Lutowanie kondensacyjne

Lutowanie kondensacyjne zostało opracowane w firmie Western Electric z Princeton jeszcze we wczesnych latach siedemdziesiątych. Pierwsze systemy wykorzystywały jako medium przenoszące ciepło zakazany w latach 90-tych CFC (freony), co zaowocowało skupieniem uwagi na systemach opartych na podczerwieni oraz systemach konwekcyjnych. Jednak ograniczenia systemów podczerwieni i konwekcyjnych, takie jak różne tempo nagrzewania komponentów o odmiennej charakterystyce cieplnej, wysoka temperatura szczytowa oraz zjawiska oksydacji spowodowały, iż nie spełniały one oczekiwań w przypadku bardzo wymagających aplikacji. Ostatnie lata przyniosły coraz bardziej skomplikowane w montażu moduły (layout, różna pojemność cieplna), które stawiały przed lutowaniem konwekcyjnych coraz większe, trudne do przezwyciężenia wymagania. Lutowanie kondensacyjne powróciło wówczas ponownie na rynek. Obecnie płytki mogą mieć nawet 96 warstw, metalowy lub węglowy rdzeń, wewnętrzne warstwy chłodzące etc. a ryzyko uszkodzeń w wyniku oddziaływania temperatury jest wszechobecne w technologii konwekcyjnej. 

Współczesne systemy kondensacyjne stanowią rozwiązanie dla lutowania bezołowiowego skomplikowanych produktów, przy jednoczesnym zapobieganiu powstawania efektu pustek lutowniczych. 

Dlaczego systemy lutowania kondensacyjnego stanowią dobrą alternatywę dla wciąż przeważających pieców konwekcyjnych, stosowanych przez firmy OEM/EMS: 

- zero przegrzewania

- zerowa delta T 

- redukcja pustek lutowniczych 

- atmosfera pozbawiona tlenu

- doskonała integralność lutu

- całkowicie elastyczne profilowanie cieplne 

- możliwość stosowania próżni 

- szybki start (rozgrzewanie zajmuje około 20 minut)

- efektywność energetyczna (około 60% oszczędności w stosunku do konwekcji)

- odpowiednie do produkcji low volume / high mix

- możliwość lutowania modułów o skomplikowanym layoucie, ciężkich czy osadzonych na płytkach wielowarstwowych 

- bezpieczeństwo środowiskowe

- konkurencyjny koszt posiadania 

- niezawodność produktu końcowego 

Porównanie zasad pracy systemów kondensacyjnych i konwekcyjnych

Proces jest niesłychanie prosty – można by go porównać do gotującego się na gazie czajnika, z tym że zamiast wody znajduje się w nim płyn z rodziny PFPE (perfluoropolyeter), stanowiący medium przenoszące ciepło. PFPE mają bardzo wysoki punkt wrzenia, pomiędzy 200-260°C, co odpowiada równocześnie topnienie lutu. Takie rozwiązanie ogranicza za pomocą zjawisk fizycznych zamiast programowania maksymalną temperaturę, na którą może być wystawiony komponent. Wyklucza to także błędy kontroli procesu. Przykładowo, stosując płyn o temperaturze wrzenia 230°C, można być pewnym, iż zarówno płytka jak i każdy komponent nie będzie wystawiony na temperaturę przekraczającą tę wartość. 

Drugim parametrem procesu reflow jest czas. W przypadku lutowania kondensacyjnego proces przebiega jedynie w dwóch etapach – etap lutowania oraz chłodzenia. Czas lutowania definiowany jest przez rozmiar i masę montowanego układu: im większy jest obwód, tym więcej energii trzeba dostarczyć aby rozgrzać go do 240°C.  

Transfer ciepła w atmosferze PFPE jest znacznie lepszy niż w atmosferze gazowej. PFPE ma znacznie wyższą pojemność cieplną, co oznacza, iż podobna ilość oparów przeniesie więcej ciepła. Ponadto, PFPE ma też wyższą przewodność cieplną, czyli następuje efektywniejszy transfer energii z pary na płytkę i komponenty. Efektywność transferu ciepła decyduje z kolei o efektywności energetycznej całego procesu. 

Standardowe zużycie energii w porównaniu do podobnego systemu konwekcyjnego jest o około 60% mniejsze, urządzenie rozgrzewa się w około 20 minut. Lutowanie kondensacyjne odbywa się w atmosferze wolnej od tlenu, w związku z czym proces ten stawia znacznie mniejsze wymagania przed topnikiem. Daje to możliwości producentom redukcji aktywnych składników topnika. Funkcje topnika, do których został on zaprojektowany, mogą być w pełni wykorzystanie w lutowaniu kondensacyjnym, ze względu na fakt iż maksymalna temperatura jest determinowana przez punkt wrzenia płynu, co chroni tonik przed nadmiernym stresem termicznym (Rysunek 1). Potrzeba jedynie tyle energii, która jest niezbędna do podgrzania płynu i utworzenia warstwy oparów nad PCB. W złożonych PCB, ze względu na mniejszą masę, mniejsze komponenty będą nagrzewały się szybciej , lecz ich temperatura nie przekroczy temperatury maksymalnej, nie będą też narażone na utlenianie. 

Tempo wzrostu temperatury komponentów (Rysunek 2) zależy od ich masy, zastosowanego materiału i rozkładu modułu. Jednak w lutowaniu kondensacyjnym maksymalna temperatura komponentu nigdy nie będzie wyższa niż punkt wrzenia płynu.   

W przypadku procesu konwekcyjnego, często zdarza się, iż topnik wokół małych komponentów wyparowuje podczas oczekiwania aż większe komponenty osiągną odpowiednią temperaturę. W atmosferze z zawartością tlenu, dobre luty szybko mogą przekształcić się w złe, w wyniku wysokiej temperatury i spowodowanej tym podwyższonej reaktywności powierzchni. Z tego względu, lutowanie kondensacyjne często znajduje uznanie u producentów szczególnie wymagających aplikacji oraz produkcji typu high mix / low volume.   

W tradycyjnych systemach, źródło ciepła musi mieć wyższą temperaturę od powietrza, a powietrze temperaturę wyższą niż pożądana temperatura maksymalna. W złożonych PCB małe komponenty będą się rozgrzewały ponad sugerowany dla nich limit i będą narażone na stres cieplny i utlenianie. Rysunek 3 pokazuje różnice temperatury pomiędzy źródłem ciepła i PCB w piecu konwekcyjnym.  

Szczytowe temperatury promieniowania i faktycznie rozprowadzana temperatura oddziaływają na maksymalną temperaturę osiąganą przez małe komponenty, które często przekraczają 260°C (Rysunek 4). 

Kontrolowane lutowanie w nasyconej parze

Strefa, w której przebiega lutowanie kondensacyjne, jest zlokalizowane bezpośrednio nad pojemnikiem z medium (tj. płynem przenoszącym ciepło). Medium jest podgrzewane przez płyty grzewcze i wytwarza warstwę nasyconej pary bezpośrednio nad płynem. Jako że tak wytworzona para jest cięższa od powietrza, nie ucieka ona do góry. Kiedy do strefy lutowania wprowadzany jest moduł, para opada, kondensując się wokół całej powierzchni produktu i tworząc wokół niego płynny film. W przeciwieństwie do wczesnych systemów, współczesne urządzenia zapobiegają wystawieniu produktu na nagły wzrost energii. Napięcie powierzchniowe filmu oraz siły kapilarne eliminują dostęp powietrza do produktu, formuje się w efekcie bezpieczna warstwa, całkowicie gwarantująca lutowanie bez obecności tlenu. Po opuszczeniu strefy lutowania przez moduł film odparowuje, nie pozostawiając żadnych pozostałości na płytce. 

Wokół płynnego filmu zbiera się nasycona para wodna. Para podgrzewana jest za pomocą elementów grzewczych do pożądanej temperatury i całość energii z elementu grzewczego przekazywana jest do fazy lotnej. Dalej, para kondensuje się wokół modułu w ciekły film, wciąż zachowując tę samą porcję energii. Następnie, energia przekazywana jest w równomierny sposób z ciekłego filmu na cały moduł (Rysunek 5). 

Taki cykl przekazywania energii zapewnia stałe i homogeniczne rozgrzewanie całego produktu. Proces ten jest kontynuowany dopóki lutowany produkt nie osiągnie temperatury pary, natomiast kiedy punkt ten jest osiągnięty, kondensacja automatycznie się zatrzymuje. Taka koncepcja pozwala na precyzyjną kontrolę temperatury poprzez kontrolę dawki aplikowanej energii. W procesie lutowania kondensacyjnego, temperatura pary nie może przekroczyć temperatury wrzenia medium. Eliminuje to automatycznie możliwość przegrzania modułu. Można też z łatwością i w sposób powtarzalny stosować wszystkie typy profili temperaturowych: liniowe oraz z etapem wygrzewania. 

Wertykalna struktura pieca pracującego z zasyconymi parami umożliwia operatorowi ciągłą kontrolę procesu i zauważenie końca cyklu, umożliwiając tym samym natychmiastowe zakończenie lutowania i nie pozostawiając polutowanej płytki ponad oparami zbyt długo. W przeciwieństwie do systemów horyzontalnych, nie wymagają mechanicznego odciągania oparów z komory procesu, co niepotrzebnie wydłuża czas cyklu.  

Opary Galdenu, będąc cięższe od powietrza, naturalnie wypełniają system wertykalny do pewnego, zadanego poziomu, zapewniając stabilność procesu. Dzięki specjalnej budowie komory zanurzanie produktu nie powoduje turbulencji pary. Możliwość wyboru dowolnie programowalnego gradientu temperatury gwarantuje optymalne wygrzanie produktu.

Podczas każdego cyklu profil temperaturowy może być zmierzony, zapisany i przechowywany na potrzeby śledzenia produkcji.

Galden

Galden to ciekły polimer. Tego typu ciecze stanowią idealne medium dla procesu lutowania kondensacyjnego. Gęstość pary Galdenu jest znacznie większa niż gęstość powietrza i z tego względu gwarantowane jest przeprowadzenie etapu podgrzewania i lutowania w atmosferze beztlenowej. Galden odparowuje z gorących powierzchni błyskawicznie, co umożliwia szybkie i nie pozostawiające resztek suszenie modułów. Płyny galdenowe wykazują wysoką stabilność temperaturową i chemiczną.  

Wraz z rozpowszechnianiem się lutowania kondensacyjnego, znaczenia nabiera wybór odpowiedniego płynu, gdzie należy uwzględnić aspekty bezpieczeństwa, zużycia, efektywności kosztowej, osiąganej temperatury i jej stabilności czy w końcu cechy samego systemu lutowania. Wybór płynu jest poniekąd podyktowany wyborem konkretnego urządzenia, lecz również jego fizycznymi właściwościami.   

Podsumowanie

Nowoczesne systemy do lutowania kondensacyjnego, bazujące na najnowszych technologiach, wyeliminowały wady wczesnych konstrukcji. Lutowanie kondensacyjne oferuje obecnie najlepsze warunki temperaturowe rozpływu lutowia w przypadku wymagających aplikacji. Poprzez zastosowanie nasyconej pary już od fazy grzania wstępnego, całkowicie eliminuje się ryzyko utleniania się łączonych powierzchni. Dodatkowo, precyzyjna kontrola temperatury stosowanego medium wyklucza również ryzyko przegrania modułu. Zróżnicowany profil temperaturowy umożliwia dostosowanie procesu do konkretnego produktu, a dodatkowe zastosowanie próżni pozwala na osiągnięcie lutowania pozbawionego defektu pustek. 

Artykuł powstaw we współpracy z firmą AmTest

Źródło: Asscon