Rodzaje Lutowania PCB i Proces Montażu

Pamiętam, kiedy zaczynałem pracę w laboratorium i czasami musiałem lutować przewody do metalowych punktów kontaktowych. Pracowaliśmy z materiałami półprzewodnikowymi, ale ten sam rodzaj materiału może być używany do lutowania PCB, wszystko to kwestia wyboru odpowiedniego związku chemicznego do włączenia do procesu produkcji PCB. 

Proces produkcji PCB obejmuje wiele etapów, od tworzenia pustej płytki drukowanej po montaż i pakowanie. Jako część procesu montażu PCB, istnieje wiele różnych rodzajów lutowania PCB, które są używane do łączenia komponentów. Różne rodzaje lutowania mają różne właściwości mechaniczne, czynniki bezpieczeństwa i obawy dotyczące przetwarzania odpadów, które należy wziąć pod uwagę podczas planowania montażu. Przejście na elektronikę bez ołowiu spycha użycie lutowia ołowiowego na margines.

Nie będę teraz dyskutować na temat lutowania ołowiowego w porównaniu do bezolowiowego, ponieważ w internecie jest już bardzo dużo informacji na ten temat. Teraz, przyjrzyjmy się różnym rodzajom lutowania PCB, konkretnie różnym materiałom i procesom. ## Materiały do Lutowania PCB

Na rynku dostępnych jest wiele różnych rodzajów lutów, a wybór najlepszego lutowia może wydawać się zniechęcającym zadaniem dla osób nowych w projektowaniu lub montażu. Lutowie jest używane do tworzenia połączeń elektrycznych między metalowymi punktami styku poprzez umożliwienie stopieniu się lutowia (miękkiego stopu), które tworzy stop eutektyczny topniejący i twardniejący podczas chłodzenia. Mieszanina metali tworząca zalutowaną PCB określi wytrzymałość mechaniczną po zastygnięciu, wymaganą temperaturę topnienia oraz wszelkie emisje gazów podczas lutowania. Możemy odróżnić różne rodzaje materiałów do lutowania PCB, analizując materiał rdzenia, skład metalu oraz rodzaje topników.

Skład Metaliczny

Spoiny lutownicze zawierające ołów są znane jako miękkie luty i stanowiły początek dla przemysłu elektronicznego. Mają one temperaturę topnienia w okolicach 180-190 °C i okres przydatności do użycia około 2 lat. Popularne spoiwa lutownicze na bazie ołowiu obejmują:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Inne stosunki Sn/Pb obejmują 50/50, 30/70 i 10/90. Cyna jest głównie używana jako metal bazowy, ponieważ obniża temperaturę topnienia stopu, a ołów zapobiega tworzeniu się "wąsów" cyny. Wyższe stężenie cyny zapewnia większą wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie spoiny. Dodatek srebra w składzie 62/36/2 Sn/Pb/Ag zapewnia niższą rezystancję styku i lepszą odporność na korozję. Należy zauważyć, że istnieją inne rodzaje lutów (ind, stop cynku itp.), ale nie są one używane w PCB, ponieważ nie są kompatybilne z procesem produkcji PCB.

Różne rodzaje lutowania PCB. *Lutowanie Sn-Pb 60/40 do lutowania ręcznego nadal jest sprzedawane w postaci takich rolek.*

Lutowanie bezołowiowe staje się coraz bardziej popularne od kiedy Unia Europejska (UE) przyjęła Dyrektywę o Ograniczeniu Stosowania Niebezpiecznych Substancji (RoHS), ograniczając użycie ołowiu w elektronice. Jednym z problemów związanym z lutowaniem bezołowiowym jest wysokie ryzyko tworzenia się włosów cyny. Powłoka zgodna jest często stosowana, aby zapobiec tworzeniu się włosów cyny oraz zapewnić ochronę przed wilgocią i korozją.

Lutownica z rdzeniem topnikowym jest sprzedawana w postaci pojedynczego zwijania i zawiera substancję redukującą w rdzeniu. Ta substancja redukująca (o której omówię poniżej) usuwa wszelkie warstwy tlenków na metalowych punktach styku, aby zapewnić elektryczne połączenie o wysokiej przewodności. Rodzaj materiału zawartego w rdzeniu to kolejny aspekt, który należy rozważyć, jeśli lutowanie odbywa się ręcznie.

Materiał rdzeniowy spoiwa i topnik

Drut spawalniczy lub pasta spawalnicza będzie zawierać jeden z tych materiałów, aby stopić punkty kontaktowe metalu podczas lutowania:

• Rozpuszczalniki kwasowe organiczne: Typ rozpuszczalnika opartego na kwasie, który zapewnia silną zdolność do usuwania tlenków z metalowych punktów styku podczas lutowania. Rozpuszczalnik ten jest rozpuszczalny w wodzie i wymaga oczyszczenia po lutowaniu, aby zapobiec korozji.
• Rozpuszczalniki żywiczne: Żywica jest stałą formą żywicy ekstrahowanej z drzew iglastych. Osad z rozpuszczalnika żywicznego nie powoduje korozji, dlatego jest używany, gdy usunięcie osadu z rozpuszczalników kwasowych organicznych może być trudniejsze.
• Rozpuszczalniki nie wymagające czyszczenia na bazie alkoholu: Te rodzaje rozpuszczalników mogą być obecne w pastach lutowniczych i mogą być mieszane z żywicą. Są one również szybko ulatniające się podczas nagrzewania i mają mniejszą tendencję do rozpryskiwania.
• Lutowanie z rdzeniem stałym: Niektóre druty lutownicze mają stały rdzeń i nie zawierają żadnych rozpuszczalników, więc rozpuszczalnik musi być stosowany ręcznie. Ten rodzaj lutowania jest przydatny do lutowania ręcznego, o ile używa się rozpuszczalnika.

Po zakończeniu lutowania, płyn lutowniczy używany w procesie może pozostawić na powierzchni PCB pewne osady, które mogą wydawać się lepkie. Te osady mogą lekko przewodzić prąd i zawierać sole, dlatego zwykle są czyszczone po montażu. Często uważa się, że osady z płynu lutowniczego, które nie wymagają czyszczenia, mogą pozostać na PCB po montażu, ale to nie zawsze jest prawdą. Płyny lutownicze, które nie wymagają czyszczenia, faktycznie powinny być czyszczone za pomocą roztworu alkoholowego lub sprayu czyszczącego.

Zanieczyszczenia pochodzące od cieczy lutowniczej, które nie wymagają czyszczenia, powinny zostać usunięte z PCBA z wielu powodów. Najważniejszym powodem jest to, że resztki cieczy lutowniczej bardzo łatwo wchłaniają wilgoć, mogą rozpuszczać się w wodzie i zawierać sole. Jeśli woda zostanie wchłonięta przez zanieczyszczenia, prąd upływu przez zanieczyszczenia może powodować korozję na stykach elektrycznych. Prosty proces czyszczenia po montażu może zapobiec temu problemowi.

Procesy Lutowania PCB

Dzisiaj najpopularniejszym rodzajem lutowania w PCB jest lutowanie bezołowiowe (Sn-Cu) z rdzeniem z żywicy kolofonowej. Chyba że Twój montażysta pracuje nad pojedynczą płytką drukowaną lub sam montujesz swoją płytkę, PCBA nie będzie lutowana ręcznie. Zamiast tego przejdzie przez automatyczny proces:

• Lutowanie falowe: Stosowane dla komponentów przewlekanych
• Lutowanie ponowne: Stosowane dla komponentów SMT w piecu do lutowania ponownego
• Lutowanie selektywne: Stosowane, gdy komponent przewlekany może zostać uszkodzony przez wysoką temperaturę lub nie jest odpowiedni do procesów lutowania falowego i ponownego
• Lutowanie przez zanurzenie: Stosowane do aplikacji pasty lutowniczej na komponenty przewlekane, a złącza lutownicze są formowane w otworach przewlekanych w procesie lutowania ponownego

Flux/pasta jest najpierw aplikowana na metalowe punkty kontaktowe na płytce drukowanej, aby zmniejszyć utlenianie i wyrównać przepływ stopionego lutu, co zwiększa wytrzymałość gotowego połączenia lutowniczego na PCB. Większość projektantów prawdopodobnie założy, że musisz montować komponenty z wyprowadzeniami bezołowiowymi, używając pasty lutowniczej bezołowiowej, ale to nie jest ścisły wymóg. Według grupy ekspertów od lutowania, mieszanie tych materiałów nie jest rzadkością, chociaż warto zauważyć, że ostateczny stop, który tworzysz, może mieć właściwości mechaniczne pośrednie między stopem na bazie Pb a stopem bezołowiowym. 

Inny rodzaj lutowania związany z procesem przepływu ponownego to lutowanie inwazyjne. W tym procesie, pasta lutownicza jest aplikowana na elementy przewlekane, a komponenty są następnie przepływane ponownie lub lutowane selektywnie za pomocą lutownicy. Gdy wymagana jest wysoka przepustowość, płytki drukowane są często przepuszczane przez piec w celu utworzenia połączeń lutowniczych.

Podczas procesu lutowania, pasta lutownicza, która jest stosowana, wnika do otworów i łączy się z nóżkami komponentów. Proces ten jest dość prosty:

1. Pasta lutownicza jest aplikowana do otworów za pomocą automatycznego dozownika pasty lub przez szablon
2. Płytka drukowana jest wprowadzana do procesu przepływowego, a złącza lutownicze są formowane w standardowym procesie
3. Resztki topnika z pasty lutowniczej są czyszczone i usuwane z powierzchni

Jeśli komponent typu through-hole ma być lutowany metodą przelotową, płyta PCB będzie wymagała otworu w masce lutowniczej wokół otworu przelotowego. W zależności od rozmiaru nóżek komponentu i obszaru lutowania, wymagany otwór w masce może być dość duży. Jeśli lutowanie przelotowe jest wymagane dla Twojego procesu montażowego, Twój montażysta może zasugerować otwory w masce lutowniczej, lub mogą oni zastosować wymagane otwory w Twoim pliku Gerber. Zawsze, gdy masz pytania dotyczące procesu lutowania, upewnij się, że skontaktujesz się z montażystą, aby uzyskać wskazówki. 

Kiedy potrzebujesz stworzyć dokumentację dostaw produkcyjnych dla swojej płytki drukowanej, w tym wszelkie niezbędne kroki montażowe i zgodność z przepisami, skorzystaj z pełnego zestawu funkcji projektowania i produkcji PCB w Altium Designer®. Po utworzeniu plików Gerber i innych plików produkcyjnych, możesz szybko stworzyć rysunki montażowe i dodać adnotacje, aby określić swoje wymagania montażowe. Bardzo łatwo jest określić różne rodzaje materiałów lutowniczych PCB, które możesz chcieć użyć w swoim następnym PCBA.

Kiedy już zakończysz projektowanie i będziesz chciał wysłać pliki do swojego producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i dzielenie się twoim projektem. To dopiero początek możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu, aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub obejrzeć jeden z Webinarów Na Żądanie.