Lutowanie rozpływowe bezołowiowe

Proces lutowania rozpyłowego:

• Nagrzanie powierzchni metalowych przeznaczonych do lutowania. Stop nie reaguje z powierzchnią zimną. Reakcja między stopem, a powierzchnią przeznaczoną do lutowania jest niezbędna do połączenia lutowanego.
• Dostarczenie energii cieplnej niezbędnej do właściwego działania topnika. Aktywność kwasów naturalnych zawartych w kalafonii oraz aktywatorów dodawanych do topnika zawartego w paście lutowniczej rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Stop reaguje tylko tylko z czystą, aktywną powierzchnią.
• Stopienie lutu. Tylko ciekły lut jest zdolny do zwilżenia i reagowania z powierzchniami metalowymi przeznaczonymi do lutowania.
• Utrzymanie czasu potrzebnego do wejścia ciekłego lutu w reakcję z powierzchniami przeznaczonymi do lutowania. Wskaźnikiem przeprowadzania tej reakcji jest powstanie ciągłej warstwy międzymetalicznej utworzonej w obszarze kontaktu lutu z powierzchnią lutowaną. Czas ten zależy od rodzaju powierzchni lutowanej i będzie na przykład różny dla powierzchni Cu i dla powierzchni Ni.
• Zestalenie stopionego lutu.

Charakterystyka temperaturowo- czasowa, spełniająca wszystkie powyższe funkcje, jest tylko wtedy dobra gdy:

• nie powoduje uszkodzenia jakiegokolwiek elementu przeznaczonego do lutowania,
• zapewnia formowanie połączenia lutowanego o dobrej integralności,
• charakterystyka temperaturowo-czasowa, determinująca nastawy pieca wymagane do utworzenia dobrego połączenia lutowanego, uwzględnia rodzaj pieca, liczbę stref grzewczych, długość każdej strefy, masę cieplną części przeznaczonych do lutowania i stosowaną pastę lutowniczą,
• najprostsza zalecana charakterystyka temperaturowo-czasowa mierzona na lutowanym zespole umożliwia wzrost temperatury z szybkością ok 2 stopnie na sekundę do osiągnięcia piku lutowania, którego temperatura jest o 20-30 stopnie wyższa od temperatury topnienia stopu.

Odmienne parametry spoiw bezołowiowych w stosunku do używanych dotychczas, zawierających ołów, stawiają nowe wymagania wobec pieców do lutowania. Przede wszystkim trzeba zwrócić uwagę na znaczne zmniejszenie się marginesu bezpieczeństwa. Chodzi tu o temperatury. Bardziej wrażliwe podzespoły półprzewodnikowe nie mogą być podgrzewane powyżej 260 st. C. W piecach do lutowania stopami ołowiowymi temperatura nie przekraczała 220 st. C, zatem margines bezpieczeństwa wynosił 40 st. C. Podczas lutowania stopami bezołowiowymi temperatura wynosi ok. 250o. Pozostaje zatem znacznie mniejszy margines 10 st. C. Piece do lutowania bezołowiowego muszą umożliwiać szybsze nagrzewanie wsadu do wyższych temperatur i zapewniać znacznie większe dokładności nastawiania i utrzymywania temperatury. Przykładowy profil lutowania w piecu przepływowym, o łącznym czasie cyklu 5 minut, składa się z kilku faz: podgrzewanie 60 s od temperatury otoczenia do 150 st. C, grzanie 90 s do 180 st. C, lutowanie 60 s – w tej fazie temperatura rośnie do ok. 240 st. C, chłodzenie 90 s, do temperatury otoczenia. Przy lutowaniu bezołowiowym, schładzanie płytek ma zasadnicze znaczenie dla jakości połączeń. Zbyt szybkie schładzanie zmniejsza mechaniczną wytrzymałość, a także pogarsza strukturę złącza. Poza tym topnik pasty lutowniczej może nie zdążyć wyparować.

Bezołowiowe pasty lutownicze muszą być zatem dostosowane do profilu o wyższej temperaturze lutowania i dłuższym czasie trwania. Dobra pasta lutownicza musi charakteryzować się właściwościami zapewniającymi niezawodność wykonanych połączeń. Powinna mieć odpowiednio drobne cząstki (kulki) spoiwa, w dodatku nie różniące się między sobą wymiarami, aby po naniesieniu na powierzchnię o małych wymiarach, nie zniekształcały jej geometrii. Musi dobrze przylegać do podłoża i nie przemieszczać się (nie spływać) na nim, a jednocześnie dokładnie je zwilżać. Topnik wchodzący w skład pasty, powinien całkowicie odparować po zakończeniu lutowania, nie pozostawiając osadu. Wszystkie te cechy są sprawdzane przez producenta na zgodność z odpowiednimi normami. Po lutowaniu płytki powinny być umyte gorącą wodą.

Fakt, że temperatura gazu przepływającego przez piec jest zawsze wyższa niż temperatura uzyskiwana na powierzchni lutowanego zespołu, jest uważany za wadę systemów grzania konwekcyjnego, ponieważ teoretycznie może doprowadzić do przegrzania tego zespołu. W praktyce obawa ta stała się nieuzasadniona, ponieważ nowoczesne piece konwekcyjne są wyposażone w systemy kontroli i monitoringu zabezpieczające przed wahaniami i skokami temperatur procesu i zakłóceniami prędkości transportera. Rzeczywista temperatura gazu w wybranej strefie grzania pieca ulega fluktuacjom mniejszym niż 1 K.

W piecach do lutowania kondensacyjnego, nazywanego także lutowaniem w parach do grzania zespołu na płytce drukowanej wykorzystuje się ciepło utajone, uwalniane przez odpowiednie medium w czasie jego przejścia ze stanu gazowego do stanu ciekłego. Zespoły na płytkach drukowanych przeznaczone do lutowania zanurzane są w parze nasyconej odpowiedniego związku chemicznego, który kondensuje natychmiast na względnie zimnych częściach zespołu. Temperatura nasyconych par odpowiada temperaturze wrzenia stosowanej cieczy i pozostaje stała w trakcie zmiany stanu. Z chwilą osiągnięcia przez zespół temperatury pary kondensacja ustaje, dzięki czemu maksymalna temperatura lutowanego podzespołu nie może przekroczyć temperatury wrzenia związku chemicznego, co stanowi wielką zaletę lutowania kondensacyjnego. W czasie zmiany stanu uwalniane są bardzo duże ilości ciepła, powodując szybki wzrost temperatury zespołu.

Do zalet lutowania w parach zaliczyć można:

• homogeniczny transfer energii cieplnej,
• względnie niska temperatura lutowania,
• krótki czas przebywania powyżej temperatury topnienia stopu,
• brak środowiska utleniającego.

Do wad procesu lutowania w parach zalicza się niską wydajność procesu oraz problemy związane z doborem odpowiednich związków chemicznych mogących stanowić medium oraz sposobami manipulowania tymi związkami. Krytyczną sprawą jest kontrola gradientu temperatury w czasie lutowania. Problem ten powoduje że w procesie lutowania obserwuje się nasilenie wad związanych z efektem nagrobkowym oraz odkształcenie płytek spowodowane różną szybkością nagrzewania się górnej i dolnej części płytki.

Podsumowując, proces ten jest ryzykowny i w przypadku nieudanej naprawy układu uszkodzenie płytki drukowanej stricto prowadzi do niemożności poprawy, czy też kolejnego lutowania.