Trzy etapy wyboru lutowia i topnika

Nordson EFD zaprezentował na swoim blogu systemowe podejście firmy do wyboru lutu i topnika, które opisano w trzech etapach:

• Wybór stopu
• Wybór topnika
• Uwzględnienie cech szczególnych

Korzystając z tego podejścia, można łatwo i dokładnie określić odpowiednią kombinację lutu i topnika dla swoich potrzeb. Oczywiście istnieją dodatkowe szczegóły dotyczące właściwości stopu i topnika, które nie są tutaj omówione, a które mogą być bardzo ważne w procesie selekcji. W szczególnie skomplikowanych przypadkach zaleca się kontakt ze specjalistą ds. sprzedaży w celu uzyskania pomocy w wyborze najlepszej pasty lutowniczej do danego zadania.

Krok 1: Wybór stopu

Wybór odpowiedniego stopu lutowniczego jest niezbędny do osiągnięcia pożądanych rezultatów procesu lutowania. Zasadniczy podział stopów to oczywiście lutowia ołowiowe lub bezołowiowe. Ponadto, stopy różnią się temperaturą krzepnięcia i rozpływu, a także rozmiarami kulek. Krok pierwszy polega na odpowiedzi na trzy pytania:

• Czy stop musi być bezołowiowy?
• Czy istnieje wymóg lub ograniczenia dotyczące temperatury rozpływu?
• Jaki rozmiar kulek będzie odpowiedni pod względem wymogów drukowania/dozowania?

Stopy ołowiowe versus bezołowiowe

Dzisiejsze aplikacje wymagają użycia ołowiowego lub bezołowiowego stopu lutowniczego. Najczęstszym czynnikiem, decydującym o wyborze stopu bezołowiowego jest objęcie produktu dyrektywą w sprawie ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych (RoHS). W innych przypadkach użycie lutu bezołowiowego może wynikać też z polityki środowiskowej firmy. W wielu przypadkach wymagania dotyczące temperatury rozpływu można spełnić jedynie stosując stopy lutownicze o wysokiej zawartości ołowiu i aplikacje te są wyłączone z rozporządzenia RoHS.

Temperatura topnienia

Każdy stop lutowniczy ma zakres temperatur, w którym zmienia się ze stanu stałego w ciecz. Aby to bliżej zdefiniować, zmiana fazy ze stanu stałego w stan ciekły rozpoczyna się w momencie osiągnięcia solidusu i kończy się w momencie osiągnięcia likwidusu. Poniżej temperatury solidusu stop jest w 100-procentach w stanie stałym. Pomiędzy progami solidusu i likwidusu znajduje się zakres temperaturowy zwany stanem plastycznym (tzw. plastic range). W tym zakresie temperatur pewna część stopu jest stała, ale większość lutowia jest płynna. Ponadto warto zauważyć, że gdy solidus i likwidus są sobie równe, tego typu stopy nazywane są eutektykami.

Proces zwilżania

Zwilżanie ma miejsce, gdy metal zawarty w lutowiu łączy się z metalem na płytce drukowanej lub na komponentach. Lut staje się płynny i przepływa wzdłuż elementu/substratu, tworząc połączenie lutowane wymagane w procesie. Zwilżanie rozpoczyna się już w temperaturze solidusu, ale jego najlepsze rezultaty obserwowane są w temperaturze szczytowej wynoszącej 15°C lub więcej powyżej progu likwidusu. Jeśli złącze lutowane musi zachować integralność fizyczną podczas późniejszych etapów montażu (np. drugiego procesu lutowania rozpływowego), maksymalna temperatura późniejszej operacji musi być niższa od temperatury solidusu.

Rozmiar cząsteczki

Ostatnim krokiem w wyborze stopu jest wybór odpowiedniego rozkładu wielkości cząsteczek lutowia. Wielkości cząstek należy dokonać w odniesieniu do wymagań dotyczących drukowania lub dozowania pasty. W sytuacji, gdy producent wybierze zbyt duży rozmiar proszku, zazwyczaj efektem będą problemy z drukowaniem i dozowaniem, co skutkuje pogorszeniem jakości. Używanie mniejszego proszku zazwyczaj wiąże się z wyższą ceną, ale w niektórych aplikacjach jedynie stosowanie pasty z mniejszymi ziarnami zapewnia najlepsze rezultaty lutowania.

Krok 2: Wybór topnika

Istnieje pięć głównych kategorii topnika, z których każdy jest dostępny w różnych poziomach aktywności, składu pozostałości i metod czyszczenia, wymaganych do usunięcia pozostałości po procesie lutowania.

Rysunek: Wykres porównawczy topników.

Źródło: Clearly Understanding Solder Paste Descriptions, EFD Nordson

Kalafonia (R)

Topnik R składa się z kalafonii i rozpuszczalnika. Topnik kalafoniowy ma bardzo niską aktywność i nadaje się tylko do powierzchni łatwych do lutowania. Jego klasyfikacja IPC to ROL0. Pozostałości R po lutowaniu są twarde, niekorozyjne, nieprzewodzące i można je pozostawić na PCB. Pozostałość można usunąć odpowiednim rozpuszczalnikiem.

Kalafonia lekko aktywowana (RMA)

Topnik RMA składa się z kalafonii, rozpuszczalnika i niewielkiej ilości aktywatora. Większość topników RMA ma dość niską aktywność i najlepiej nadaje się do łatwo lutowanych powierzchni. Klasyfikacja IPC to zwykle ROL0, ROL1, ROM0 lub ROM1. Pozostałości topnika RMA są przejrzyste i miękkie, większość z nich jest niekorozyjna i nieprzewodząca. Wiele topników RMA przechodzi testy SIR jako topniki nie wymagające czyszczenia (no-clean, NC). Pozostałość można usunąć odpowiednim rozpuszczalnikiem.

Aktywowana kalafonia (RA)

Topnik RA składa się z kalafonii, rozpuszczalnika i agresywnych aktywatorów. Topnik RA ma podobną lub wyższą aktywność niż RMA, jest odpowiedni dla powierzchni średnio i silnie utlenionych. Klasyfikacja IPC to zwykle ROM0, ROM1, ROH0 lub ROH1. W przypadku braku badań potwierdzających, że jest inaczej, przyjmuje się, że pozostałości topnika RA są żrące. Układy wrażliwe na korozję lub możliwość przewodzenia prądu przez pozostałości topnika należy oczyścić możliwie jak najszybciej po montażu. Pozostałość można usunąć odpowiednim rozpuszczalnikiem.

Topniki No-Clean (NC)

Topnik NC składa się z kalafonii, rozpuszczalnika i niewielkiej ilości aktywatora. Topnik NC ma zazwyczaj niską do umiarkowanej aktywność i nadaje się do łatwo lutowanych powierzchni. Klasyfikacja IPC to zwykle ROL0 lub ROL1. Pozostałości NC są przezroczyste, twarde, niekorozyjne, nieprzewodzące i można je pozostawiać w wielu typach zespołów. Pozostałość można usunąć odpowiednim rozpuszczalnikiem. Niektóre, ale nie wszystkie, topniki NC są trudniejsze do usunięcia niż topniki RMA.

Topniki rozpuszczalne w wodzie (water soluble, WS)

Topnik WS składa się z aktywatorów, tiksotropu i rozpuszczalnika. Topnik WS występuje w szerokim zakresie poziomów aktywności, od braku aktywności do bardzo wysokiej aktywności, zdatne do lutowania nawet na najtrudniejszych powierzchniach, takich jak stal nierdzewna. Klasyfikacja IPC zwykle zaczyna się od OR dla produktów organicznych. Występują w poziomach aktywności L, M, H i zawartości halogenków 0 lub 1. Z definicji pozostałości można usunąć wodą.

Jak zaznaczono powyżej, każdy topnik jest dostępny w różnych poziomach aktywności, właściwości pozostałości i dedykowanych metod czyszczenia. Dodatkowo, można rozważyć specjalne właściwości, których może wymagać proces.

Krok 3: Szczególne cechy procesu

Wymagające aplikacje często wymuszają zastosowanie materiałów o szczególnych cechach. Niektóre przykłady wymagających zastosowań to aplikacje wymagające ograniczonej ilości pozostałości, wypełnianie szczelin, pionowe powierzchnie, szybki rozpływ, przenoszenie pinów, zanurzanie, redukcja pustek i topnik identyfikowalny w promieniach UV.

Opracowano na podstawie materiałów firmy Nordson EFD

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!

Żdjęcie tytułowe: InterPhone Service