Obwody drukowane

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechniki Łódzkiej
Obwody drukowane
Podstawowy procesu produkcji obwodów drukowanych
1.
Obowiązki wprowadzającego sprzęt: dyrektywy RoHS i WEEE
2.
Proces lutowania
3.
Spoiwa lutownicze ołowiowe i bezołowiowe
4.
Przygotowanie pól lutowniczych (cynowanie HASL)
5.
Topniki
6.
Pasty lutownicze
dr inż. Piotr Pietrzak
[email protected]
pok. 54, tel. 631 26 20
www.dmcs.p.lodz.pl
Obowiązki wprowadzającego sprzęt elektroniczny
1. Dyrektywa WEEE
2. Dyrektywa RoHS
3. Znak CE i normy zharmonizowane
4. Certyfikacja wyrobów
5. Bezpieczeństwo wyrobów
Dyrektywa RoHS
• Dyrektywa Nr 2002/95/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia
27.01.2003 (RoHS) „on the restriction of the use of certain hazardous
substances in electrical and electronic equipment” (o ograniczeniu
stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprzęcie
elektrycznym i elektronicznym), ogłoszona w urzędowym dzienniku UE
13.02.2003 i weszła w życie 1 lipca 2006 r.
DIRECTIYE 2002/95/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE
COUNCIL of 27 Jarmary 2003 on the restriction of the use of certain
hazardous substances in electrical and electronic equipment
6. Ustawa o opakowaniach i odpadach
opakowaniowych
7. Ustawa o bateriach i akumulatorach
8. Ustawa o obowiązkach przedsiębiorców w zakresie
gospodarowania niektórymi odpadami oraz
o opłacie produktowej i opłacie depozytowej
9. Korzystanie ze środowiska
Dyrektywa RoHS
• Dyrektywa obliguje Państwa Członkowskie UE do zapewnienia, że
począwszy od 1 lipca 2006 nowy sprzęt elektroniczny, który ukaże się
na rynku nie będzie zawierał materiałów szkodliwych: rtęci, kadmu,
sześciowartościowego chromu, polibromowanego dwufenylu (PBB) i
polibromowanego eteru fenylowego (PBDE).
Lista materiałów szkodliwych nie jest zamknięta. Będzie ona
rozszerzana wraz z wdrażaniem nowych substancji mogących zastąpić
dotychczas stosowane sybstancje szkodliwe.
Dyrektywa RoHS
• Zakaz
stosowania
wymienionych
materiałów
zwiększa
opłacalność recyklingu sprzętu elektronicznego i zmniejsza ryzyko
utraty
zdrowia
przez
pracowników
w
przedsiębiorstwach
recyklingowych (nawiązanie do Dyrektywy WEEE).
• Zgodnie z dyrektywą Państwa Członkowskie powinny określić kary za
łamanie postanowień tej Dyrektywy.
• Państwa Członkowskie powinny były dostosować swoje wewnętrzne
regulacje prawne do tej Dyrektywy do dnia 13 sierpnia 2004.
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 6 pażdziernika
2004 r. Dz.U. Nr 229, Poz. 2309 i 2310 (Załącznik), 2004r.
Zostało anulowane.
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 27 marca 2007 r. „w
sprawie
szczegółowych
wymagań
dotyczących
ograniczenia
wykorzystywania w sprzęcie elektronicznym i elektrycznym niektórych
substancji mogących negatywnie oddziaływać na środowisko” Dz.U. Nr
69, Poz. 457, 2007r.
1
Dyrektywa RoHS – wyłączenia
Dyrektywa RoHS – wyłączenia
Gdy zastąpienie substancji szkodliwych nie jest możliwe z naukowego i
technicznego punktu widzenia lub gdy negatywny wpływ na zdrowie i
środowisko materiałów zastępczych przeważa nad korzyściami
płynącymi z zastąpienia powyższych substancji szkodliwych. W
szczególności:
• Pb w szkle lamp obrazowych, elementów elektronicznych i świetlówek
• Pb jako składnik stopowy w stali do 0,35% wagowo, w Al do 0,4%
wagowo i w stopach Cu do 4%wag,
• Pb w stopach lutowniczych o wysokiej temperaturze topnienia (np.
stop PbSn o zawartości >85% Pb),
• Pb
w
stopach
lutowniczych
w
usługowych
specjalizowanych (serwerach) i pamięciach (do 2010),
procesorach
• Pb w stopach lutowniczych dla sprzętu sieciowego przeznaczonego do
przełączania, sygnalizowania, transmisji, a także zarządzania siecią w
telekomunikacji,
Dyrektywa RoHS - aktualizacja
• Pb w podzespołach elektronicznych ceramicznych (np. przyrządach
piezoelektrycznych)
• części zapasowe przeznaczone do napraw (ponownego użycia) sprzętu
elektronicznego, który trafił na rynek przed 1 lipca 2006,
• aparatury
medycznej
(z
wyjątkiem
implantów)
i aparatury kontrolnej (wykrywacze dymu, regulatory ciepła, termostaty,
przemysłowe pulpity sterujące, wagi elektroniczne zarówno w
gospodarstwach domowych jak i laboratoriach),
• sprzęt elektroniczny związany z zapewnieniem bezpieczeństwa Państw
Członkowskich i urządzenia wojskowe (wymagany czas życia 20 lat)
• sprzęt elektroniczny w środkach
z Dyrektywą „End-of life vehicles")
transportu
(w
powiązaniu
Lista wyjątków powinna być weryfikowana i korygowana co 4 lata.
Dyrektywa RoHS - aktualizacja
W 2008 r. rozpoczęły się prace nad nowelizacją dyrektywy RoHS,
w efekcie których powstała tzw. dyrektywa RoHS2, opublikowana
w czerwcu 2011 r.
DYREKTYWA PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY 2008/35/WE
z dnia 11 marca 2008 r. zmieniająca dyrektywę 2002/95/WE w sprawie
ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji
w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym, w odniesieniu do uprawnień
wykonawczych przyznanych Komisji
Ponieważ zmiany wprowadzane niniejszą dyrektywą do dyrektywy
2002/95/WE są natury technicznej i dotyczą jedynie procedury komitetu,
państwa członkowskie nie muszą dokonywać ich transpozycji. Nie jest
zatem konieczne ustanowienie przepisów w tym względzie.
DYREKTYWA PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY 2011/65/UE z dnia
8 czerwca 2011 r. w sprawie ograniczenia stosowania niektórych
niebezpiecznych substancji w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym
DIRECTIVE 2011/65/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE
COUNCIL of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain
hazardous substances in electrical and electronic equipment
RoHS2 w Polsce weszła w życie 3 stycznia 2013 roku.
Dyrektywa RoHS - aktualizacja
Dyrektywa RoHS – normy
Wprowadzając sprzęt do obrotu automatycznie deklarowane jest
domniemanie zgodności tego sprzętu z dyrektywą RoHS.
Państwa członkowskie zapewniają, by wprowadzony
do obrotu EEE, włącznie z przewodami i częściami
zamiennymi służącymi do jego naprawy lub
ponownego użycia, aktualizacji jego funkcjonalności
lub zwiększenia jego możliwości, nie zawierał
substancji wymienionych w załączniku II
Ani dyrektywa RoHS, ani rozporządzenie MG nie reguluje spraw oceny
zgodności wyrobu z dyrektywą.
Obowiązek podjęcia decyzji, czy wprowadzany do obrotu sprzęt podlega
wymaganiom dyrektywy RoHS, spoczywa wyłącznie na wprowadzającym
do obrotu.
Obecnie istnieją dwie normy przemysłowe związane z badaniami i
przekazywaniem informacji w łańcuchu dostaw.
2
Dyrektywa RoHS – normy
• IEC62321 - Environmental standardization for electrical and electronic
products and systems
Dokument ten zawiera zebrane informacje na temat metodyki badań
służących do oznaczania zawartości pierwiastków będących pod
regulacją dyrektywy RoHS.
• IPC1752-x - Material Declaration
Jest to standard wymiany dokumentów pomiędzy firmami w łańcuchu
dostaw. Prezentuje on w usystematyzowany sposób wyniki badań
przeprowadzonych przy użyciu normy IEC62321 i stanowi podpisaną
deklaracje producenta o zgodności, bądź nie danego wyrobu z
dyrektywą RoHS.
ELEKTROŚMIECI
• Prawie 516 tys. ton sprzętu elektrycznego
wprowadzono w 2011 roku na terytorium Polski
i
elektronicznego
• Prawie 246 tys. Ton sprzętu wprowadzono w grupie „Wielkogabarytowe
urządzenia gospodarstwa domowego” w 2011 roku (47,65% łącznej
masy)
• Ponad 143 tys. ton zużytego sprzętu zebrano w 2011 roku (poziom
zbierania wyniósł 27,8%)
• Blisko 152 tys. ton zużytego sprzętu przetworzono w 2011 roku
• 3,55 kg zużytego sprzętu zebrano w przeliczeniu na jednego
mieszkańca w 2011 r.
Na stronie internetowej IPC (www.ipc.org) dostępne są dwa
kwestionariusze w formacie PDF: IPC-1752-1: Questionnaire for Class
1,2,3,4 (Kwestionariusze dla klas deklaracji 1,2,3,4) oraz IPC-1752-2:
Questionnaire for Class 1,2,5,6 (Kwestionariusz dla klas deklaracji
1,2,5,6).
Źródło: Ministerstwo Środowiska
Dyrektywa WEEE
• DYREKTYWA NR 2002/96/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY
z dnia 27 stycznia 2003 r. w sprawie zużytego sprzętu elektrycznego i
elektronicznego (WEEE)
DIRECTIYE 2002/96/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE
COUNCIL of 27 January 2003 on waste electrical and electronic
equipment (WEEE)
• Cele wspólnotowej polityki ochrony
środowiska
naturalnego
to,
w
szczególności, zachowanie, ochrona i
poprawienie
jakości
środowiska
naturalnego,
ochrona
zdrowia
ludzkiego oraz rozważne i racjonalne
wykorzystanie zasobów naturalnych.
• Należy dążyć do odzysku i ponownego
użycia energii i materiałów zawartych
w odpadach.
Dyrektywa WEEE
Na podstawie dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/19/UE z
dnia 4 lipca 2012 została uchylona dyrektywa 2002/96/WE w sprawie
zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego (WEEE).
Przepisy dyrektywy 2012/19/WE wprowadzają istotne zmiany dla rynku
zużytego sprzętu w poszczególnych krajach Unii Europejskiej.
Od 2016 r. minimalny poziom zbierania będzie wynosił 45%. Państwa
członkowskie mają zapewnić, aby ilość zebranego WEEE zwiększała się
stopniowo w okresie od 2016 r. do 2019 r.
Od 2019 r. minimalny roczny poziom zbierania do osiągnięcia będzie
wynosił 65% średniej masy EEE wprowadzonego do obrotu w trzech
poprzedzających latach w danym państwie członkowskim lub
alternatywnie 85% masy WEEE wytworzonego w tym państwie
członkowskim.
Dyrektywa WEEE
• Państwa Członkowskie powinny podjąć kroki w celu zminimalizowania
ilości niesortowanych odpadów sprzętu elektronicznego trafiających
do strumienia odpadów komunalnych i osiągnięcia wysokiego poziomu
zbiórki z segregacją tego sprzętu. Państwa Członkowskie muszą
zapewnić zorganizowanie systemu selektywnej zbiórki odpadów
sprzętu elektronicznego
• Nałożone obowiązki są jednym ze
sposobów wywierania na producentów
presji, aby w fazie projektowania
urządzeń brali pod uwagę łatwość
naprawy,
ewentualnej
modernizacji,
ponownego
użycia,
demontażu
i
recyklingu
Dyrektywa WEEE
10 państw UE (w tym Polska), ze względu na brak wystarczającej
infrastruktury do przetwarzania elektrośmieci, a jednocześnie
wytwarzających ich mniej niż najbardziej rozwinięte państwa UE, będzie
mogło ustanowić limit zbiórki: na poziomie 40% (w 2016 r.) oraz odroczyć
termin osiągnięcia docelowej wartości (65% lub 85%) do roku 2021
(obecnie w Polsce zbiera się około 30% masy sprzętu wprowadzonego
na rynek).
Dyrektywa wprowadza możliwość oddawania stare urządzenia w sklepie
elektronicznym lub z artykułami gospodarstwa domowego.
Elektrośmieci małogabarytowe, a więc takie, których każdy wymiar nie
przekracza 25 cm (np. telefony komórkowe), będą mogły być zwrócone
nieodpłatnie (bez konieczności kupowania nowego produktu tego typu)
w każdym większym (tj. o powierzchni 400 m2 lub więcej) sklepie
handlującym tego typu towarem. Koszty zagospodarowania zużytego
sprzętu w przeważającej mierze ponosić będą wprowadzający sprzęt
(producenci, importerzy). Zgodnie z dyrektywą, powinni oni także
przestrzegać wymogów dotyczących eko-projektowania, ułatwiających
ponowne użycie, demontaż i odzysk zużytego sprzętu.
3
Proces lutowania
Proces lutowania
Lutowanie jest procesem łączenia dwóch metali przy użyciu metalu
trzeciego, zwanego lutowiem
Proces formowania złącza lutowanego
Temperatura topnienia lutu jest znacznie niższa od temperatury topnienia
metali łączonych
• dostarczenie ciepła niezbędnego do stopienia lutu
W wyniku podgrzania następuje płytka dyfuzja cząsteczek lutowia
i cząsteczek elementów lutowanych, w wyniku czego powstaje cienka
warstwa stopu wszystkich materiałów (tzw. złącze intermetaliczne).
• zwilżanie powierzchni lutowanych przez spoiwo lutownicze (tworzenie
warstw/związków intermetalicznych)
Wytworzona spoina cechuje się dużą wytrzymałością mechaniczną
i bardzo dobrą przewodnością elektryczną
• usunięcie tlenków z powierzchni lutowanych oraz z lutowia
• zapewnienie bezpośredniego kontaktu lutowia z materiałami łączonymi
• chłodzenie wytworzonej spoiny
W elektrotechnice najczęściej wykorzystuje się tzw. lutowanie miękkie
(temp. 183 ÷ 300°C, dla stopów niskotopliwych 70÷150°C), zapewniające
właściwe połączenia dla niewielkich obciążeń.
Lutowanie twarde (łatwo topliwe 550 ÷ 875°C, trudno topliwe
875 ÷ 1100°C) stosowane jest do łączenia elementów mechanicznych
i konstrukcyjnych pracujących pod dużym obciążeniem
Stopy lutownicze
Najpopularniejszym stopem lutowniczym był stop cyny (63%) i ołowiu
(37%). Jego temperatura topnienia wynosząca 183°C (najniższa pośród
stopów cyna-ołów) jest niższa od temperatury topnienia każdego ze
składników (stop eutektyczny).
Eutektyk (mieszanina eutektyczna) jest mieszaniną dwóch lub więcej faz
krystalicznych o określonym składzie, która wydziela się w określonej
temperaturze (temperaturze eutektycznej) z roztworów ciekłych lub stopów.
Temperatura eutektyczna jest na ogół znacznie niższa od temperatury
krzepnięcia czystych składników.
Obecnie obowiązujące w Unii Europejskiej (dyrektywa RoHS obowiązująca
od 1 lipca 2006) i USA restrykcyjne przepisy związane z ochroną
środowiska eliminują możliwość stosowania ołowiu, jako materiału
wchodzącego w skład stopów lutowniczych powszechnego użytku.
Stopy lutownicze – wymagania stawiane stopom lutowniczym
• Niska temperatura topnienia i szybkie przechodzenie z fazy stałej
w ciekłą i odwrotnie
• Duża plastyczność materiału
• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
• Zdolność zwilżania metali
powierzchniowe fazy ciekłej)
lutowanych
(niskie
napięcie
• Bardzo dobre właściwości elektryczne (głównie przewodność
elektryczna)
• Dopasowanie do stosowanych technik lutowniczych i istniejących
topników
• Łatwość przetworzenia w drut, proszek lub folię
Żaden ze stosowanych w chwili obecnej stopów bezołowiowych nie
posiada tak dobrych właściwości użytkowych jak stopy Sn/Pb. Lutowanie
bezołowiowe jest kilkakrotnie droższe niż z użyciem ołowiu, a jakość
połączeń (zarówno elektryczna i mechaniczna) na ogół niższa.
Stopy lutownicze – wymagania stawiane stopom lutowniczym
Zdolność zwilżania określa zdolność pokrywania powierzchni ciała stałego
cienką, równomierną i nieprzerwaną powłoką cieczy. Warunkiem zwilżania
jest aby siły przyciągania między cząsteczkami cieczy a cząsteczkami ciała
stałego (siły adhezji) były większe od sił spójności pomiędzy cząsteczkami
cieczy (siły kohezji).
Zdolność zwilżania charakteryzuje kąt zwilżania, pod którym w stanie
równowagi swobodna powierzchnia cieczy styka się z powierzchnią ciała
stałego. Zdolność zwilżania jest tym lepsza im mniejsze jest napięcie
powierzchniowe na granicy ciało stałe – ciecz.
Stopy lutownicze – wymagania stawiane stopom lutowniczym
Chropowatość powierzchni zmniejsza zwilżalność
Napięcie powierzchniowe tlenków jest znacznie mniejsze niż napięcie
powierzchniowe czystego metalu. Z tego powodu konieczne jest
stosowanie preparatów usuwających tlenki (topniki).
Topniki zmniejszają napięcie powierzchniowe lutowia. Dla przykładu
napięcie powierzchniowe stopu Sn60Pb40 w temperaturze 235C wynosi
0.41Jm-2, w przypadku zastosowania tradycyjnej kalafonii (topnik
nieaktywny) napięcie powierzchniowe spada do 0,35
Lutowalność określa podatność elementów i podłoży na wykonanie
poprawnych spoin lutowniczych. Istotne są przy tym: wymagania cieplne,
zwilżalność, odporność na ciepło lutowania.
Napięcie powierzchniowe jest
miarą sił międzycząsteczkowych
działających na stuku powierzchni
ciał stałych i ciekłych
4
Stopy lutownicze – wymagania stawiane stopom lutowniczym
Stopy lutownicze – problemy technologii bezołowiowej
Spośród blisko 200 przebadanych spoiw z potencjalnymi zamiennikami
ołowiu brane są pod uwagę jedynie 3 rodzaje:
• 48 Sn 52 Bi (Japonia, temp. topnienia 139 ºC)
• 99,3 Sn 0,7 Cu (Europa, temp. topnienia 227 ºC)
• 96,5 Sn 3,5 Ag (USA, temp. topnienia 221 ºC)
W obecnie prowadzonych badaniach związanych ze znalezieniem dąży się
do uzyskania optymalnego składu spoiwa złożonego z 3 pierwiastków: Cu,
Bi, Ag. Stopami, na które obecnie się wskazuje są:
• 95,5% Sn, 3,5% Ag, 0,7% Cu (217ºC)
Występowanie pustych obszarów
w spoinie (ang. voids)
• 93,5% Sn, 3,5% Ag, 3% Bi (206ºC - 212ºC)
• 89,5% Sn, 10% Bi, 0,5% Cu (190ºC - 200ºC)
Występowanie włosowatych struktur cyny
(ang. whiskers)
Stopy lutownicze – problemy technologii bezołowiowej
Pokrycie pól lutowniczych
Niezabezpieczone miedziane pola lutownicze stosunkowo szybko ulegają
utlenieniu, co znacząco utrudnia proces lutowania.
Sposobem zabezpieczenia na pewien okres czasu pól lutowniczych przed
utlenianiem jest ich pokrycie warstwą metaliczną (stopy cyny, złoto, itp.)
lub organiczną (OSP, Organic Solderable Preservative).
Najczęściej stosowanym pokryciem pól lutowniczych jest stop lutowniczy
zawierający cynę.
Grubość pokrycia wynosi od 2 m do 20 m
Negatywny efekt wyższego napięcia
powierzchniowego stopu lutowniczego
Problem złej zwilżalności pokrycia pól
lutowniczych
Pokrycie pól lutowniczych – związki cyny
Pokrycie pól lutowniczych – związki cyny
Zalety
• Niski koszt wytworzenia warstwy ochronnej
• Wytworzenie
wiązania
intermetalicznego
na
styku
miedzi
i pokrycia (Cu3SniCu6Sn5) zwiększającego wytrzymałość mechaniczną
połączenia warstwy ochronnej i miedzi obwodu drukowanego
Wady
• Obniżona lutowalność warstwy intermetalicznej – bezpośrednio po
procesie nanoszenia lutowia warstwa ta ukryta jest pod jego czystą
powłoką i ma grubość poniżej 1m; z upływem czasu grubość warstwy
zwiększa się (ok. 1m/rok)
• Niska twardość (nie nadaje się na pokrycie złączy krawędziowych)
• Duża rezystywność w porównaniu z pokryciem bazującym na związkach
złota
• W zależności od technologii wykonania, może występować nierówność
powierzchni
5
Pokrycie pól lutowniczych – związki cyny
Najczęściej stosowaną metodą nakładania warstwy lutowia na pola
lutownicze jest metoda z wyrównaniem poziomu lutowia gorącym
powietrzem (HASL, Hot Air Solder Levelling.
Metoda HASL polega na zanurzaniu w pozycji pionowej płytki obwodu
drukowanego w roztopionym lutowiu i powolnym wyciąganiu w strumieniu
gorącego powietrza zdmuchującego nadmiar lutowia.
Pokrycie wykonane metodą HASL jest nierównomierne (zmiany grubości
warstwy). Z tego powodu nie znajduje ono zastosowania w przypadku
występowania elementów w obudowach BGA lub o dużej gęstości
wyprowadzeń (przyjmuje się wartość mniejszą niż 40 mils).
Istnieje technologia alternatywna z
poziomym ułożeniem płyty oferująca
mniejszy rozrzut grubości warstwy,
jednak ze względu na koszt jest
znacznie mniej popularna.
Topniki
Topniki będące chemicznymi substancjami aktywnymi stosowane są w
celu oczyszczenia powierzchni łączonych metali z wytworzonych na ich
powierzchni tlenków oraz zmniejszenia napięcia powierzchniowego na
styku lutowia i materiałów łączonych.
Rola topnika w procesie lutowania:
• usuwanie tlenków i innych zanieczyszczeń z lutowanych powierzchni
• rozpuszczanie soli metali tworzących się podczas reakcji topnika z
tlenkami metali
• zapobieganie wtórnemu utlenianiu powierzchni lutowanych podczas
lutowania
• zapobieganie utlenianiu lutowia
• poprawa kontaktu lutowia z powierzchniami lutowanymi zapewniającego
równomierność nagrzewania
• zmniejszenie napięcia powierzchniowego lutowia w celu poprawienia
jego zdolności do zwilżania
Topniki
Pokrycie pól lutowniczych – metale szlachetne
Alternatywnym sposobem wykończenia powierzchni pól lutowniczych jest
naniesienie warstwy niklu i złota
Gwarantuje ona bardzo dużą trwałość powłoki (bardzo długi okres
magazynowania)
Podwyższona temperatura lutowania powoduje wzrost warstwy
intermetalicznej pokryczia bazującego na cynie. Warstwa NiAu jest
znacznie bardziej odporna na działanie wysokich temperatur
W powłoce tej grubość niklu wynosi około 3µm do 5µm, warstwa złota
najczęściej 0,03µm do 0,2µm
Innymi metalami stosowanymi do wytworzenia warstwy ochronnej pól
lutowniczych są stopy zawierające srebro i pallad.
Topniki
Składniki tworzące topnik:
• substancja wiążąca - kalafonia, żywice syntetyczne, glikole, poliglikole,
gliceryna
• rozpuszczalnik - alkohol izopropylowy, glikole, estry glikolowe, etery
glikolowe
• aktywator - chlorki amonowe, chlorowodorek aminowy,
dwukarboksylowe, kwas bursztynowy, kwasy organiczne
kwasy
• dodatki - środki powierzchniowo czynne, środki tiksotropowe
Najbardziej popularne są topniki wytworzone na bazie kalafonii
Topniki kalafoniowo-syntetyczne zostały opracowane na potrzeby
lutowania na fali. Po procesie lutowania pozostają one płynne, co ułatwia
usuwanie ich pozostałości.
Czyste topniki z żywic syntetycznych w procesie lutowania na fali
wypłukiwane są przez pierwszą falę turbulentną, co oznacza, że lutowanie
falą laminarną odbywa się już bez topnika.
Topniki
Typ R (rosin)
Typ RMA
Topniki oparte na czystej kalafonii z dodatkiem rozpuszczalnika. Ma bardzo
niską aktywność. Nadaje się do lutowania bardzo czystych, nieutlenionych
powierzchni. Zgodnie z klasyfikacją IPC jest to zwykle ROL0. Pozostałość
topnika jest twarda, nieżrąca, nieprzewodząca i można ją stosować dla
większości urządzeń. Pozostałość można usunąć za pomocą
rozpuszczalnika.
Topniki kalafoniowe o średniej aktywności. Zawierają kalafonię,
rozpuszczalnik i niewielką ilość aktywatora (kwas dikarboksylowy,
bursztynowy). W rzeczywistości większość topników RMA ma stosunkowo
niską aktywność, przez co można je stosować do lutowania powierzchni
czystych, łatwo lutowalnych. Zgodnie z klasyfikacją IPC do tej grupy należą
topniki ROL0, ROL1, ROM0 lub ROM1. Pozostałość topnika RMA jest
czysta i miękka. Większość jest nieżrąca i nie przewodzi prądu.
Konieczność czyszczenia powierzchni zależy od aktywności topnika i
rodzaju produktu, do którego topnik jest stosowany. Wiele topników RMA
przechodzi pomyślnie test rezystancji powierzchniowej izolacji (ang. SIR) i
klasyfikowanych jest jako NC. Pozostałości można usunąć za pomocą
odpowiedniego rozpuszczalnika.
Typ NC (no-clean)
Topniki typu zawiera kalafonię, rozpuszczalnik i niewielką ilość aktywatora.
Zazwyczaj mają niską lub umiarkowaną aktywność i mogą być stosowane
w przypadku czystych, łatwych do lutowania powierzchni. Zgodnie
z klasyfikacją IPC do tej grupy należą ROL0 lub ROL1. Pozostałość
topników NC jest czysta, twarda, nieżrąca, nie przewodzi prądu i nadaje się
do stosowania w większości typów urządzeń. Pozostałości mogą być
usunięte za pomocą rozpuszczalnika. Niektóre, ale nie wszystkie topniki
NC są trudniejsze do usunięcia niż topniki RMA.
6
Topniki
Topniki
Typ RA
Typ RF (inaczej AC lub WS)
Topniki kalafoniowe o wysokiej aktywności. Zawiera kalafonię,
rozpuszczalnik i silne aktywatory (najczęściej halogenki organiczne i aminy
alifatyczne lub odpowiednio dobrane mieszaniny kwasów organicznych i
ich estrów).
Topniki bez kalafonii, oparte na rozpuszczalnikach organicznych lub
wodzie (VOC-free). Topniki te to roztwory kwasów dikarboksylowych w
alkoholu lub wodzie, z dodatkiem środków powierzchniowo czynnych
(detergentów), poprawiających rozpływność lutu. Występują one w
szerokim zakresie aktywności, od nieaktywnych po bardzo wysoką
aktywność w procesie lutowania, aż do najtrudniejszych powierzchni,
takich jak stal nierdzewna.
Pozostałości topnika uważa się za żrące, dlatego obwody wrażliwe na
korozję lub kiedy istnieje możliwość przepływu prądu przez pozostałości
topnika po montażu powinny zostać natychmiast oczyszczone. Istnieją
topniki tego typu dające bardzo nisko korozyjne pozostałości o bardzo
dobrych własnościach elektrycznych (niska przewodność). Opary tych
topników są zazwyczaj toksyczne (aminy). Pozostałości można usunąć za
odpowiednim rozpuszczalnikiem.
Zgodnie z klasyfikacją IPC jest to zwykle ROM0, ROM1, ROH0 lub ROH1.
Pozostałości tych topników w obecności wilgoci mają dosyć wysoką
przewodność elektryczną oraz skłonności do korozji. Dlatego też powinny
być zmyte po procesie lutowania. Większość alkoholowych topników
oznaczanych jako „RF NO CLEAN” zawiera niewielkie ilości kalafonii,
której zadaniem jest immobilizacja resztek kwasów organicznych
pozostałych po lutowaniu. Przykładem takiego topnika jest RF800, będący
roztworem kwasu adypinowego i kalafonii w izopropanolu o zawartości
substancji aktywnych poniżej 5%. Pozostałości mogą być usunięte za
pomocą wody.
Klasyfikacja IPC zwykle zaczyna się od OR, który odpowiada organicznej
kalafonii.
Pasty lutownicze – wymagania stawiane pastom lutowniczym
Topniki
L – niskoaktywny
M – średnioaktywny
Pasta lutownicza jest jednorodną i stabilną zawiesiną kulistych
cząstek spoiwa lutowniczego w substancji wiążącej zawierającej
topnik i rozpuszczalnik
H – wysokoaktywny
0 – brak halogenków
1 – występują halogenki
Topnik i rozpuszczalnik pasty wraz z dodatkami ułatwiającymi
drukowanie tworzą tzw. nośnik. Stosunek wagowy spoiwa do
nośnika wynosi najczęściej 90:10, objętościowy 50:50.
Cząstki proszku spoiwa formowane są natryskiwanie lub wirowanie
roztopionego spoiwa w atmosferze obojętnego gazu, a następnie
sortowanie w/g rozmiarów. Najpopularniejsze rozmiary to 20-40m
(IPC Type 3) oraz 45-75m (IPC Type 2).
Rozmiary cząsteczek lutowia muszą zostać odpowiednio dobrane
do wymiaru apertury we wzorniku.
Pasty lutownicze są substancjami tiksotropowymi, co oznacza, że
ich lepkość zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości ścinania, a
po ustaniu ścinania wraca do wartości początkowej. Właściwość ta
ogranicza rozpływ pasty po jej naniesieniu.
Pasty lutownicze – wymagania stawiane pastom lutowniczym
Należy dążyć do stosowania pasty z możliwie największymi
cząsteczkami, ponieważ im mniejsza cząsteczka, tym większe
wymagania w stosunku do topnika i tolerancji procesu lutowania
oraz większe prawdopodobieństwo tworzenia kulek lutowia poza
polami lutowniczymi (w procesie lutowania najpierw musi
odparować rozpuszczalnik)
Pasty lutownicze
Wymagania stawiane pastom lutowniczym:
• bardzo dobre odwzorowanie drobnych rastrów
• stała i powtarzalna jakość nałożenia pasty (brak skurczu)
• odpowiedni czas przydatności na wzorniku
Każda pasta zawiera ok. 0,03% tlenku pokrywającego cząsteczki
spoiwa,
który
zapobiega
zbrylaniu się
kulek
podczas
przechowywania. Zwiększenie ilości tlenku do ponad 0,15% (wpływ
m.in. nieprawidłowego przechowywania) powoduje „kuleczkowanie”
pasty w procesie lutowania.
• zapewnienie wysokiej przyczepności do PCB
Stosowanie past nowej generacji pozwala wyeliminować
konieczność klejenia podzespołów podczas ich układania na płytce.
• usuwalne lub niewymagające czyszczenia pozostałości
• kleistość zapewniająca podtrzymanie elementów
• gładka powierzchnia po lutowaniu
• bardzo dobre właściwości elektryczne
• brak toksyczności
• przynajmniej 6-miesięczny okres magazynowania
7
Pasty lutownicze
Pasty lutownicze
Matryce dla metody druku szablonowego
wytwarzane są z metali (brąz berylowy,
mosiądz, nikiel, stal nierdzewna) lub tworzyw
sztucznych (produkcja jednostkowa)
Metody nakładania pasty lutowniczej:
• powlekanie galwaniczne
• sitodruk
• druk szablonowy
• dozowanie
Otwory w szablonach wykonywane są poprzez:
• metoda kroplowa
• trawienie chemiczne
Najpopularniejszą metodą w montażu ręcznym jest dozowanie przy
użyciu strzykawki, w montażu automatycznym, druk szablonowy
przy użyciu odpowiednich masek (tzw. blacha)
Metoda nanoszenia
Zawartość lutu
[% wagowo]
Lepkość
[Pa·s]
Druk szablonowy
90
600 – 1000
Druk sitowy
85
400 – 700
Dozownik
strzykawkowy
80
200 – 450
Metoda kroplowa
75
50 – 250
Pasty lutownicze
Czynniki określające poprawność nałożenia pasty
• Współczynnik apreturowy wzornika. Grubość wzornika musi być
znacząco mniejsza od najdrobniejszej jego apretury dla
umożliwienia uwolnienia z niego pasty.
• Typ rakli. Metalowe rakle są lepsze od gumowych, ponieważ nie
mają tendencji do zabierania pasty z apretur.
• Prędkość wyciskania. Istotna jest znajomość ograniczeń pasty.
Większość użytkowników pracuje z prędkościami mniejszymi niż
30 mm/s. Jakość wyciskania może spadać ze zwiększeniem
prędkości, o ile pasta nie została specjalnie przygotowana do
nakładania z większymi prędkościami.
• Precyzja wyciskania. Ważne jest, aby pasta nie zanieczyszczała
spodu wzornika. Zanieczyszczenia takie mogą prowadzić do
pojawienia się nadmiaru pasty i pogorszenia jakości wyciskania.
przed elektropolerowaniem
po elektropolerowaniu
• wycinanie laserowe
• elektroformowanie
po elektropolerowaniu i powlekaniu NI
• zastosowanie metod hybrydowych
Pasty lutownicze
Pasta nadrukowana na płytkę najczęściej zachowuje swoją lepkość
przez kilka godzin.
Wilgotność względna przechowywania nadrukowanych
powinna zawierać się w przedziale 45% do 60%.
płyt
Pastę do chwili otwarcia dobrze jest przechowywać w temperaturze
2°C do 10°C. Po otwarciu temperatura przechowywania powinna
mieścić się w zakresie 20°C do 30°C (nie powinna przekraczać
35°C).
Przechowywanie pasty w lodówce pozwala nawet dwukrotnie
przedłużyć okres jej przydatności.
Pasty lutownicze mają tendencję do absorpcji wilgoci, dlatego
należy je przed nią chronić.
Świeżą pastę można zmywać alkoholem izopropylowym.
8