Lutowanie na fali - Wave soldering
Lutowanie na fali to proces lutowania luzem stosowany w produkcji płytek drukowanych . Płytka drukowana jest przepuszczana przez miskę ze stopionym lutowiem, w której pompa wytwarza upwelling lutowia, który wygląda jak fala stojąca . Gdy płytka drukowana styka się z tą falą, elementy zostają przylutowane do płytki. Lutowanie na fali jest stosowane zarówno do przewlekanych zespołów obwodów drukowanych, jak i do montażu powierzchniowego . W tym ostatnim przypadku elementy są przyklejane do powierzchni płytki drukowanej (PCB) za pomocą sprzętu do umieszczania , zanim zostaną przepuszczone przez falę stopionego lutowia. Lutowanie na fali stosuje się głównie do lutowania elementów przewlekanych.
Ponieważ komponenty przewlekane zostały w dużej mierze zastąpione komponentami do montażu powierzchniowego , lutowanie na fali zostało wyparte przez metody lutowania rozpływowego w wielu zastosowaniach elektronicznych na dużą skalę. Jednak nadal występuje znaczne lutowanie na fali tam, gdzie technologia montażu powierzchniowego (SMT) nie jest odpowiednia (np. duże urządzenia zasilające i złącza o dużej liczbie pinów) lub gdzie przeważa prosta technologia przewlekana (niektóre duże urządzenia ).
Proces lutowania na fali
Istnieje wiele rodzajów maszyn do lutowania na fali; jednak podstawowe elementy i zasady tych maszyn są takie same. Podstawowym sprzętem używanym podczas procesu jest przenośnik, który przesuwa płytkę PCB przez różne strefy, miska lutownicza używana w procesie lutowania, pompa wytwarzająca rzeczywistą falę, rozpylacz topnika i podkładka podgrzewająca. Lut jest zwykle mieszaniną metali. Typowy lut ołowiowy składa się w 50% z cyny, 49,5% ołowiu i 0,5% antymonu. Dyrektywa w sprawie ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych (RoHS) doprowadziła do wyeliminowania lutowia ołowiowego w nowoczesnej produkcji i stosuje się alternatywy bezołowiowe. Powszechnie stosowane są zarówno stopy cyna-srebro-miedź, jak i cyna-miedź-nikiel, przy czym jeden wspólny stop (SN100C) zawiera 99,25% cyny, 0,7% miedzi, 0,05% niklu i <0,01% germanu.
Upłynnianie
Topnik w procesie lutowania na fali ma główny i wtórny cel. Podstawowym celem jest oczyszczenie elementów, które mają być lutowane, głównie wszelkich utworzonych warstw tlenków. Istnieją dwa rodzaje topników: żrący i niekorozyjny. Niekorozyjny topnik wymaga wstępnego oczyszczenia i jest używany, gdy wymagana jest niska kwasowość. Topnik żrący jest szybki i wymaga niewielkiego czyszczenia wstępnego, ale ma wyższą kwasowość.
Podgrzewanie
Wstępne podgrzewanie pomaga przyspieszyć proces lutowania i zapobiec szokowi termicznemu .
Czyszczenie
Niektóre typy topników, zwane topnikami „no-clean”, nie wymagają czyszczenia; ich pozostałości po procesie lutowania są łagodne. Zazwyczaj topniki nie wymagające czyszczenia są szczególnie wrażliwe na warunki procesu, co może czynić je niepożądanymi w niektórych zastosowaniach. Inne rodzaje topników wymagają jednak etapu czyszczenia, podczas którego PCB jest myte rozpuszczalnikami i/lub wodą dejonizowaną w celu usunięcia pozostałości topnika.
Wykończenie i jakość
Jakość zależy od odpowiednich temperatur podczas ogrzewania i od odpowiednio obrobionych powierzchni.
| Wada | Możliwe przyczyny | Efekty |
|---|---|---|
| Pęknięcia | Naprężenia mechaniczne | Utrata przewodności |
| Ubytki | Zanieczyszczona powierzchnia
Brak strumienia |
Zmniejszenie siły
Słaba przewodność |
| Niewłaściwa grubość lutu | Niewłaściwa temperatura lutu
Nieprawidłowa prędkość przenośnika |
Podatny na stres
Zbyt cienkie dla bieżącego obciążenia |
| Słaby przewodnik | Zanieczyszczony lut | Awarie produktu |
Rodzaje lutów
Do tworzenia lutu używa się różnych kombinacji cyny, ołowiu i innych metali. Stosowane kombinacje zależą od pożądanych właściwości. Najpopularniejszymi kombinacjami są stopy SAC (cyna(Sn)/srebro(Ag)/miedź(Cu)) oraz Sn63Pb37 (Sn63A), który w 63% składa się z cyny, w 37% z ołowiu. Ta ostatnia kombinacja jest mocna, ma niski zakres topnienia, szybko się topi i twardnieje. Wyższe kompozycje cyny zapewniają lutowi wyższą odporność na korozję, ale podwyższają temperaturę topnienia. Innym powszechnym składem jest 11% cyny, 37% ołowiu, 42% bizmutu i 10% kadmu. Ta kombinacja ma niską temperaturę topnienia i jest przydatna do lutowania elementów wrażliwych na ciepło. Wymagania środowiskowe i dotyczące wydajności również mają wpływ na wybór stopu. Typowe ograniczenia obejmują ograniczenia dotyczące ołowiu (Pb), gdy wymagana jest zgodność z RoHS, oraz ograniczenia dotyczące czystej cyny (Sn), gdy problemem jest długoterminowa niezawodność.
Efekty szybkości chłodzenia
Ważne jest, aby płytki PCB ostygły w rozsądnym tempie. Jeśli zostaną schłodzone zbyt szybko, płytka PCB może ulec wypaczeniu, a lut może zostać uszkodzony. Z drugiej strony, jeśli płytka PCB będzie stygła zbyt wolno, może ona stać się krucha, a niektóre elementy mogą ulec uszkodzeniu pod wpływem ciepła. Płytka drukowana powinna być chłodzona drobnym strumieniem wody lub powietrzem, aby zmniejszyć ilość uszkodzeń płyty.
Profilowanie termiczne
Profilowanie termiczne polega na pomiarze kilku punktów na płytce drukowanej w celu określenia skoku termicznego, jaki zachodzi podczas procesu lutowania. W przemyśle elektronicznym SPC (statystyczna kontrola procesu) pomaga określić, czy proces jest pod kontrolą, mierząc parametry rozpływu określone przez technologie lutowania i wymagania dotyczące komponentów. Produkty takie jak Solderstar WaveShuttle i Optiminer zostały opracowane ze specjalnymi urządzeniami, które przechodzą przez proces i mogą mierzyć profil temperatury, wraz z czasem kontaktu, równoległością fal i wysokością fal. To mocowanie w połączeniu z oprogramowaniem do analizy pozwala inżynierowi produkcji ustalić, a następnie kontrolować proces lutowania na fali.
Wysokość fali lutowniczej
Wysokość fali lutowniczej jest kluczowym parametrem, który należy ocenić podczas konfigurowania procesu lutowania na fali. Czas kontaktu pomiędzy falą lutowia a lutowanym zespołem jest zwykle ustawiony na od 2 do 4 sekund. Ten czas kontaktu jest kontrolowany przez dwa parametry na maszynie, prędkość przenośnika i wysokość fali, zmiany któregokolwiek z tych parametrów spowodują zmianę czasu kontaktu. Wysokość fali jest zwykle kontrolowana przez zwiększanie lub zmniejszanie prędkości pompy w maszynie. Zmiany można oceniać i sprawdzać za pomocą płyty ze szkła hartowanego, jeśli wymagana jest bardziej szczegółowa rejestracja, dostępne są urządzenia, które rejestrują cyfrowo czas kontaktu, wysokość i prędkość.
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Seeling, Karl (1995). Badanie stopów bezołowiowych. AIM, 1, pobrano 18 kwietnia 2008, z [2]
- Biocca, Piotr (2005, 5 kwietnia). Lutowanie na fali bezołowiowe. Pobrano 18 kwietnia 2008 z witryny internetowej EMSnow: [3]
- Electronic Production Design & Test (2015, 13 lutego) Znaczenie pomiaru wysokości fali w kontroli procesu lutowania falowego