Specyfika technologii lutowania bezołowiowego

Stopy lutownicze nie zawierające ołowiu odróżniają się od stosowanych poprzednio, wyższą o około 30 st. C temperaturą topnienia, większym napięciem powierzchniowym, gorszym zwilżaniem lutowanych powierzchni. Z uwagi na wytrzymałość podzespołów zawęża się okno temperaturowe, w którym może odbywać się lutowanie. Trwałość połączenia lutowanego w dużym stopniu zależy od przylegania lutu do połączonych powierzchni. Związane jest to z właściwościami zwilżającymi lutu, czyli zdolnością do pokrywania powierzchni łączonych elementów cienką, równomierną i ciągłą powłoką. Zakładając że powierzchnia metalu, przeznaczonego do lutowania, jest doskonale oczyszczona i że nie zachodzi jej wtórne utlenienie, można przyjąć, że w procesie lutowania biorą udział trzy element: lut (metal), podłoże (metal bazowy) i topnik lub atmosfera, w której proces się odbywa (powietrze, pary topnika). W temperaturze lutowania metal bazowy, który charakteryzuje się relatywnie wysoką temperaturą topnienia, jest ciałem stałym, roztopiony lut jest cieczą, a topnik, który w normalnych warunkach jest ciekły, w temperaturze lutowania stają się gazem.

Konieczne staje się zatem bardziej precyzyjne ustalanie parametrów procesu, a ponadto dokładne kontrolowanie wykonanych połączeń. Podczas lutowania używa się różnego rodzaju spoiw, zwanych także lutowiami albo lutami. Do ręcznego lutowania służą spoiwa w postaci drutów o średnicy ok. 1 mm. Zazwyczaj mają one jedną lub kilka żył wypełnionych topnikiem ułatwiającym lutowanie. W technologiach przemysłowych, do lutowania na fali używa się roztopionego spoiwa, dostarczanego od producenta w sztabach albo w postaci śrutu. Do lutowania elementów montowanych powierzchniowo stosowane są pasty zawierające rozdrobnione spoiwo i topnik. Podstawowym składnikiem wszystkich spoiw do lutowania bezołowiowego jest cyna, podobnie jak w lutowiach zawierających ołów. Różnica polega na tym, że lutowia ołowiowe zawierały jej ok. 65%, natomiast bezołowiowe mają jej znacznie więcej, co najmniej 95%. Pozostałe składniki to srebro i miedź. Rzadziej dodawane są: cynk, antymon, bizmut czy ind. Jednak zawartość każdego z nich nie przekracza na ogół 1%. Badania nad bezołowiowymi substytutami lutów cynowo-ołowiowych wykazały, że ze względów technicznych w technologi bezołowiowej należy stosować nie tylko luty bezołowiowe w agregatach lutowniczych czy pasty ze stopami bezołowiowymi do lutowania w piecach rozpyłowych, ale trzeba również używać płytek drukowanych z bezołowiowymi powłokami na polach lutowniczych i w otworach oraz podzespołów z bezołowiowymi powłokami na końcówkach i wyprowadzeniach. Do lutowania niezbędne są również topniki. Nazwa jest nieco myląca, ponieważ topniki nie pomagają w topieniu spoiwa, obniżając np. temperaturę topnienia. Ułatwiają natomiast lutowanie, oczyszczając łączone powierzchnie. Nadal są używane dwa podstawowe rodzaje: topniki na bazie kalafonii oraz syntetyczne. Procesy lutowania bezołowiowego różnią się w zależności od tego do jakich celów są przeznaczone. Jest rzeczą oczywistą, że inaczej wykonuje się lutowanie pojedynczych elementów, np. podczas napraw układów elektronicznych, inaczej wygląda lutowanie produkcyjne elementów przewlekanych na płytkach, a jeszcze inaczej lutowanie elementów SMD czy BGA występujące przy naprawach laptopów stricto płyt głównych np. lutowanie gniazda zasilania, przelutowanie chipsetu grafiki, elementów przetwornicy bądź układów mostka płyty.

Wdrożenie lutowania bezołowiowego zakończy się sukcesem pod warunkiem zrozumienia, że pole działania obejmuje dwa obszary:

• do pierwszego obszaru należą materiały, takie jak stop bezołowiowy, topnik, laminat podłoża płytki drukowanej i jej powłoka lutowana oraz podzespół razem z jego obudową i metalurgią wyprowadzeń. Każdy z tych materiałów wprowadza indywidualne ograniczenia do procesu lutowania, w wyniku których powstaje bardzo wyraźne nakreślone okno procesowe definiujące warunki lutowania, w których możliwe jest utworzenie prawidłowego połączenia lutowanego przy jednoczesnym utrzymaniu integralności struktury płytki drukowanej i podzespołów.
• Do drugiego obszaru należą urządzenia do lutowania, od których wymaga się dużej elastyczności i zgodności procesowej. Różne rodzaje urządzeń do lutowania, takie jak piece do lutowania rozpyłowego oraz urządzenia do lutowania na fali i do lutowania selektywnego, muszą zapewnić precyzyjną kontrolę procesu. Proces ten nie tylko musi być prowadzony w oknie procesowym zawężonym przez ograniczenia czynników z obszaru pierwszego, ale także powinien zapewnić określoną wydajność najbardziej zbliżoną do wydajności technologii dotychczas stosowanych. Jednocześnie urządzenia te powinny zapewnić pełną zdolność procesową w warunkach wyższych temperatur lutowania.