Powstawanie defektu kuleczkowania w procesie lutowania selektywnego

Obszernym źródłem wiedzy o lutowaniu selektywnym jest podręcznik ‘Nordson Select Selective Soldering Process Manual’ z 2017 roku. Według tego dokumentu, występowanie wolnych kulek lutowia jest przede wszystkich spowodowane zbyt dużą ilością rozpuszczalnika zawartego w topniku na powierzchni płytki, pozostałego po etapie podgrzewania wstępnego, którego gwałtowne odparowywanie prowadzi do ‘mikro-eksplozji’ i rozbryzgiwania się lutowia. Jako najważniejsze sposoby przeciwdziałania temu zjawisku autorzy rekomendują albo wydłużenie czasu przebywania układu w strefie podgrzewania, albo zmniejszenie ilości aplikowanego topnika. 

Inną przyczyną zjawiska kuleczkowania może być też porowatość maski lutowniczej, wykraczająca poza standardy IPC. Poza ‘eksplodującymi’ pozostałościami topnika, innym mechanizmem powstawania kulek lutowia jest bowiem ich tworzenie się wewnątrz dyfuzora lub pionowego komina dyszy. Energia napięcia powierzchniowego lutowia jest osłabiana w wyniku mieszania lub turbulencji lutu, co prowadzi do jego rozpryskiwania się. Tak powstałe kulki lutownicze często przylegają do zimniejszych powierzchni, takich jak elementy dyszy, ale mogą również przylec do maski lutowniczej PCB, zwłaszcza w warunkach gdy maska jest zmiękczona podczas podgrzewania (Bob Klenke, Nordson Select, Reducing Dross and Solder Balls In Selective Soldering). 

Potwierdzeniem wpływu porowatości maski lutowniczej może być też opinia Todd’a O’Neil z DAGE, wyrażona w komentarzu na stronie circutinsight.com (link do wypowiedzi). Zbyt wysoki poziom wilgoci na płytce - co często jest związane z porowatością jej powierzchni - może być przyczyną powstawania kulek lutowia na stronie pierwotnej podczas lutowania strony wtórnej. Podobnego zdania na temat potencjalnych przyczyn powstawiania kulek są autorzy pracy ‘Selective Soldering Technology Selection’, opracowanego przez specjalistów firmy Shenzen Kaifa Technology Co. Ltd. Według nich w przypadku niektórych masek lutowniczych można zaobserwować zwiększoną częstość tworzenia się kulek lutowniczych. 

Jak wspomniano wcześniej, zdarza się, iż kulki lutowia pojawiają się po stronie pierwotnej przy lutowaniu selektywnym strony wtórnej. Według Petera Biocca z Kester, również w tym przypadku kulki lutowia na górnej stronie mogą wskazywać na niewystarczające podgrzanie ciekłego topnika. Jeśli pozostałości rozpuszczalnika zawartego w topniku pozostaną po strefie grzania wstępnego, może to doprowadzić do ich gwałtownego odparowywania w postaci mikro-eksplozji. To intensywne odgazowywanie może powodować przenoszenie niewielkich ilości lutowia na górną stronę płytki. W uniknięciu tych kłopotów zdaniem Petera Biocca może pomóc stosowanie topników na bazie alkoholu, które mają tendencję do szybszego wysychania w czasie podgrzewania wstępnego. Innym rozwiązaniem jest zmniejszenie ilości topnika, do poziomu zapewniającego odpowiednie zwilżanie, ale bez niekorzystnego zatrzymywania resztek rozpuszczalnika.

Todd O’Neil wskazuje również na kolejną możliwą przyczynę kuleczkowania w opisanych przypadkach - zbyt długie pozostawanie dyszy w jednym punkcie. Niewłaściwie dobrana (tj. zbyt mała) dysza, aby doprowadzić do punktu lutowniczego odpowiednią dawkę energii, musi przebywać w jednym miejscu przez dłuższy czas. W takim przypadku oczywistym rozwiązaniem jest użycie dyszy o większym rozmiarze. Ekspert wskazuje równocześnie na kolejną opcję zapobiegania kuleczkowaniu – zastosowanie procesu selective stamp soldering. Jest to proces, który polega na lutowaniu całej płytki drukowanej na raz za pomocą dedykowanych dysz sterowanych wolumetrycznie (bez pomp), co bardzo przyśpiesza cały proces.

Zdjęcie tytułowe © KIC