Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego grot lutownicy lub pieca rozpływowego musi być o wiele gorętszy niż temperatura topnienia samego stopu lutowniczego? Jeśli SAC305 w pełni topi się w temperaturze około 220°C, dlaczego ustawiamy szczyt rozpływu? temperatury 20 stopni wyżej? Dlaczego grot lutownicy jest podkręcony do 350°C?
Na pierwszy rzut oka może się to wydawać przesadą. Ale gdy zrozumie się termodynamikę lutowania, ma to sens. Wszystko sprowadza się do tego, w jaki sposób przemieszcza się ciepło i ile z niego jest tracone, zanim dotrze tam, gdzie powinno.
Rola oszczędzania energii
Kiedy źródło ciepła dotyka powierzchni, nie wszystko natychmiast osiąga tę samą temperaturę. Podniesienie temperatury obiektu wymaga czasu i energii. Ciepło musi przepływać do obiektu, aż zgromadzi się na tyle, by spowodować zmianę.
Pomyśl o źródle ciepła jak o kranie wylewającym energię cieplną zamiast wody. Jego włączenie nie powoduje natychmiastowego napełnienia wiadra. Szybkość napełniania wiadra zależy od natężenia przepływu, wielkości wiadra i tego, ile może ono pomieścić. Teraz wyobraźmy sobie, że wiadro przecieka - część wody stale ucieka do otoczenia.
To właśnie dzieje się podczas lutowania. Ciepło nie pojawia się ani nie znika, po prostu rozprowadza się w systemie. Zgodnie z prawem zachowania energii, każdy kawałek ciepła, który stosujemy, jest rozprowadzany gdzieś w systemie. Lut, komponenty, PCB i otaczające powietrze pochłaniają i dzielą się tą energią w różnym tempie.
Dlatego nie tylko podgrzewamy do temperatury topnienia, ale ją przekraczamy. To jak próba napełnienia przeciekającego wiadra: powolny strumień może nigdy go nie zapełnić, ale szybszy przepływ może zniwelować straty. Dodatkowe stopnie służą temu samemu celowi. Kompensują one ciepło utracone na rzecz otoczenia i materiałów. A im większe lub bardziej przewodzące są materiały, tym więcej ciepła odciągają od złącza, pozostawiając mniej dla samego lutowia.
Co Newton ma wspólnego z lutowaniem
Prawo chłodzenia Newtona mówi nam, że szybkość, z jaką obiekt zmienia temperaturę, jest proporcjonalna do różnicy między jego temperaturą a temperaturą otoczenia. Mówiąc prościej: im większa różnica temperatur, tym szybszy transfer ciepła.
W kontekście lutowania, tym "obiektem", który próbujemy podgrzać, jest stop lutowniczy, a co może ważniejsze, powierzchnia, do której ma być zwilżony, taka jak pad PCB lub wyprowadzenie komponentu. Powierzchnie te są zazwyczaj w temperaturze pokojowej lub lekko podwyższonej, podczas gdy grot lutownicy lub powietrze rozpływowe są znacznie gorętsze. Im większa różnica temperatur, tym szybciej i skuteczniej ciepło wpływa do złącza.
Dlatego celowo przekraczamy temperaturę topnienia, aby gwarancja wystarczająca ilość energii cieplnej przedostaje się do lutowia i otaczających materiałów, wystarczająco szybko, aby zainicjować ponowne rozpływanie, zanim ciepło zostanie utracone w innym miejscu.
Dlaczego grot lutownicy musi być o wiele gorętszy niż temperatura topnienia stopu?
Kiedy umieszczasz lutownicę na padzie, nie próbujesz tylko stopić odrobiny stopu. Próbujesz przenieść wystarczającą ilość energii do całej masy termicznej złącza. Obejmuje to miedzianą podkładkę, wyprowadzenie komponentu, platerowany otwór przelotowy i wszelkie pobliskie miedziane płaszczyzny lub przelotki, które działają jak radiatory.
Wszystkie te materiały odciągają ciepło z obszaru połączenia. Tak więc, o ile grot żelazka nie jest znacznie gorętszy niż temperatura topnienia lutowia, ciepło nie będzie przepływać wystarczająco szybko, aby uzyskać pełne, mokre i niezawodne połączenie.
Z tego powodu temperatura końcówki żeliwa wynosi zazwyczaj od 315°C do 370°C, w zależności od stopu i zastosowania. Margines ten zapewnia nam gradient, którego potrzebujemy, aby przezwyciężyć straty ciepła i szybko i konsekwentnie przesunąć złącze poza temperaturę ciekłości.
Nauka stojąca za szczytowymi temperaturami pieców rozpływowych
Piece rozpływowe są jeszcze bardziej precyzyjne. Kiedy ustawimy profil reflowPlanujemy stopniowe nagrzewanie, krótkie namaczanie, a następnie szybki szczyt. Ale ten szczyt jest krytyczny. Jest on celowo ustawiony znacznie powyżej temperatury topnienia lutowia.
Dlaczego? Ponieważ cały zespół płytki musi pochłonąć wystarczającą ilość ciepła, aby każde złącze lutownicze przeszło proces rozpływu. Komponenty różnią się masą i przewodnością cieplną, a atmosfera pieca (powietrze lub azot) nie jest 100% wydajna. Ponadto płyta stale oddaje ciepło do otoczenia.
Gdybyśmy dążyli tylko do 220°C w piecu, lut nigdy by się nie stopił. Celując w szczytową temperaturę od 235°C do 250°C, uwzględniamy wszystkie te zmienne i zapewniamy spójne zwilżanie na całej płycie.
Dynamika płynów stopionego lutowia w wysokich temperaturach
Gdy lut przekroczy swoją temperaturę topnienia, nie tylko stopić się-przekształca się. Jak każda ciecz, zachowanie stopionego lutowia zależy od temperatury, a zmiany te mogą wpływać zarówno na zwilżanie, jak i na końcową jakość połączenia.
Gdy lut rozgrzewa się powyżej temperatury topnienia, jego lepkość spada, co oznacza, że łatwiej płynie. Ten lepszy przepływ może pomóc stopowi lepiej wypełnić szczeliny, pokryć przewody i dopasować się do powierzchni padów, szczególnie w przypadku otworów przelotowych lub złożonych połączeń SMT. Wyższa temperatura zmniejsza również nieznacznie napięcie powierzchniowe, umożliwiając lutowi lepsze "zwilżenie" powierzchni, z którymi się styka.
Jest to jednak pewien kompromis.
Zbyt gorące lutowanie przez zbyt długi czas może zwiększyć ryzyko utleniania, wzrostu międzymetalicznego i uszkodzenia komponentów. Zbyt niska temperatura może nie zapewnić pełnego zwilżenia lub całkowitego rozpływu. Istnieje wąskie okno termiczne, w którym lut jest najbardziej skuteczny - wystarczająco gorący, aby zachowywać się optymalnie jako płyn, ale nie tak gorący, że zaczyna pogarszać wydajność lub niezawodność.
Praktyczne implikacje: Niezawodne połączenia i spójne wyniki
W końcu zrozumienie transferu ciepła w lutowaniu to nie tylko fizyka, ale także niezawodność. Każde dobre połączenie stanowi udaną równowagę między transferem energii, kompatybilnością materiałów i czasem.
Celowo stosując ciepło znacznie powyżej temperatury topnienia:
- Zapewnienie całkowitego rozpływu w różnych typach płyt i komponentów
- Przezwyciężenie efektu masy termicznej i radiatora
- Maksymalizacja zwilżania i wytrzymałość stawów
- Minimalizacja usterek takie jak zimne połączenia, puste przestrzenie lub niekompletne wypełnienia
I robimy to wszystko, pracując wbrew zegarowi. Ciepło zawsze próbuje uciec - do komponentów, płyty, powietrza wokół nas. Im lepiej rozumiemy i kontrolujemy ten proces, tym lepsze osiągamy wyniki.
Przemyślenia końcowe
Następnym razem, gdy będziesz włączać lutownicę lub sprawdzać profil reflow, nie myśl tylko o osiągnięciu określonej liczby. Pomyśl o dlaczego ta liczba ma znaczenie. Nie chodzi o brutalną siłę. Chodzi o precyzję, planowanie i fizykę.
Lutowanie jest procesem termicznym i jak każdy proces termiczny, podlega prawom wymiany ciepła. Prawo chłodzenia Newtona może brzmieć akademicko, ale w praktyce pomaga wyjaśnić prawie każde wyzwanie i sukces, które widzimy dzisiaj w montażu.
Potrzebujesz pomocy w wyborze profilu termicznego? Pobierz nasz Dodatki do profilu reflow w celu uzyskania wskazówek dostosowanych do każdego stopu i zastosowania.
