Testy stopów do lutowania selektywnego

Najważniejsze

Zespół ITW EAE, holenderskiego producenta sprzętu do montażu elektroniki, opublikował artykuł traktujący o doborze stopu lutowniczego do procesu lutowania selektywnego. Najważniejsze wnioski artykułu są następujące (szczegóły znajdziecie poniżej):

• Nie wszystkie stopy, które sprawdzają się w procesie lutowania rozpływowego, można z powodzeniem zastosować do lutowania selektywnego. Szczególne ryzyko towarzyszy stosowaniu stopów zawierających w składzie Cu i Ni. Cząsteczki (Cu,Ni)6Sn5 lub Cu6Sn5 mogą tworzyć mikrostruktury i nie rozpuszczając się w lutowiu oddzielać się od lutowia, a następnie mieszać ze zgarami w i powodować zatykanie dyszy. Zjawisko to zaobserwowano dla stopów, które mają bogaty skład mikrododatków i stosunkowo wysoki procent Cu i/lub Ni w składzie.
• W przypadku lutów niskotemperaturowych zaleca się solidne podgrzanie tygla lutowniczego i dyszy przed rozpoczęciem produkcji. Jeśli części maszyny są zbyt zimne, lut szybko krzepnie i ma tendencję do zatykania dyszy. Słaby przepływ lutowia staje się niestabilny do momentu pełnego rozgrzania maszyny.
• W przypadku komponentów z drobnym rozstawem wyprowadzeń, niektóre stopy są bardziej wrażliwe na otwarte połączenia. Aby uzyskać dobre zwilżanie, temperatura lutowania powinna być znacznie wyższa od temperatury topnienia, zalecane jest przekroczenie likwidusu nawet o >50°C.
• Nadmiar lutowia zaobserwowano dla komponentów o rastrze 1,27 mm z krótkimi wyprowadzeniami. Zbyt obfite połączenia lutowane obserwowano przede wszystkim na ostatnich pinach złącza. Aby uniknąć mostkowania elementów o drobnym skoku, we wszystkich przypadkach niezbędne było stosowanie noża azotowego.
• Dla osiągnięcia dobrego wypełnienia otworu głównymi parametrami są czas kontaktu i temperatura lutowania. Pomiędzy różnymi lutami nie zaobserwowano dużej zmienności. Jeśli temperatura lutowania była o około 80°C powyżej punktu topnienia, a prędkość pracy była stosunkowo niska, wszystkie stopy użyte w eksperymencie były w stanie polutować płytki testowe z doskonałym wypełnieniem otworów. Niższa prędkość zapewnia dłuższy czas kontaktu, a tym samym lepsze zwilżanie.

Szczegóły

Zespół ITW przeprowadził swój test stosując siedem stopów, pogrupowanych dodatkowo w trzy kategorie - eksperymentalne stopy niskotemperaturowe (nie są jeszcze w sprzedaży), stopy standardowe oraz stopy dla wymagających aplikacji - a ich parametry techniczne znajdziecie poniżej. Używano także kilku płytek testowych, dostosowanych do badania różnych aspektów lutowania selektywnego: poza ‘standardowym’ układem, lutowano też PCB z komponentami o małym rozstawie wyprowadzeń oraz układ o extra dużej masie cieplnej. Jak zwykle nie opisujemy szczegółowo całego eksperymentu a dla szczególnie zainteresowanych parametrami próby podajemy link do oryginału.

Tabela: Charakterystyka stopów stosowanych w eksperymencie

*autorzy podkreślają, iż stopy niskotemperaturowe zastosowane w eksperymencie znajdują się w fazie testów i nie są obecnie dostępne w sprzedaży

Wyniki lutowania standardowej płytki

Wyniki lutowania płytki dostosowanej do analizy zwilżania otworów

Wyniki lutowania komponentów o małym rozstawie wyprowadzeń

Miniaturyzacja to kolejny trend w montażu elektroniki, który wpływa również na wyzwania dla lutowanie selektywnego. Na rynku dostępne komponenty z wyprowadzeniami o rozstawie zaledwie 1,00 mm. W celu analizy wpływu stosowanego stopu na lutowanie elementów o małym rozstawie zaprojektowano specjalną płytkę testową z różnymi wymiarami otworów i padów. Wszystkie stopy były zdolne do poprawnego lutowania wyprowadzeń o skoku 1.27, 1.50 i 2.00 mm bez mostkowania, pod warunkiem użycia noża azotowego usuwającego mostki. Oczywiście przepływ azotu musiał być wyższy dla elementów o mniejszych rozstawie. Mostki można było wyeliminować, jednak zaobserwowano dwa negatywne zjawiska:

• W przypadku dla stopów A i B o niskiej temperaturze topnienia, przy niższych ustawieniach temperatury i dużej prędkości pracy tworzył się defekt otwartych połączeń (open joint).

• W niektórych przypadkach autorzy eksperymentu zaobserwowali zbyt duże połączenie lutownicze w przypadku wyprowadzeń o najmniejszym skoku 1.27 mm. Działo się tak przede wszystkim w przypadku stopu E, ale także nieco rzadziej w przypadku stopów F i G. Co ciekawe, zbyt duże nagromadzenia lutowia zawsze występowało na ostatnich wyprowadzeniach w danym przejeździe dyszy. Zgodnie z normą IPC-A-610, zbyt duże nagromadzenie lutowia jest defektem a pin powinien być widoczny w masie lutowia.

Wyniki lutowania płytki o dużej masie cieplnej

Wszystkie stopy (oprócz stopu A) zostały użyte do lutowania płytki o wysokiej masie cieplnej. Płytka posiadała 8 warstw Cu i wykończenie ENIG. Płytki były lutowane w temperaturze 270 i 300°C, natomiast w przypadku niskotemperaturowego stopu lutowniczego B temperatury lutowania wynosiły 240 i 270°C.

Jak już wcześniej zauważono, w niższych temperaturach stopy niskotemperaturowe mają tendencję do zatykania się, jednak wraz ze wzrostem temperatury, wypełnienie otworów staje się doskonałe również w przypadku PCB o dużej masie cieplnej. Podczas podgrzewania wstępnego płytka testowa była podgrzewana do 110°C, dzięki czemu spadek temperatury podczas wypełniania otworu był  znacznie mniejszy niż w przypadku innych stopów, o wyższej temperaturze topnienia.

W podsumowaniu tej części eksperymentu, autorzy zwrócili uwagę jedynie na fakt, iż stop A – i w pewnym zakresie również stop F - zachowuje się znakomicie przy wyższej temperaturze lutowania i słabiej przy niższej.

Żródło: 'Solder alloy contribution to robust selective soldering process'

Autor: Gerjan Diepstraten, © ITWEAE, Oosterhout, Netherlands

Zainteresowany technikami montażu? tek.info.pl jest partnerem medialnym piątej edycji PB Technik Meets Friends, zapraszamy!