wykonanie kilku ważnych czynności, aby zapewnić niski poziom tworzenia się zgarów. Po ponownym napełnieniu tygla lutowiem ważne jest, aby uruchomić tygiel na co najmniej 8 godzin po to, aby upewnić się, że cienka warstwa utlenionego lutowia, która pozostała na jego ściankach, przegrodach i wirniku pompy została usunięta przez lut. Należy wyłączyć pompę i wszelkie inne urządzenia, które powodują turbulencje lutowia i pozostawić naczynie w temperaturze 188°C dla Sn63/Pb37 lub 217°C dla SAC305 przez noc. Po upływie od 8 do 16 godzin należy usunąć żużel z materiału, który został zmieszany z nowym lutowiem i dopiero wówczas należałoby uruchomić normalny proces.

Rozwiązywanie problemów z żużlem

Na ilość żużlu wpływa kilka zmiennych procesowych. Jednym z czynników wpływającym na powstawanie ponadnormatywnych ilości zgarów są nadmierne turbulencje fali, co może być na przykład spowodowane zużyciem pompy czy zbyt dużą wysokością fali. Aby zminimalizować tworzenie się żużlu, stopiony lut powinien być utrzymywany w ustabilizowanym stanie, a zmętnienie powinno być minimalizowane, gdy tylko jest to możliwe. Ponadto, jeśli tylko urządzenie jest wyposażona w taką funkcję, fala powinna być utrzymywana w trybie gotowości maksymalnie długo i płynąć z pełną prędkością tylko wtedy, gdy więcej zespołów zbliża się i przechodzi nad tyglem.

Im wyższa temperatura lutowia, tym wyższy będzie poziom tworzącego się żużlu. Zasadniczo dla Sn63/Pb37 zakres temperatury tygla powinien wynosić od 249° do 254°C, z maksymalną temperaturą 260°C. Podobny zakres temperatur dotyczy stopu bezołowiowego, takiego jak SAC305, jednak w niektórych zastosowaniach w celu poprawienia wypełnienia otworu w górnej części stosuje się temperatury tygla sięgające 271°C. Powyżej tych punktów poziom zgarów często gwałtownie wzrasta, jednak z drugiej strony zbyt duże obniżenie temperatury może pogorszyć wyniki lutowania.

Podsumowanie

Chociaż stosowanie sztabek o niskim poziomie zanieczyszczeń jest ważne dla operacji lutowania na fali, to samo w sobie nie zapewnia niskiego poziomu powstającego żużlu. Ponadto, rafinacja elektrolityczna jest kosztownym procesem produkcyjnym, który niekoniecznie poprawia wyniki lutowania lub zmniejsza ilość powstającego żużlu. Kożuszenie jest raczej wynikiem tlenków zawartych w sztabce, które wchodzą w kontakt z powietrzem podczas procesu lutowania na fali. Poziom tlenków w sztabce można zmniejszyć albo przez dodanie ‘pochłaniaczy tlenu’, takich jak fosfor, albo przez zastosowanie zaawansowanych procesów produkcyjnych.

Zanieczyszczenie tygla lutowniczego.

Jeśli zawartość pewnych pierwiastków w tyglu przekracza specyfikację, aby uniknąć problemów z lutowaniem i potencjalnych wad, należy podjąć pewne działania naprawcze. Aby utrzymać czystość lutowia, zaleca się regularną analizę składu tygla. Poniższa lista elementów zawiera odpowiednie limity najpopularniejszych pierwiastków:

1. “Contamination of Solder Baths: Influence on Wetting Properties of Some Impurities”, Ackroyd and MacKay, Tin Research Institute, Greenford, Middlesex, UK

2. Air Products and Chemicals, Inc. website cost of ownership study: http://www.airproducts.com/electronics/microelectronics/matrox.htm 

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Scanditron

Źródło: 'Bar Solder Drossing Characteristics and Wave Contamination' © AIM