Autor: Gayle Towell
Dross formacja jest nieuniknioną konsekwencją lutowanie falowe. Powstaje, gdy stopiony lut styka się z tlenem, tworząc tlenki metali, które unoszą się na powierzchni kąpieli lutowniczej. Z czasem ten produkt uboczny utleniania gromadzi się i musi zostać usunięty, aby zachować jakość lutu i spójność procesu. Chociaż obecność żużlu jest zjawiskiem oczekiwanym, tempo jego powstawania — oraz wysiłek wymagany do jego usunięcia — mogą się znacznie różnić w zależności od kilku zmiennych procesowych i materiałowych.
Często zadawane pytanie przez zespoły produkcyjne brzmi: ile żużlu jest normą? W rzeczywistości nie ma uniwersalnego punktu odniesienia. Na poziom żużlu wpływa szereg czynników, w tym proces stopiania lutowia, temperatura i mieszanie kąpieli lutowniczej, obecność zanieczyszczeń pochodzących z montażu oraz ogólny stan sprzętu. To, co może być dopuszczalne w jednym procesie, może być nadmierne w innym.
W niniejszym artykule przedstawiono główne czynniki wpływające na powstawanie żużlu, przeanalizowano rolę metod rafinacji stopów oraz omówiono praktyczne sposoby ograniczenia powstawania żużlu poprzez kontrolę procesów i optymalizację urządzeń. Szczególną uwagę poświęcono stosowaniu dodatków, takich jak fosfor, oraz wyzwaniom związanym z utrzymaniem stałego poziomu redukcji żużlu w czasie.
Czym są opary lutownicze i dlaczego się tworzą?
Gdy stopiony lut jest wystawiony na działanie powietrza, reaguje z tlenem, tworząc tlenki metali — głównie tlenek cyny w większości lutów elektronicznych. Tlenki te, często w połączeniu ze spalonymi pozostałościami organicznymi, unoszą się na powierzchnię i tworzą żużel.
Jeśli nie będzie regularnie usuwany, żużel może zakłócić proces, wpływając na przepływ lutowia i obniżając jakość płytki drukowanej.
Żużel powstaje zazwyczaj w wyniku normalnego utleniania, a nie zanieczyszczeń stopu. Jednak nadmierne lub szybkie tworzenie się żużlu może sygnalizować problemy z zawartością tlenku stopu, temperaturą procesu lub turbulencjami.
Na szybkość tworzenia się żużlu wpływa kilka czynników — przede wszystkim skład stopu, temperatura lutownicy, ruch falowy oraz zanieczyszczenia pochodzące z płytek lub komponentów.
Skład stopu i zawartość tlenków
Cynka lutownicza wytwarzana z “czystych” metali nie jest z natury niskopopiołowa. Jeśli proces stopowania powoduje wprowadzenie tlenków lub nie usuwa ich skutecznie, powstała cynka lutownicza może wykazywać tempo utleniania podobne lub gorsze niż słabo przetworzone stopy pochodzące z recyklingu. Tlenki, które pozostają w stanie zawieszenia w stopie, przyczyniają się bezpośrednio do wczesnego i trwałego tworzenia się popiołu po rozpoczęciu stosowania cynki lutowniczej.
Z drugiej strony, lut w postaci prętów, wytwarzany przy użyciu kontrolowanych procesów minimalizujących powstawanie tlenków, ma tendencję do wolniejszego i bardziej przewidywalnego tworzenia żużlu. Kluczowym czynnikiem nie jest to, czy metale są nowe, czy pochodzą z recyklingu, ale czy tlenki i zanieczyszczenia podatne na utlenianie zostały odpowiednio usunięte podczas procesu stopowania i odlewania.
Warunki termiczne
Temperatura lutownicy jest jednym z najbardziej bezpośrednich czynników przyczyniających się do powstawania żużlu. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również szybkość utleniania. W przypadku eutektycznego Sn63/Pb37 typowe temperatury robocze mieszczą się w zakresie od 480°F do 490°F (około 250°C do 255°C). W przypadku SAC305 i podobnych stopów bezołowiowych temperatury w tyglu są zazwyczaj wyższe — często wynoszą od 500°F do 520°F (260°C do 271°C).
Praca powyżej tych zakresów może znacznie przyspieszyć tworzenie się tlenków. Jednak obniżenie temperatury tygla w celu ograniczenia powstawania żużlu musi być zrównoważone potrzebami procesu, ponieważ zbyt niska temperatura może negatywnie wpłynąć na wypełnienie otworów, zwilżanie i ogólną wydajność lutowania.
Charakterystyka fal i wzburzenie
Mechaniczne mieszanie powierzchni lutowia, zwłaszcza w przypadku konstrukcji z falami burzliwymi, zwiększa powstawanie żużlu. Gdy lutowie jest statyczne, mniejsza powierzchnia jest wystawiona na działanie powietrza, a utlenianie przebiega wolniej. W systemach opartych na falach chipowych lub generujących stały ruch na styku lutowia z powietrzem powierzchnia wystawiona na działanie powietrza zwiększa się, co prowadzi do szybszego utleniania.
Konstrukcja fali, stan pompy i stosowanie trybów czuwania mają wpływ na ilość lutowia wystawionego na działanie powietrza w danym momencie. Systemy wyposażone w inteligentną kontrolę fali, które zmniejszają mieszanie, gdy nie ma płytek, zazwyczaj wytwarzają mniej żużlu w miarę upływu czasu.
Zanieczyszczenia pochodzące z zespołów
Płytki drukowane i komponenty wprowadzają dodatkową złożoność. Miedź, złoto, nikiel i inne wykończenia powierzchni mogą rozpuszczać się w tyglu lutowniczym, subtelnie zmieniając zachowanie stopu i zwiększając tworzenie się wtrąceń międzymetalicznych lub tlenkowych. Zanieczyszczenia organiczne, takie jak pozostałości topnika, mogą również wchodzić w interakcje ze stopionym lutem, tworząc niepożądane produkty uboczne.
Regularna analiza lutownicy może pomóc w identyfikacji rosnącego poziomu zanieczyszczeń i wskazać działania naprawcze. Utrzymanie poziomu zanieczyszczeń w granicach zalecanych przez IPC jest niezbędne nie tylko dla zminimalizowania ilości żużlu, ale także dla zapewnienia niezawodności połączeń.
Dodatki i metody redukcji żużlu
Wysiłki mające na celu ograniczenie powstawania żużlu zazwyczaj przebiegają dwoma głównymi ścieżkami: zmianą samego stopu lutowniczego lub modyfikacją środowiska, w którym odbywa się lutowanie. Oba podejścia mają na celu spowolnienie utleniania i ograniczenie gromadzenia się bezużytecznego materiału.
Aby ograniczyć utlenianie i zmniejszyć ilość żużlu, w niektórych procesach stosuje się dodatki, takie jak dostępne w handlu środki powierzchniowo czynne do lutowania. Chociaż mogą one być skuteczne, wiążą się również z pewnymi wyzwaniami: koniecznością utrzymywania dodatkowego materiału w procesie, zapewnieniem odpowiedniego dozowania oraz zarządzaniem potencjalną niestabilnością lub niepożądanymi interakcjami ze stopem lutowniczym lub zanieczyszczeniami.
Fosfor jako dodatek zmniejszający ilość żużlu
Jedną z powszechnie stosowanych metod ograniczania widocznych zanieczyszczeń jest dodawanie fosforu. Fosfor działa jako zmiatacz tlenu, utleniając się przed cyną w stopie, co ogranicza powstawanie zanieczyszczeń. Dla producentów pracujących z materiałami o wyższej zawartości tlenku dodatek fosforu stanowi stosunkowo prosty sposób na poprawę wyglądu i pewne ograniczenie ilości odpadów.
Jednak stosowanie fosforu ma pewne istotne wady. Ma on tendencję do osadzania się na elementach żelaznych w tyglu lutowniczym, takich jak pompy i przegrody, co często prowadzi do zatykania lub gromadzenia się osadu na powierzchni. W niektórych systemach gromadzenie się osadu może prowadzić do zaburzeń przepływu lub niestabilności fali. Ponadto fosfor jest łatwo usuwany z tygla podczas usuwania żużlu, co oznacza, że jego stężenie może z czasem spaść, chyba że jest dokładnie monitorowane i uzupełniane.
W podwyższonych stężeniach fosfor może również zakłócać zwilżanie. Badania wykazały, że poziom fosforu powyżej 0,011 TP3T w masie może przyczyniać się do odzwilżania i pękania połączeń lutowanych. Stanowi to długoterminowe zagrożenie w przypadku zespołów o wysokiej niezawodności, zwłaszcza gdy poziom fosforu nie jest rutynowo analizowany, ponieważ konwencjonalna analiza lutownicy zazwyczaj nie obejmuje tego pierwiastka.
Modyfikacja atmosfery (obróbka azotem)
Innym podejściem jest ograniczenie ilości tlenu dostępnego do utleniania. Odbywa się to poprzez obojętnienie środowiska lutowania azotem. Obniżenie poziomu tlenu w otoczeniu do 50–100 ppm znacznie spowalnia tempo tworzenia się tlenku, a co za tym idzie, gromadzenia się żużlu.
Wykazano, że inertyzacja azotem zmniejsza powstawanie żużlu nawet o 90% w niektórych systemach lutowania falowego. Poprawia również zwilżanie poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego stopionego lutowia. Korzyści te wiążą się jednak z dodatkową złożonością: systemy inertyzacji wymagają infrastruktury do obsługi gazu, urządzeń do kontroli przepływu, a w niektórych przypadkach modyfikacji samej maszyny lutowniczej.
Minimalizacja odpadów dzięki stabilności procesu
W wielu przypadkach najskuteczniejszym sposobem ograniczenia powstawania żużlu nie jest dodawanie nowych elementów, ale kontrola tego, co już istnieje. Utrzymanie odpowiedniej temperatury lutownicy, minimalizacja turbulencji fali i utrzymanie sprzętu w dobrym stanie technicznym mogą mieć znaczący wpływ na poziom żużlu. Ponadto zapewnienie czystości zespołów i ich kompatybilności z używanym stopem lutowniczym pomaga ograniczyć wprowadzanie obcych materiałów, które mogą powodować utlenianie.
Zaawansowane receptury lutów w postaci sztabek, które są produkowane z niską zawartością zawieszonych tlenków — w przeciwieństwie do tych, które wymagają obróbki chemicznej po produkcji — wykazują zazwyczaj bardziej stabilne zachowanie w długim okresie pod względem powstawania żużlu. Materiały te są mniej reaktywne, mniej podatne na regenerację tlenków podczas użytkowania i ogólnie łatwiejsze w utrzymaniu podczas długich serii produkcyjnych.
Zarządzanie żużlem i stanem tygla lutowniczego
Nawet w optymalnych warunkach nie da się całkowicie uniknąć powstawania żużlu. Dlatego tak ważne jest regularne czyszczenie tygla lutowniczego i sprzętu do niego. Skuteczne zarządzanie żużlem to nie tylko usuwanie tlenku z powierzchni, ale też monitorowanie poziomu zanieczyszczeń, wczesne wykrywanie oznak niestabilności i utrzymywanie stałych parametrów pracy.
Usuwanie żużlu i kondycjonowanie sprzętu
Usuwanie żużlu powinno odbywać się ostrożnie, aby uniknąć usunięcia nadmiernej ilości dobrego stopu wraz z warstwą tlenku. W niektórych przypadkach, szczególnie po zmianie lutowia lub dodaniu nowego lutowia w postaci sztabek, pozostałości tlenków lub osady na ściankach tygla, wałach pomp lub przegrodach mogą ponownie zmieszać się z lutowiem. Kontrolowany okres “wygrzewania” — podczas którego tygiel lutowniczy jest utrzymywany w temperaturze roboczej w stanie statycznym przez całą noc — może pomóc w osadzeniu i oddzieleniu zawieszonych tlenków od nowej porcji lutowia.
Po tym etapie kondycjonowania dokładne, ale delikatne usunięcie nagromadzonych zanieczyszczeń pomaga ustabilizować tygiel i zmniejszyć ryzyko przedwczesnego utleniania podczas uruchamiania.
Analiza tygla lutowniczego i integralność stopu
Chociaż żużel jest widocznym wskaźnikiem utleniania, wiele zmian chemicznych zachodzi w kąpieli lutowniczej na długo przed tym, zanim staną się one widoczne na powierzchni. Regularna analiza tygla lutowniczego — zazwyczaj przeprowadzana co miesiąc lub co kwartał — zapewnia wgląd w gromadzenie się zanieczyszczeń, takich jak miedź, złoto, cynk, aluminium i żelazo. Pierwiastki te mogą dostać się do tygla z końcówek elementów, powłoki płytki drukowanej, a nawet samego stopu.
Normy takie jak IPC J-STD-001 i IPC J-STD-006 określają dopuszczalne poziomy tych zanieczyszczeń. Przekroczenie tych limitów może prowadzić do szeregu problemów, w tym:
- Zmniejszone zwilżanie lub przepływ
- Wady połączeń (np. puste przestrzenie lub niepełne wypełnienie)
- Zmiany w zachowaniu stopu lutowniczego podczas topnienia
W systemach bezołowiowych szczególną uwagę zwraca się na pierwiastki takie jak nikiel i bizmut ze względu na ich niską rozpuszczalność i wpływ na tworzenie się związków międzymetalicznych. Gdy poziom zanieczyszczeń zbliża się do wartości progowych, działania naprawcze mogą obejmować rozcieńczenie świeżym stopem, usunięcie żużlu o wysokiej zawartości zanieczyszczeń lub, w poważniejszych przypadkach, całkowite opróżnienie kadzi i ponowne jej napełnienie.
Programy recyklingu i odzyskiwania żużlu
Ponieważ żużel zawiera znaczną ilość metalu nadającego się do ponownego wykorzystania, recykling stanowi ważny element kontroli kosztów w procesie lutowania falowego. Dobrze zarządzany program odzyskiwania umożliwia producentom odzyskanie wartości z materiałów, które w innym przypadku zostałyby uznane za odpady. Zebrane żużle mogą być przetwarzane przez wyspecjalizowane usługi odzyskiwania metali w celu wydobycia ponownie używalnego lutu, który jest następnie zwracany lub zwracany w postaci nadającej się do ponownego użycia.
Podczas gdy niektóre placówki próbują wdrożyć wewnętrzne systemy recyklingu—takie jak urządzenia do redukcji żużlu na miejscu—takie rozwiązania mogą wiązać się z nowymi wyzwaniami. W wielu przypadkach systemy te opierają się na obróbce chemicznej lub termicznej, która generuje opary, zwiększa wymagania konserwacyjne lub wprowadza zmienność do odzyskanego lutowia. Jeśli nie jest ściśle kontrolowany, recykling wewnętrzny może prowadzić do niejednolitej jakości stopu i ryzyka zanieczyszczenia.
W przypadku większości operacji współpraca z wykwalifikowanym zewnętrznym partnerem zajmującym się odzyskiwaniem materiałów stanowi bardziej spójne i opłacalne rozwiązanie, gwarantujące zgodność odzyskanego lutu z normami jakościowymi oraz minimalizujące zakłócenia w procesie produkcyjnym.
Wnioski
Tworzenie się żużlu jest nieodłącznym elementem lutowania falowego, spowodowanym głównie utlenianiem powierzchni lutowia. Ostatecznie, konsekwentna kontrola procesu, odpowiedni dobór stopu i regularna konserwacja stanowią najbardziej niezawodny sposób na zminimalizowanie powstawania żużlu i zachowanie jakości lutowia. Dobrze zarządzany system lutowania nie tylko zmniejsza ilość odpadów materiałowych, ale także zapewnia długoterminową stabilność, niezawodność produktu i wydajność produkcji.
Pierwotnie opublikowane w Circuitnet