Profil lutowania na fali

Wprowadzenie

Proces lutowania na fali może być realizowany z wymaganym poziomem jakości tylko wtedy, kiedy zostaną spełnione określone wymagania techniczne. Mianowicie, należy zapewnić odpowiedniej jakości materiały: komponenty o poprawnej lutowności, adekwatny topnik do lutowania oraz właściwy stop bezołowiowy lub stop ołowiowy.

Poza samymi materiałami bardzo ważnym aspektem jest profil temperaturowo-czasowy lutowania, który jest tematem tego artykułu.

Nieprawidłowo ustawiony profil lutowania może w niektórych przypadkach doprowadzić do zjawisk takich jak: brak zwilżenia lub wtórny brak zwilżenia.

Warto wiedzieć, że lutowanie rozpływowe to kolejny proces, gdzie odpowiednia pasta do lutowania SMT oraz poprawny profil SMT to kluczowe aspekty lutowania.

Lutowanie na fali

Zanim omówimy wymogi profilu temperaturowo-czasowego, kilka słów o samym lutowaniu na fali. Ten proces odbywa się w maszynie określanej jako "agregat lutowniczy" lub potocznie "fala". Możemy wyszczególnić następujące etapy tego procesu:

• Wprowadzenie płytki do maszyny. Odpowiedni kierunek wprowadzenia płytki do agregatu lutującego jest bardzo ważnym aspektem. W zależności od projektu PCB może to mieć kolosalne znaczenie dla jakości lutowania.
• Podanie topnika. Topnik zostaje nałożony na całą dolną powierzchnię płytki PCB. Istnieje wiele metod podania topnika, typowo stosuję się spray (natrysk), czasami pianę (ang. Foam fluxing) lub natrysk z wykorzystaniem bębna (ang. Drum spray). Mniej popularne to "microjet" lub przez zanurzenie (ang. Dipping).
• Podgrzewanie. Ten etap polega na stopniowym podniesieniu temperatury pytki PCB do poziomu wymaganego przez topnik. Agregat lutujący może posiadać jedną lub więcej stref nagrzewania. Wykorzystuje się różne rozwiązania: Lampy podczerwone (krótkie fale podczerwone), grzałki (średni i długie fale podczerwone) lub nagrzewanie konwekcyjne (gorącym powietrzem).
• Kontakt z lutowiem. Na tym etapie ciepła płytka PCB ma kontakt z roztopionym "falującym" stopem lutowniczym. Można powiedzieć, że płytka PCB jest niczym "surfer na fali". Istnieje kilka rozwiązań technicznych związanych z formowaniem odpowiedniego kształtu fali ciekłego lutowia. Agregat lutowniczy może być wyposażony w pojedynczą falę lub podwójną tzw. turbulentną (ang. Chip wave) i laminarną (ang. Main wave). Spotyka się także falę Worthmanna, która przypomina połączenie fali turbulentnej z główną. W czasie lutowania bardzo często stosuje się dodatkową osłonę azotu, co poprawia jakość lutowania i zmniejsza ilość zgarów cyny.
• Chłodzenie. Po wyjściu płytki z obszaru kontaktu z falą następuje chłodzenie, typowo z wykorzystaniem wentylatorów.

Profil lutowania na fali

Profil temperaturowo-czasowy ma swój początek tuż po podaniu topnika, w momencie kiedy płytka PCB zostaje wprowadzona do strefy podgrzewania. Możemy wyróżnić następujące etapy:

• Podgrzewanie [1] (ang. Preheating). Jest to stopniowe podniesienie temperatury Tp płytki do poziomu w zakresie 70-130°C, typowo 90-110°C. Konkretna wartość temperatury jest zależna od wymagań topnika i ograniczeń stosowanych komponentów. Temperatura powierzchni PCB powinna być mierzona wg zaleceń topnika, typowo na stronie docelowej lutowia, czyli "od góry płyty". W czasie nagrzewania nie należy przekraczać maksymalnego gradientu temperatury dla komponentów 3°C/s[1]. Celem etapu podgrzewania jest:
  • Odparowanie nośnika. Alkohol lub woda to "rozpuszczalnik" (nośnik), który należy usunąć przed kontaktem z ciekłym lutowiem. To ma znaczący wpływ na redukcję ilości kulek cyny.
  • Aktywacja topnika. Słabe kwasy organiczne w topniku aktywują się pod wpływem określonej temperatury i usuwają tlenki metalu (tlenki cyny) z pól lutowniczych oraz wyprowadzeń komponentów.
  • Redukcja stresu termicznego komponentów. Podgrzanie komponentów przed ich kontaktem z ciekłym lutowiem redukuje różnicę temperatur, więc zmniejsza szok termiczny jakiemu poddawane są komponenty.
• Kontakt z falą turbulentną [2]. Jeżeli dany agregat lutowniczy posiada falę turbulentną i jest ona załączona, to w profilu lutowania jest widoczna jako "pierwszy szczyt". Fala turbulentna ma zastosowanie przy lutowaniu komponentów SMD uprzednio przyklejonych do powierzchni PCB. Ciekły stop lutowniczy pokrywa połączenia lutowane SMD i dzięki specyficznym turbulencjom dociera do niewielkich pól lutowniczych, czasami "zacieniowanych" przez inne komponenty.
• Kontakt z falą główną [3]. Płytka jest przesuwana nad w taki sposób, że wzburzona "fala" pokrywa pola lutownicze oraz wyprowadzenia komponentów przez określony czas zwany czasem kontaktu, który typowo wynosi 2-4s. Ciekły stop lutowniczy jest rozgrzany do określonej temperatury. Dla stopów bezołowiowych SAC jest to zakres 260-270°C, natomiast dla stopów ołowiowych ta temperatura jest nieco niższa i wynosi około 240-250°C.
• Chłodzenie [4] (ang. Cooling). Po wyjściu płytki z obszaru lutowania "falą", następuje chłodzenie, które typowo jest realizowane za pomocą wentylatorów. Gradient temperatury nie powinien przekroczyć 6°C/s[1].

Rozpuszczanie miedzi

W czasie lutowania wyprowadzenia komponentów i płytki PCB wchodzą w kontakt ze stopionym lutowiem i wtedy niewielka ilość miedzi rozpuszcza się do stopu. Jest to zjawisko o nazwie rozpuszczanie miedzi. W tym kontekście kluczowe znaczenie ma kontrolowanie czasu kontaktu oraz temperatury stopu, ponieważ czynniki te znacząco wpływają na ilość rozpuszczonej miedzi.

Podsumowanie

Lutowanie na fali wymaga zapewnienia odpowiedniego profilu temperaturowo-czasowego. Jako punkt startowy należy brać pod uwagę wymagania topnika tj. temperatura powierzchni PCB od strony docelowej przed wejściem płytki w ciekłe lutowie. Dodatkowo należy zapewnić zgodność z wymogami komponentów, czyli nie przekraczać gradientu nagrzewania. Niektóre komponenty takie jak kondensatory foliowe są bardzo czułe na temperaturę i ich lutowanie na fali wymaga szczególnej uwagi. Czas kontaktu lutowia należy dobrać eksperymentalnie, minimalizując stres dla komponentów.

Ilość topnika należy tak dobrać, aby zapewnić poprawne lutowanie i jednocześnie na tyle mało, aby utrzymać niski poziom zanieczyszczeń jonowych, co ma znaczący wpływ na niezawodność lutowanego urządzenia.

Jeżeli w procesie lutowania na fali są stosowane specjalne ramki lutownicze, zakrywające część PCB, to powoduje to trudności w równomiernym nagrzewaniu płytki oraz stanowi ryzyko większych zanieczyszczeń od pozostałości topnika. W takim przypadku właściwy projekt ramki lutowniczej, poprawna aplikacja topnika oraz optymalna metoda nagrzewania płytki mają kluczowe znaczenie dla jakości połączeń lutowanych.