Lutowanie na fali

Wykres temperatury i czasu przedstawiający tygiel lutowniczy i temperatury powierzchniowe lutowania falowego

Lutowanie na fali to proces lutowania masowego stosowany do produkcji płytek drukowanych . Płytka drukowana jest przesuwana nad misą stopionego lutu, w której pompa wytwarza upwelling lutu, który wygląda jak fala stojąca . Gdy płytka drukowana styka się z tą falą, komponenty zostają przylutowane do płytki. Lutowanie na fali jest stosowane zarówno w przypadku zespołów obwodów drukowanych z otworami przelotowymi , jak i montażu powierzchniowego . W tym drugim przypadku komponenty są przyklejane do powierzchni płytki drukowanej (PCB) za pomocą sprzętu do układania , przed przejściem przez falę stopionego lutu. Lutowanie na fali stosuje się głównie do lutowania elementów przewlekanych.

Ponieważ elementy z otworami przelotowymi zostały w dużej mierze zastąpione elementami do montażu powierzchniowego , lutowanie falowe zostało wyparte przez metody lutowania rozpływowego w wielu zastosowaniach elektronicznych na dużą skalę. Jednak nadal istnieje znaczące lutowanie falowe tam, gdzie technologia montażu powierzchniowego (SMT) nie jest odpowiednia (np. urządzenia dużej mocy i złącza o dużej liczbie styków) lub tam, gdzie dominuje prosta technologia otworów przelotowych (niektóre duże urządzenia ) .

Proces lutowania falowego

Prosta maszyna do lutowania na fali.

Istnieje wiele rodzajów maszyn do lutowania na fali; jednak podstawowe komponenty i zasady działania tych maszyn są takie same. Podstawowym wyposażeniem wykorzystywanym podczas procesu jest przenośnik, który przesuwa płytkę PCB przez różne strefy, tygiel lutowniczy używany w procesie lutowania, pompa wytwarzająca właściwą falę, rozpylacz topnika i podkładka grzewcza. Lut jest zwykle mieszaniną metali. Typowy lut ołowiowy składa się z 50% cyny, 49,5% ołowiu i 0,5% antymonu. ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych (RoHS) doprowadził do ciągłego odchodzenia od „tradycyjnego” lutu ołowiowego w nowoczesnej produkcji na rzecz alternatyw bezołowiowych. 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.

Przykład osprzętu optymalizatora lutowania falowego pokazujący czujniki

Fluktuacja

Topnik w procesie lutowania na fali ma cel główny i drugorzędny. Głównym celem jest oczyszczenie elementów, które mają być lutowane, przede wszystkim wszelkich warstw tlenków, które mogły się uformować. Istnieją dwa rodzaje topników, korozyjne i niekorozyjne. Niekorozyjny topnik wymaga wstępnego oczyszczenia i jest stosowany, gdy wymagana jest niska kwasowość. Topnik korozyjny jest szybki i wymaga niewielkiego czyszczenia wstępnego, ale ma wyższą kwasowość.

Podgrzewanie

Podgrzanie przyspiesza proces lutowania i zapobiega szokowi termicznemu .

Czyszczenie

Niektóre rodzaje topników, zwane topnikami „no-clean”, nie wymagają czyszczenia; ich pozostałości są łagodne po procesie lutowania. Zwykle 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, w którym płytka drukowana jest myta rozpuszczalnikami i /lub wodą dejonizowaną w celu usunięcia pozostałości topnika.

Wykończenie i jakość

Jakość zależy od odpowiednich temperatur podczas wygrzewania oraz od odpowiednio przygotowanych powierzchni.

Wada	Możliwe przyczyny	Efekty
Pęknięcia	Naprężenia mechaniczne	Utrata przewodnictwa
ubytki	Zanieczyszczona powierzchnia Brak topnika Niewystarczające podgrzewanie	Zmniejszenie siły Słaba przewodność
Niewłaściwa grubość lutu	Niewłaściwa temperatura lutowania Niewłaściwa prędkość przenośnika	Podatny na stres Zbyt cienki dla obciążenia prądowego Niepożądane mostkowanie między ścieżkami
Słaby dyrygent	Zanieczyszczony lut	Awarie produktów

Rodzaje lutowania

Różne kombinacje cyny, ołowiu i innych metali są używane do tworzenia lutu. Stosowane kombinacje zależą od pożądanych właściwości. Najpopularniejsze kombinacje to stopy SAC (Tin(Sn)/Silver(Ag)/Copper(Cu)) do procesów bezołowiowych oraz Sn63Pb37 (Sn63A), który jest stopem eutektycznym składającym się z 63% cyny i 37% ołowiu. Ta ostatnia kombinacja jest mocna, ma niski zakres topnienia oraz topi się i szybko twardnieje (tj. nie ma „plastycznego” zakresu między stanem stałym a stopionym, jak w przypadku starszego stopu zawierającego 60% cyny i 40% ołowiu). Wyższe składy cyny dają lutowi wyższą odporność na korozję, ale podnoszą 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 dotyczące środowiska i wydajności również mają wpływ na wybór stopu. Typowe ograniczenia obejmują ograniczenia dotyczące ołowiu (Pb), gdy wymagana jest zgodność z dyrektywą RoHS, oraz ograniczenia dotyczące czystej cyny (Sn), gdy istotna jest długoterminowa niezawodność.

Wpływ szybkości chłodzenia

Ważne jest, aby PCB schłodziły się w rozsądnym tempie. Jeśli zostaną schłodzone zbyt szybko, płytka drukowana może zostać wypaczona, a lut może ulec uszkodzeniu. Z drugiej strony, jeśli płytka PCB ostygnie 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 chłodzona powietrzem, aby zmniejszyć stopień uszkodzenia płytki.

Profilowanie termiczne

Profilowanie termiczne to czynność polegająca na pomiarze kilku punktów na płytce drukowanej w celu określenia skoku termicznego, jaki zachodzi w procesie lutowania. W przemyśle elektronicznym SPC (Statistical Process Control) pomaga określić, czy proces jest kontrolowany, mierząc parametry rozpływu określone przez technologie lutowania i wymagania komponentów. Produkty takie jak Solderstar WaveShuttle i Optiminer zostały opracowane jako specjalne urządzenia, które są przepuszczane przez proces i mogą mierzyć profil temperatury, wraz z czasem kontaktu, równoległością i wysokością fali. To urządzenie w połączeniu z oprogramowaniem do analizy umożliwia inżynierowi produkcji ustalenie, a następnie sterowanie procesem lutowania falowego.

Przykładowe urządzenie służące do przechwytywania danych procesowych z maszyny do lutowania na fali

Wysokość fali lutowniczej

Wysokość fali lutowniczej jest kluczowym parametrem, który należy ocenić podczas konfigurowania procesu lutowania falowego. Czas kontaktu między falą lutowniczą a lutowanym zespołem jest zwykle ustawiony na od 2 do 4 sekund. Ten czas kontaktu jest kontrolowany przez dwa parametry maszyny, 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 płytki ze szkła hartowanego, jeśli wymagany jest bardziej szczegółowy zapis, dostępne są urządzenia, które cyfrowo rejestrują czasy kontaktu, wysokość i prędkość. Ponadto niektóre maszyny do lutowania falowego mogą dawać operatorowi wybór między gładką falą laminarną a falą „tańczącą” o nieco wyższym ciśnieniu.

Czasy kontaktu i kształt fali lutowniczej na spodniej stronie PCB

Zobacz też

Dalsza lektura

Seeling, Karl (1995). Badanie stopów bezołowiowych. AIM, 1, pobrane 18 kwietnia 2008, z [1]
Biocca, Peter (2005, 5 kwietnia). Bezołowiowe lutowanie na fali. Pobrano 18 kwietnia 2008 z witryny sieci Web EMSnow: [2]
Electronic Production Design & Test (2015, 13 lutego) Znaczenie pomiaru wysokości fali w kontroli procesu lutowania falowego