Flux nie jest efektowny. Nie cieszy się uznaniem, na jakie zasługuje, w rozmowach na temat producentów elektroniki, przyćmionym dyskusjami na temat stopów lutowniczych, profili rozpływu i dokładności rozmieszczenia komponentów. Jednak bez topnika żadna z tych rozmów nie miałaby znaczenia.-Twój lut nie przylgnąłby do niczego.
Chemia jest prosta na papierze: topnik usuwa tlenki metali poprzez redukcję chemiczną, umożliwiając stopionemu lutowiowi faktyczny kontakt z metalem nieszlachetnym pod spodem. Miedź utlenia się na powietrzu. Podobnie cyna. Podobnie srebro. Ta niewidoczna warstwa tlenku-czasami o grubości zaledwie nanometrów-wystarczająca, aby całkowicie zapobiec wiązaniom metalurgicznym. Strumień go rozpuszcza.
Problem zwilżania, o którym nikt nie mówi
Oto, co podręczniki często pomijają.
Napięcie powierzchniowe w roztopionym lutowiu jest niezwykle wysokie. Około 400-500 mN/m dla większości-stopów niezawierających ołowiu. Bez interwencji topnika kropla lutowia będzie się zbierać na miedzianej podkładce niczym woda na nawoskowanym samochodzie – kąt zwilżania przekraczający 90 stopni, zerowe rozprzestrzenianie się, zerowe wiązanie.
Flux zmienia to na dwa sposoby. Oczywisty: usuwanie tlenków. Mniej oczywisty: w rzeczywistości modyfikuje napięcie międzyfazowe między lutem a podłożem podczas krótkiego okna, kiedy wszystko jest stopione. Właśnie dlatego czas działania strumienia ma tak duże znaczenie. Zastosuj za wcześnie, bo się wypali. Za późno, tlenki już się zreformowały.
Widziałem inżynierów mających obsesję na punkcie rozkładu wielkości cząstek pasty lutowniczej, całkowicie ignorując reologię topnika. Priorytety odwrócone.
Krótka historia (w pewnym sensie)
Starożytni metalowcy używali salamiku. Średniowieczni jubilerzy preferowali boraks. Obydwa zadziałały, oba pozostawiły żrące pozostałości, które w ciągu kilku dni zniszczyłyby elektronikę.
Era kalafonii zmieniła wszystko w pracach elektrycznych. Żywica sosnowa-pod względem chemicznym mieszanka kwasu abietynowego i pokrewnych kwasów diterpenowych-zapewniała aktywność wystarczającą do usuwania lekkich tlenków bez agresywnej korozji kwasów nieorganicznych. Topnik RMA (łagodnie aktywowana kalafonia) stał się standardem branżowym na dziesięciolecia.
Potem wydarzyło się RoHS.
Ołów-Swobodne przejście utrudniło chemię strumieni
Eutektyka cynowa-ołowiowa topi się w temperaturze 183 stopni. SAC305 (dominująca-alternatywa niezawierająca ołowiu) topi się w temperaturze 217-220 stopni. Ta 35-stopniowa różnica nie brzmi dramatycznie, dopóki nie zorientujesz się, że aktywacja strumienia zależy od temperatury. Zmienia się całe okno termiczne.
Wyższe temperatury oznaczają:
Szybsza degradacja strumienia
Bardziej agresywne tworzenie się tlenków podczas rozpływu
Węższe okna procesowe
Chemicy topników musieli wszystko przeformułować. Silniejsze aktywatory. Lepsza stabilność termiczna. Bardziej wyrafinowane modyfikatory reologii w celu utrzymania wydajności druku.
Niektóre firmy źle wykorzystały tę zmianę i spędziły lata na gonieniu za utrwalonymi defektami i głowią się-w-wpadkach. Problemem rzadko był lut,-był to wybór topnika.
Nie-Czystość: zwyciężyła ekonomia
Nowoczesna produkcja elektroniki prawie wyłącznie opiera się na-systemach czystego strumienia. Logika jest prosta: czyszczenie-po lutowaniu jest kosztowne, wymaga użycia rozpuszczalników (ze względu na ochronę środowiska), stwarza ryzyko uszkodzenia podzespołów na skutek wnikania wilgoci i wymaga dodatkowych etapów procesu.
Nie-czysty topnik pozostawia łagodne pozostałości. „Łagodny”, co oznacza, że nie jest-korozyjny,-przewodzący i akceptowalny pod względem kosmetycznym. To, czy te pozostałości są naprawdę obojętne w ciągu 20-letniego okresu życia produktu pod wpływem wilgoci i cykli termicznych, to dłuższa rozmowa.
Wojsko i przemysł lotniczy nadal czyste. Głównie sprzęt medyczny. Elektronika użytkowa? Nikt już nie sprząta.
Pozostałości topnika widoczne na płycie głównej laptopa nie są wadą. To zamierzone.
Woda-Rozpuszczalny strumień: kiedy naprawdę potrzebujesz agresji
Niektóre zastosowania wymagają silniejszej chemii. Zanieczyszczenie ciężkimi tlenkami. Powierzchnie trudne-do-lutowania. Starsze komponenty o pogorszonej lutowności.
Topniki-rozpuszczalne w wodzie (OA) zawierają kwasy organiczne-adypinowy, bursztynowy i cytrynowy-, które pozostawione na złożeniu powodują korozję śladów miedzi w ciągu kilku tygodni. Sprzątanie nie jest tutaj opcjonalne. To obowiązkowe.
Samo czyszczenie wprowadza zmienne. Jakość wody DI. Temperatura prania. Stężenie zmydlacza. Kompletność suszenia. Widziałem, jak linie produkcyjne przeszły testy elektryczne, ale nie sprawdziły się w praktyce, ponieważ zanieczyszczenia jonowe nie zostały całkowicie usunięte. Specyfikacja czystości stwierdziła<1.56 μg/cm² NaCl equivalent. They hit 1.4. Marginal pass. Product returned eighteen months later with dendritic growth between fine-pitch QFP leads.
Specyfikacje istnieją z powodów.
Systemy klasyfikacji strumieni (część myląca)
IPC J-STD-004 definiuje klasyfikację strumienia. Konwencja nazewnictwa nabiera sensu po jej rozszyfrowaniu:
ROL0= Kalafonia, niska aktywność, bez halogenkówREL1= Żywica o niskiej aktywności, zawiera halogenkiORH0= Organiczny, o wysokiej aktywności, bez halogenków
System kategoryzuje według podstawy strumienia (RO/RE/OR/IN), poziomu aktywności (L/M/H) i zawartości halogenków (0/1).
Halogenki znacząco zwiększają aktywność. Szczególnie chlorki. Jednak pozostałości halogenków budzą obawy związane z korozją,-stąd rozróżnienie 0/1, które ma znaczenie dla niezawodności-zastosowań krytycznych.
Większość nie-czystych past to ROL0 lub REL0. Rozpuszczalny w wodzie-zazwyczaj ORH1. Klasyfikacja wpływa na kryteria kontroli IPC-A-610 i wymagania dotyczące czyszczenia.
Lutowanie selektywne i fala: różne wymagania dotyczące strumienia
Topnik do lutowania na fali podlega innym naprężeniom niż rozpływ. Dłuższa ekspozycja termiczna. Bezpośredni kontakt z falą stopionego lutu. Ciągłe wymagania dotyczące uzupełniania.
Topniki natryskowe nakładają cienkie, równe powłoki. Topniki piankowe tworzą pęcherzyki, które stykają się ze spodem płyty. Każde podejście wymaga innej lepkości topnika, zawartości substancji stałych i charakterystyki pienienia.
Lutowanie selektywne zwiększa złożoność-miejscowe ogrzewanie oznacza gradienty temperatury w całym zespole. Topnik-nałożony wstępnie na określone obszary musi wytrzymać zmiany termiczne do pobliskich elementów, które są lutowane sekwencyjnie.
Rzecz w tym, że „przepływ” nie jest monolityczny. Strumień falowy i topnik pasty SMT mogą mieć takie same zasady chemiczne, ale są to różne produkty do różnych procesów.
Co właściwie dzieje się na poziomie molekularnym
Kiedy kwas abietynowy styka się z tlenkiem miedzi w podwyższonej temperaturze, redukuje Cu²⁺ do metalicznej miedzi, tworząc abietynian miedzi. Ten produkt reakcji jest rozpuszczalny w nośniku topnika, unosząc tlenek z powierzchni rozdziału faz.
Jednocześnie topnik obniża energię powierzchniową zarówno lutu, jak i podłoża, zmniejszając kąt zwilżania. Zwilżanie następuje. Rozpoczyna się tworzenie związku międzymetalicznego-Początkowo Cu₆Sn₅, Cu₃Sn rozwija się z czasem w wyniku dyfuzji-w stanie stałym.
Warstwa IMC jest właściwym wiązaniem. Nie blokowanie mechaniczne. Nie przyczepność. Wiązanie metalurgiczne poprzez formowanie międzymetaliczne. Topnik umożliwia to, zapewniając czystą miedzianą powierzchnię do zainicjowania reakcji.
Zbyt słaby topnik: niecałkowite usunięcie tlenków, odwodnienie,-defekty niezwilżające. Zbyt mocny topnik: nadmiar pozostałości, potencjalna korozja, podcięcie maski lutowniczej.
Azot i dlaczego nie zastępuje topnika
Zobojętnianie azotem zmniejsza utlenianie podczas rozpływu. Niektórzy producenci zakładają, że oznacza to zmniejszenie aktywności topnika.
Technicznie możliwe. Praktycznie niebezpieczne.
Azot spowalnia tworzenie się tlenków. Nie usuwa istniejących tlenków. Komponenty i płytki docierają z już obecnymi warstwami tlenku. Pasta lutownicza osadza się w szablonach i podczas drukowania jest wystawiona na działanie powietrza. Kożuch azotowy podczas ponownego przepływu jest za późno dla tych tlenków.
Niskie-strumienie pozostałości w atmosferach azotu mogą działać doskonale-lub katastrofalnie. Okno procesu kurczy się. Marża wyparowuje.
W większości środowisk produkcyjnych azot stanowi dodatkowy czynnik bezpieczeństwa, a nie zamiennik topnika.
Tworzenie się pustki i substancje lotne w strumieniu
Duże puste przestrzenie pod kulkami BGA lub środkowymi podkładkami QFN często wynikają z uwięzienia lotnych substancji topnika.
Topnik zawiera rozpuszczalniki. Rozpuszczalniki odparowują podczas podgrzewania. Jeśli profil rozpływu narasta zbyt szybko, opary rozpuszczalnika nie mają drogi ucieczki, zanim lut się zestali. Próżnia.
Jeśli aktywacja strumienia generuje gazowe produkty uboczne (w niektórych preparatach), ten sam problem. Próżnia.
Zależność pomiędzy składem chemicznym topnika, rozkładem wielkości cząstek, profilem ponownego przepływu i wielkością pustych przestrzeni jest na tyle złożona, że producenci spędzają miesiące na optymalizacji. Nie ma uniwersalnego rozwiązania,-jest ono specyficzne-dla pasty,-dla konkretnej płyty,-dla konkretnego komponentu.
Kiedy ktoś powie Ci, że jego „zoptymalizowany profil” osiąga<10% voiding, ask what paste they're using. The profile is half the equation.
Konkluzja
Lutowanie topnikowe „zmienia wszystko”, ponieważ bez niego produkcja elektroniki nadal przypominałaby ręczną pracę jubilerską.-Wykwalifikowani rzemieślnicy ręcznie-czyszczą powierzchnie kwasami, ręcznie-nakładają lutownicę pojedyncze złącza na raz, a następnie ręcznie-czyszczą pozostałości.
Nowoczesna technologia montażu powierzchniowego przetwarza tysiące połączeń na minutę, ponieważ topnik jest precyzyjnie formułowany, konsekwentnie osadzany i aktywowany termicznie w przewidywalny sposób. Chemia jest dojrzała, ale nie prosta. Interakcje między strumieniem, stopem, podłożem, atmosferą i profilem termicznym to problemy optymalizacji oparte na wielu-zmiennych.
Inżynierowie, którzy traktują topnik jako refleksję, mogą się poparzyć. Czasami dosłownie, gdy awarie w terenie-wywołane korozją powodują olbrzymie koszty gwarancji.
Flux nie jest ekscytujący. To niezbędne. To coś innego.
