Topniki i spoiwa w elektronice

Topniki i spoiwa w elektronice

Lutowanie, jest czynnością, którą chyba każdy – nawet laik – kojarzy z typowym zajęciem elektronika. Nie jest to dalekie od prawdy, bo niezależnie od tego czy projektujemy, produkujemy czy serwisujemy urządzenie elektroniczne, coś najpewniej będzie lutowane. Niezbędnymi do tej czynności są natomiast trzy rzeczy – lutownica, spoiwo i topnik. W poniższym artykule przyjrzymy się bliżej tym dwóm ostatnim.

Encyklopedia PWN definiuje lutowanie, jako łączenie metali i stopów za pomocą lutu. W procesie tym roztopione spoiwo wypełnia szczeliny pomiędzy łączonymi detalami. Temperatura topnienia spoiwa jest znacznie niższa, niż temperatura topnienia lutowanych elementów, więc one nie ulegają stopieniu (w odróżnieniu od procesu spawania). W elektronice, do łączenia elementów używa się lutowania miękkiego, tj. ze spoiwem topiącym się w temperaturze poniżej 450°C (zazwyczaj od 180 do 250°C).

Połączenia lutowane w elektronice

W urządzeniach elektronicznych połączenia lutowane pozwalają na wytworzenie stałych, przewodzących połączeń pomiędzy, na ogół, wyprowadzeniami elementów elektronicznych z polami lutowniczymi na płytce drukowanej. Z uwagi na to, połączenie lutowane zapewnia nie tylko połączenie mechaniczne dwóch elementów, ale także musi zapewniać połączenie elektryczne, a często także termiczne.

Istnieje wiele metod ręcznego oraz automatycznego lutowania, wykorzystywanych w elektronice. Każda z tych metod ma swoje wymagania w zakresie spoiw i topników. Do ręcznego montażu stosuje się lutownice ręczne i, coraz częściej, lutownice na gorące powietrze. Jeśli chodzi o metody lutowania przemysłowego, obecnie stosuje się lutowanie na fali (zwłaszcza dla elementów THT) oraz rozpływowego (dla elementów SMD).

Spoiwa używane w elektronice

Zadaniem spoiwa jest połączenie elementów lutowanych. Używane w elektronice spoiwa muszą dobrze przewodzić prąd elektryczny i topić się w dosyć niskiej temperaturze.

Fotografia 1. Spoiwo lutownicze ze stopu cyny i ołowiu

Do niedawna, używało się ,jako spoiwa, stopu cyny i ołowiu w stosunku 63:37. Stop tych metali w takich proporcjach wykazuje własności eutektyczne. Mieszanka eutektyczna, to taka, która topi się w ustalonej temperaturze, niższej niż temperatura topnienia każdego ze składników. W przypadku stopu Sn63Pb37 temperatura ta wynosi 183°C.

Fotografia 2. Spoiwo lutownicze bezołowiowe

Obecnie, z uwagi na szkodliwość ołowiu, w większości zastosowań nie stosuje się już stopów zawierających ten metal. Europejska dyrektywa RoHS, która weszła w życie w 2006 roku dokładnie określa, jakich niebezpiecznych materiałów nie można używać w elektronice oraz to, jakiego rodzaju urządzenia wyłączone są spod tych wymagań.

Z uwagi na to, że jeszcze nie do końca poznane są mechanizmy starzenia spoiw bezołowiowych, nie stosuje się ich m. in. we wszczepianych urządzeniach medycznych, a w niektórych krajach, także w systemach lotniczych i niektórych systemach telekomunikacyjnych.

Fotografia 3. Spoiwo lutownicze w postaci prętów

Spoiwa bezołowiowe nadal bazują na cynie, jako podstawowym składniku. Jako dodatki stopowe w tych spoiwach wykorzystuje się miedź, srebro, bizmut, ind, cynk, antymon, jak i śladowe ilości innych metali.

Fotografia 4. Pasta lutownicza (spoiwo)

Lutowia tego rodzaju mają na ogół wyższą temperaturę topnienia, od około 50, po nawet 200°C wyższą, niż eutektyczne spoiwo cynowo-ołowiowe. Dodatkowo, spoiwo bezołowiowe ma wyższe wymagania, jeśli chodzi o ilość topnika – rekomenduje się, co najmniej 2% objętości, dla zapewnienia dobrej zwilżalności lutowanych detali.

Fotografia 5. Szablon do nakładania pasty lutowniczej

Spoiwo występuje w wielu formach i kształtach, zależnie od danego procesu technologicznego. Przy ręcznym lutowaniu najczęściej stosuje się je w postaci drutu. W handlu dostępne są druty lutownicze o różnej średnicy, od 0,25 mm do 4 mm. Dostępne są również grubsze płaskowniki i pręty cynowe, jednakże rzadko stosuje się je do lutowania ręcznego. Średnicę drutu dobiera się do wielkości lutowanych elementów. W większości przypadków do lutowania drobnych elementów SMD stosuje się drut o średnicy 0,25 mm lub 0,5 mm.

Do lutowania na fali, które potrzebuje dużej ilości roztopionego spoiwa w wannie lutowniczej, stosuje się najczęściej spoiwo w formie płaskowników, prętów trójkątnych lub sztabek. W przypadku użycia spoiwa bezołowiowego do lutowania na fali, stosuje się często tytanowy osprzęt wanny lutowniczej (mieszadła, łopatki pomp, itp.), aby zredukować koszty serwisowania urządzenia, zwiększane przez spoiwo bezołowiowe. W przypadku dużych instalacji, aby zachować wysoką wydajność procesu i bezobsługowość tych urządzeń, stosuje się nawet tytanowe wkładki do wanien z lutowiem, co wydłuża czas pomiędzy poszczególnymi serwisami układu.

W przypadku lutowania rozpływowego nie stosuje się lutowia w czystej postaci w formie stałej lub ciekłej, nakładanego na pola lutownicze. Zamiast tego, używa się pasty lutowniczej, która nakładana jest selektywnie na pola lutownicze (poprzez maskę, aplikatorem z igłą, ręczną strzykawką etc). Pasta lutownicza jest mieszanką spoiwa (w postaci proszku) oraz topnika.

Topniki – zastosowanie i rodzaje

Topnik ma zadanie pomocnicze podczas lutowania. Poprawia topliwość spoiwa (np. redukując temperaturę topnienia) oraz zabezpiecza je przed utlenieniem. Dodatkowo, topnik pomaga w oczyszczeniu podczas lutowania łączonych powierzchni z tlenków i innych zanieczyszczeń. Często zwiększa zwilżalność powierzchni przez spoiwo, redukując napięcie powierzchniowe stopionego lutowia.

Fotografia 6. Najczęściej stosowany topnik – kalafonia

Przez wiele lat, najczęstszym topnikiem, używanym w elektronice, była kalafonia i jej pochodne. Kalafonia to miękka pozostałość po oddestylowaniu terpentyny z żywicy drzewa iglastego. W ok. 90% składa się z dwóch kwasów – abietynowego i pimarowego.

Fotografia 7. Pasta do lutowania (topnik)

Najczęściej produkuje się ją z żywicy sosnowej. Kalafonia jest idealnym topnikiem, ponieważ w temperaturze pokojowej jest mało reaktywna i nieprzewodząca. Po podgrzaniu (np. podczas lutowania) staje się odrobine bardziej reaktywna i może skutecznie usuwać tlenki i inne zanieczyszczenia.

Fotografia 8. Topnik no-clean

Do lutowania można stosować też delikatne kwasy, takie jak kwas cytrynowy, ale wymagają one mycia płytek po lutowaniu, z uwagi na to, że są reaktywne także w temperaturze pokojowej.

Fotografia 9. Topnik w postaci żelu, stosowany do montażu BGA

Obecnie wyróżnia się trzy rodzaje topników, używanych w elektronice:

  1. Rozpuszczalne w wodzie – na ogół wysoko reaktywne topniki, które należy usunąć z płytki drukowanej zaraz po lutowaniu. Zmywają się one wodą i nie wymagają używania rozpuszczalników organicznych. Na ogół bazują na delikatnych kwasach organicznych i nie mają dodatku kalafonii.
  2. Topniki no-clean – klasa delikatnych topników, niewymagających usuwania po procesie lutowania – nie pozostawiają reaktywnych ani przewodzących pozostałości, jednakże są widoczne na płytkach drukowanych. Normy dotyczące PCB (np. IPC) mówią, że o ile pozostałości po topniku no-clean nie utrudniają wizualnej inspekcji płytki drukowanej, ani nie uniemożliwiają dostępu do pól testowych, pozostałość taka jest akceptowalna. Należy jednakże zadbać, by powierzchnie aktywne złącz były czyste od zabrudzeń topnikiem.
  3. Tradycyjne topniki oparte na kalafonii – topniki te dostępne są w trzech wersjach: nieaktywowanej (R), lekko aktywowanej (RMA) i w pełni aktywowanej (RA), które różnią się aktywnością chemiczną. Topniki RA i RMA posiadają dodatek, najczęściej kwasu, do kalafonii, który powoduje zwiększenie jej aktywności, nawet w temperaturze pokojowej. Dodatki te zwiększają zwilżalność powierzchni, ułatwiając lutowanie. Pozostałość po lutowaniu z wykorzystaniem topnika RA pozostają korozywne, więc muszą być oczyszczone. Pozostałości po topnikach RMA są mniej żrące, dzięki czemu czyszczenie PCB po lutowaniu jest opcjonalne, jednakże nadal się je rekomenduje.
Fotografia 10. Topnik do lutowania stali

Pozostałości po topnikach R nie są aktywne w temperaturze pokojowej i w związku z tym nie muszą być usuwane po lutowaniu.

Fotografia 11. Kwas do lutowania

Podsumowanie

Dobór topnika, do danej operacji, jest sprawą indywidualną i wynikającą z szeregu kwestii. Do lutowania maszynowego nowych elementów może się dobrze sprawić topnik no-clean, ale w przypadku np. serwisu używanego sprzętu lub instalowania wylutowanych komponentów pomocne mogą być bardziej reaktywne topniki np. z aktywowaną kalafonią lub oparte na kwasach organicznych.

Nikodem Czechowski, EP

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów