Lutowanie z zastosowaniem próżni najlepszym sposobem na redukcję pustek

W przypadku procesów lutowania PCB, celem zastosowania próżni jest przede wszystkim usuwanie substancji lotnych ze spoin lutowniczych i związana z tym redukcja pustek. U podstaw stosowania tych procesów leżą natomiast coraz ostrzejsze wymagania w zakresie jakości i niezawodności produktów elektronicznych, a także wyższe gęstości prądu (np. w modułach mocy) i wynikające z faktu występowania pustek większe straty mocy.

Pustki to pęcherzyki gazu, które powstają w wyniku odgazowania np. pozostałości topnika czy produktów ubocznych różnych reakcji chemicznych. Doświadczenia zdobywane w ostatnich latach pokazuje, że ciśnienie mniejsze niż 50 mbar aplikowane w otoczeniu stopionego lutowia jest wystarczające do znacznego zmniejszenia liczby pustek.

Rysunek poniżej pokazuje połączenia lutowane LED o wysokiej jasności po lutowaniu bez zastosowania próżni (część górna). Porównanie obu obrazów wyraźnie pokazuje, że przy podciśnieniu 10 mbar liczba pustek i ich powierzchnia została drastycznie zminimalizowana. W przypadku połączeń lutowanych o dużych powierzchniach, jak na przykład w przypadku diod LED, QFN i chipów Si, mniejsza liczba pustych przestrzeni skutkuje lepszą wydajnością cieplną, a także zmniejszeniem tendencji do przechylania się komponentu.

Żródło: 'Reduction of voids in solder joints with vacuum' Autorzy: Dr. Paul Wild , Dr. Karin Hergert1 , Dr. Hans Bell, © Rehm Thermal Systems GmbH

Pozostające w sprzeczności wzajemne interakcje różnych istotnych dla procesu lutowania czynników są jednym z kluczowych powodów, dla których optymalizacja procesów i stosowanych materiałów, mająca na celu ograniczenie powstawania pustek, skutkuje tylko częściową lub lokalną poprawą (np. poprawa dotyczy tylko jednego typu komponentu). Jak przykładowo wskazują autorzy omawianego artykułu, polepszenie zwilżania poprzez zastosowanie wykończenia powierzchni typu immersion tin powoduje wzrost ilości pustek w przypadku BGA, przy równoczesnym ich zmniejszeniu w przypadku QFN. Te dwa rodzaje złączy lutowniczych różnią się między sobą w szczególności geometrią i stosunkiem powierzchni do objętości przed i po lutowaniu.

Uzyskane dotychczas wyniki badań prowadzą do zasadniczego wniosku, że mechanizmy powstawania pustek zależą od wielu czynników oraz że trwałą redukcję pustek można osiągnąć jedynie za pomocą wprowadzenia do procesu próżni.

Oprócz głównego celu, jakim jest redukcja pustek, zastosowanie próżni zapewnia również inne korzyści, które zależą od technologii zastosowanego systemu. Poniższe zestawienie zawiera charakterystykę trzech różnych procesów lutowania - kontaktowego, w fazie gazowej (tj. lutowanie kondensacyjne, w oparach Galdenu) i konwekcji (tj. rozpływowe) - oraz zostaną efektów wprowadzenia do nich próżni.

Żródło: 'Reduction of voids in solder joints with vacuum' Autorzy: Dr. Paul Wild , Dr. Karin Hergert1 , Dr. Hans Bell, © Rehm Thermal Systems GmbH