Aplikacja topnika w lutowaniu selektywnym

Artykuł opisuje zagadnienia związane z dozownikami topnika, stosowanymi w procesie lutowania selektywnego oraz profilem temperaturowym procesu i jego wpływem na pozostałości topnika po montażu.

Łukasz Jaeszke

2025-01-29

Niektóre typy topników wymagają aplikatora zdolnego do poradzenia sobie z wysoką zawartością ciał stałych. Z tego względu dobrze jest, jeśli urządzenie do lutowania selektywnego posiada zarówno aplikator natryskowy, jak i kropelkowy. Aplikator kropelkowy zapewnia precyzyjną aplikację topnika zarówno w pojedynczych punktach, jak i całych liniach (co jest przydatne np. w montażu złączy) w jednym przebiegu. Aplikator natryskowy jest natomiast przeznaczony do aplikacji topników o zawartości ciał stałych do 35%. Współczesne urządzenia do lutowania selektywnego są wyposażone w oba fluxery, z oddzielnymi systemami doprowadzania topnika do aplikatorów.

Rysunek 1. Dozownik kropelkowy (po lewej) oraz podwójny system natrysku i dozowania kroplowego (po prawej). Źródło: An Essential Guide to Optimize Selective Soldering Processing autor: Henry Reid Henry, © Hentec Industries

Dodatkową zaletą dozowania kropelkowego jest to, że zapewnia on zarówno pełną regulację rozmiaru kropli, jak i niskie zużycie topnika. Ponieważ pozostałości topnika no-clean są całkowicie odparowywane podczas lutowania selektywnego, aplikator topnika drop-jet ma wyraźną przewagę nad lutowaniem na fali, wymagającym stosowania ramek lutowniczych, pod którymi osadzają się pozostałości topnika no-clean. Inną wyraźną zaletą stosowania aplikatora kropelkowego do lutowania selektywnego jest to, że umożliwia on przeprowadzenie procesu bez etapu czyszczenia, a także ogranicza ilość niezbędnych przeróbek i napraw.

Zagadnienia związane z profilem temperaturowym

Podgrzewanie wstępne jest konieczne dla wszystkich typów topników w celu jego aktywacji i odparowania rozpuszczalnika, a także w celu zmniejszenia szoku termicznego komponentów. Systemy podgrzewania wstępnego typu open-loop (dosł. z otwartą pętlą), w których operator samodzielnie ustawia temperaturę podgrzewania wstępnego i czas ekspozycji, są zazwyczaj mniej wydajne i dlatego nie są zalecane w niektórych zastosowaniach. Obecnie preferowane są systemy podgrzewania wstępnego closed-loop (dosł. z zamkniętą pętlą, co oznacza w tym przypadku informację zwrotną w czasie rzeczywistym), które zapewniają sterowanie oparte na pirometrze, monitorujące temperaturę rzeczywistą i automatycznie regulujące moc.

Temperatura podgrzewania wstępnego jest definiowana poprzez wymagania właściwej aktywacji określonego typu topnika. Czas przebywania (dwell time, nazywany również czasem kontaktu z lutowiem) i temperatura lutowia określają całkowity przepływ ciepła do obszaru lutowania. Profile czasowo-temperaturowe konkretnej PCB są zależne od różnicy mas cieplnych komponentów i płytki drukowanej, a także od szybkości rozpraszania ciepła.

Zagadnienia termiczne topników no-clean

Większość topników nie wymagających czyszczenia ma składniki aktywne, które są zazwyczaj występującymi w niskich stężeniach łagodnymi kwasami organicznymi. W przeciwieństwie do topników na bazie kalafonii, które mają ściśle określoną temperaturę, powyżej której topnik staje się aktywny, składniki aktywne w topnikach no-clean są być aktywne od samego momentu aplikacji aż do momentu ich ulotnienia się pod wpływem ciepła. Prawidłowe zarządzanie temperaturą jest kluczowe aby zapewnić, iż poziom pozostałości aktywnych mieści się w dopuszczalnych normach. Co więcej, nawet prawidłowo stosowane topniki no-clean wciąż mogą pozostawić nadmierną ilość pozostałości, nieakceptowalną w niektórych, bardziej krytycznych zastosowaniach.

Podczas lutowania, tylko pewna ilość składników aktywnych zostaje ‘zużyta’ w reakcji podczas usuwania tlenków z powierzchni metalu, większość pozostałych składników aktywnych musi zatem zostać ‘spalona’ przez ciepło podczas procesu lutowania. Dlatego ważne jest, aby dokładnie kontrolować zarówno ilość zastosowanych składników aktywnych, jak i ciepło podczas przetwarzania. Kontrola ilości zastosowanych składników aktywnych wymaga monitorowania ilości nakładanego topnika, jego stężenia i liczby kwasowej. Równie krytyczna jest jednorodność aplikacji, a także profil cieplny: temperatura podgrzewania wstępnego, temperatura tygla lutowniczego i czas przebywania.

Ograniczanie ilości pozostałości topnika

Ponieważ wymagana temperatura podgrzewania wstępnego powinna być na ogół niższa niż temperatura rozkładu termicznego składników aktywnych w topniku no-clean, jej punkt szczytowy jest ważniejszy z punktu widzenia samej lutowalności niż z punktu widzenia redukcji jonowych pozostałości topnika. Z drugiej strony jednak niedostateczne wstępne podgrzewanie może pośrednio wpływać na poziom pozostałości, ponieważ powszechną pierwszą reakcją ze strony operatora na słabą lutowalność jest zwiększenie ilości topnika, co może prowadzić do problemów z pozostałościami.

Podczas lutowania selektywnego ciepło z tygla lutowniczego jest najwyższą temperaturą, na jaką wystawiany jest lutowany układ. W efekcie, temperatura tygla lutowniczego ma większy wpływ niż temperatura podgrzewania wstępnego na redukcję pozostałości po lutowaniu. Ponieważ płynny lut jest w bliskim kontakcie z płytką, wydłużając czas przebywania PCB nad dyszą pomaga usunąć nadmiar topnika zarówno fizycznie, jak i termicznie.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!