Zapobieganie tworzeniu się zgarów i wolnych kulek lutowia w procesie lutowania selektywnego.

Wstęp

Tlenek cyny, powszechnie określany jako zgary, powstaje gdy lutowie jest podgrzewane do punktu topnienia, będąc jednocześnie narażone na kontakt z tlenem, co ma miejsce podczas procesów lutowania na fali lub lutowania selektywnego. Stwierdzono, że tlenek cyny osadzający się na końcówkach dysz zniekształca kształt fali do lutowania selektywnego, co zakłóca równomierny przepływ lutu i niekorzystnie wpływa na kontakt lutowia z PCB. Ponieważ do powstania tlenku cyny potrzebny jest tlen, aby minimalizować jego powstawanie, praktycznie wszystkie systemy lutowania selektywnego są wyposażone w instalacje umożliwiające ciągły przepływ azotu wokół dyszy.

Ponieważ gromadzenie się zgarów utrudnia przepływ stopionego lutowia, należy przestrzegać kilku praktyk ograniczających jego gromadzenie się, w tym okresowego czyszczenia tygla z lutowiem, usuwania zgarów czy minimalizowanie czasu pracy pompy i wysokości fali. Te praktyki zmniejszają zjawisko osadzania się zgarów, a także minimalizują gromadzenie się innych zanieczyszczeń stopu. 

Tworzenie się zgaru

Tlenek cyny ma krystaliczną, nieco podobną do pudełka strukturę molekularną, która ma tendencję do wiązania się ze sobą i tworzenia warstw. Często obserwuje się tworzenie warstwy tlenku cyny na dyszach do lutowania selektywnego, zwykle narastających od dołu dyszy w kierunku jego końcówki.

© Nordson Select, 'Selective Solder Nozzle Technology for Reduced Dross Formation and Minimizing Solder Balls'.

Rysunek 1. Ilustracja cząsteczek cyny (Sn) i tlenu (O) łączących się w tlenki cyny (SnO i SnO2)

Cyna zawarta w każdym stopie - SnPb, SAC305 czy SN100C - łączy się z tlenem i tworzy zgar. Ważnym aspektem jest umożliwienie swobodnego odprowadzania każdej ilości tlenku cyny z dala od wylotu dyszy, ponieważ utworzenie się jakichkolwiek ‘punktów zaczepienia’ pozwala na uformowanie się struktury tlenku cyny, wędrującej w stronę końcówki, gdzie ogranicza przepływ stopionego lutowia. 

Wpływ składu lutu

Powszechnie stosowane bezołowiowe stopy lutownicze, w tym cyna-srebro-miedź (SAC305) i cyna-nikiel-miedź (SN100C) mają znacznie wyższą zawartość cyny niż stop cynowo-ołowiowy i generują większe ilości tlenku cyny. Stwierdzono, że bezołowiowy stop SN100C ma lepszą charakterystykę płynięcia niż stop lutowniczy SAC305, co wynika z faktu, że SAC305 ma wyższe napięcie powierzchniowe (stop ten początkowo został opracowany do lutowania powierzchniowego). Właśnie ze względu na wyższe napięcie powierzchniowe, SAC305 ogólnie nie jest zalecanym stopem lutowniczym do lutowania selektywnego. Dodatkowo, SN100C zawiera niewielką ilość germanu, co podnosi temperaturę topnienia i zapewnia właściwy przepływ lutu. Ponadto wydaje się, że ze względu na niższe napięcie powierzchniowe, to również german odpowiedzialny jest za zmniejszenie efektu mostkowania.

Przepływ tlenu i azotu wokół dyszy

Badania wskazują, iż jeśli tylko pojawiają się cząsteczki tlenu, w stopionej cynie natychmiast tworzą się tlenki. Tworząca się na górnej powierzchni stopionego lutu warstwa zgaru chroni pozostałą część płynnego lutu przed dalszym tworzeniem się tlenku cyny, chyba że opisywana wierzchnia warstwa tlenku zostanie przerwana, a kolejne cząsteczki tlenu dotrą do cyny, powodując dalsze utlenianie. Badania ponadto wskazują, że jest to proces ciągły i obecność jakiejkolwiek ilości tlenu w kontakcie ze stopionym lutowiem w podwyższonej temperaturze będzie wciąż i wciąż tworzyć kolejne warstwy tlenku cyny.

Testy obecności tlenu przeprowadzone przez Nordson SELECT potwierdziły jednak istnienie pewnego nieistotnego poziomu tlenu wokół dyszy, jako funkcji grubości warstwy azotu otaczającej dyszę. Poziom tlenu w bezpośrednim otoczeniu końcówki dyszy lutowniczej nie wydaje się być dominujący problem w redukcji zgarów, pod warunkiem jednak, że mieści się on w pewnym pożądanym zakresie. Pomiary analizatorem tlenu w osi X i Y w bezpośrednim otoczeniu wylotu dyszy wskazywały powtarzalne odczyty między 90 a 200 PPM (tj. cząstek na milion), a więc znacznie poniżej 500 PPM, który to poziom jest uważany za dopuszczalny w przypadku lutowania selektywnego. Stosunkowo wysoki dopuszczalny poziom tlenu wynika z faktu, iż środowisko procesu ma charakter otwarty, w przeciwieństwie do atmosfery zamkniętej, jak w piecu do lutowania rozpływowego.

© Nordson Select, 'Selective Solder Nozzle Technology for Reduced Dross Formation and Minimizing Solder Balls'.

Rysunek 2. Sonda analizatora tlenu dokonująca pomiaru nad środkiem dyszy (po lewej) i 

przesunięta w osiach X i Y, mierząca poziomy tlenu w różnych lokalizacjach wokół dysz (po prawej). 

© Nordson Select, 'Selective Solder Nozzle Technology for Reduced Dross Formation and Minimizing Solder Balls'.

Rysunek 3. Wykres przedstawiający proporcjonalne poziomy tlenu w odniesieniu do środka dyszy i osłony pierścienia gazowego (po lewej) i wykres przedstawiający wykres poziomów tlenu w stosunku do pozycji osi X i Y (po prawej).

Mechanizm tworzenia się kulek lutowia

Wolne kulki lutowia pojawiają się na PCB gdy kopuła stopionego lutu się porusza między sąsiadującymi wyprowadzeniami komponentu przewlekanego. Jest to szczególnie częste zjawisko podczas poruszania się dyszy wzdłuż pinów konektorów wielorzędowych lub podobnych komponentów, gdy kopuła stopionego lutu niejako ‘uderza’ o kolejne piny.

W wielu przypadkach obecność wolnych kulek lutowia na powierzchni PCB jest uważane jedynie za kwestię ‘kosmetyczną’, która można zlikwidować oczyszczając powierzchnię zwykłą szczotką. Jednak w innych przypadkach wolne kulki lutowia mogą powodować potencjalne zagrożenia: jeśli ich średnica jest dostatecznie duża i jeśli nie przylgną do maski lutowniczej, może to skutkować zwarciem elementów o drobnym rastrze. 

© Nordson Select, 'Selective Solder Nozzle Technology for Reduced Dross Formation and Minimizing Solder Balls'.

Rysunek 4. Przykład kulek lutowia przylegających do maski lutowniczej pomiędzy sąsiednimi pinami THT (po lewej) i zdjęcie rentgenowskie kulek między wyprowadzeniami 132-pinowego komponentu THT na płytce wielowarstwowej (po prawej).

Turbulencje lutowia 

Wolne kulki lutowia tworzą się również we wnętrzu dyfuzora lub pionowej części dyszy, w efekcie rozpryskiwania się stopu spowodowanego jego turbulencjami, wytwarzającego wyższą siłę niż energia napięcia powierzchniowego lutowia. Tak powstałe kulki często przylegają do zimniejszych powierzchni, takich jak komin dyszy czy maska lutownicza PCB (dzieję się tak ponieważ maska lutownicza jest zmiękczana poprzez podgrzewanie w procesie lutowania).

Należy więc unikać nadmiernego mieszania i turbulencji lutu, ponieważ rozpryskiwane lutowie łączy się błyskawicznie z tlenem i dzięki energii powierzchniowej tworzy zgar. Sposobem na zmniejszanie ilości tak wytworzonego zgaru jest stosowanie specjalnie ukształtowanych elementów dozujących lut: żłobkowanej rurki doprowadzającej lut wraz z zewnętrzną tulejką, radykalnie zmniejszających formowanie się kulek lutowniczych (ramka obok).

Autorzy: Toivo Mykkanen i Bob Klenke

Źródło: Nordson SELECT

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Amtest