Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Podstawowy procesu produkcji obwodów drukowanych Obwody drukowane 1. Obowiązki wprowadzającego sprzęt: dyrektywy RoHS i WEEE 2. Proces lutowania 3. Spoiwa lutownicze ołowiowe i bezołowiowe 4. Przygotowanie pól lutowniczych (cynowanie HASL) 5. 6. Pasty lutownicze dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs.pl 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 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 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 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 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 procesorach specjalizowanych (serwerach) i pamięciach (do 2010), Pb w stopach lutowniczych dla sprzętu sieciowego przeznaczonego do przełączania, sygnalizowania, transmisji, a także zarządzania siecią w telekomunikacji, Dyrektywa RoHS wyłączenia 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 transportu (w powiązaniu z Dyrektywą End-of life vehicles") Lista wyjątków powinna być weryfikowana i korygowana co 4 lata. Dyrektywa RoHS - aktualizacja 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 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 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 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 Wprowadzając sprzęt do obrotu automatycznie deklarowane jest domniemanie zgodności tego sprzętu z dyrektywą RoHS. 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. 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). ELEKTROŚMIECI Prawie 516 tys. ton sprzętu elektrycznego i elektronicznego wprowadzono w 2011 roku na terytorium Polski 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. 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 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 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 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 Lutowanie jest procesem łączenia dwóch metali przy użyciu metalu trzeciego, zwanego lutowiem Temperatura topnienia lutu jest znacznie niższa od temperatury topnienia metali łączonych W wyniku podgrzania następuje płytka dyfuzja cząsteczek lutowia i cząsteczek elementów lutowanych, w wyniku czego powstaje cienka warstwa stopu wszystkich materiałów (tzw. złącze intermetaliczne). Wytworzona spoina cechuje się dużą wytrzymałością mechaniczną i bardzo dobrą przewodnością elektryczną Proces lutowania Proces formowania złącza lutowanego usunięcie tlenków z powierzchni lutowanych oraz z lutowia dostarczenie ciepła niezbędnego do stopienia lutu zapewnienie bezpośredniego kontaktu lutowia z materiałami łączonymi zwilżanie powierzchni lutowanych przez spoiwo lutownicze (tworzenie warstw/związków intermetalicznych) 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. 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 Niska temperatura topnienia i szybkie przechodzenie z fazy stałej w ciekłą i odwrotnie Duża plastyczność materiału Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej Zdolność zwilżania metali lutowanych (niskie napięcie powierzchniowe fazy ciekłej) Bardzo dobre właściwości elektryczne (głównie przewodność elektryczna) Dopasowanie do stosowanych technik lutowniczych i istniejących topników Łatwość przetworzenia w drut, proszek lub folię 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. 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 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). 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 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) 93,5% Sn, 3,5% Ag, 3% Bi (206ºC - 212ºC) 89,5% Sn, 10% Bi, 0,5% Cu (190ºC - 200ºC) Występowanie pustych obszarów w spoinie (ang. voids) 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 (Cu 3 SniCu 6 Sn 5 ) 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. 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. 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 Składniki tworzące topnik: substancja wiążąca - kalafonia, żywice syntetyczne, glikole, poliglikole, gliceryna rozpuszczalnik - alkohol izopropylowy, glikole, estry glikolowe, etery glikolowe aktywator - chlorki amonowe, chlorowodorek aminowy, kwasy dwukarboksylowe, kwas bursztynowy, kwasy organiczne dodatki - środki powierzchniowo czynne, środki tiksotropowe Najbardziej popularne są topniki wytworzone na bazie kalafonii 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. Typ R (rosin) 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. Typ NC (no-clean) 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. Typ RMA 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. 6
Typ RA 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). 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. Typ RF (inaczej AC lub WS) bez kalafonii, oparte na rozpuszczalnikach organicznych lub wodzie (VOC-free). 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 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 L niskoaktywny M średnioaktywny H wysokoaktywny 0 brak halogenków 1 występują halogenki Pasta lutownicza jest jednorodną i stabilną zawiesiną kulistych cząstek spoiwa lutowniczego w substancji wiążącej zawierającej topnik i rozpuszczalnik 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 Pasty lutownicze 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) 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. Stosowanie past nowej generacji pozwala wyeliminować konieczność klejenia podzespołów podczas ich układania na płytce. Wymagania stawiane pastom lutowniczym: bardzo dobre odwzorowanie drobnych rastrów stała i powtarzalna jakość nałożenia pasty (brak skurczu) odpowiedni czas przydatności na wzorniku zapewnienie wysokiej przyczepności do PCB kleistość zapewniająca podtrzymanie elementów gładka powierzchnia po lutowaniu bardzo dobre właściwości elektryczne usuwalne lub niewymagające czyszczenia pozostałości brak toksyczności przynajmniej 6-miesięczny okres magazynowania 7
Pasty lutownicze Metody nakładania pasty lutowniczej: powlekanie galwaniczne sitodruk druk szablonowy dozowanie metoda kroplowa 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 Matryce dla metody druku szablonowego wytwarzane są z metali (brąz berylowy, mosiądz, nikiel, stal nierdzewna) lub tworzyw sztucznych (produkcja jednostkowa) Otwory w szablonach wykonywane są poprzez: trawienie chemiczne wycinanie laserowe elektroformowanie zastosowanie metod hybrydowych przed elektropolerowaniem po elektropolerowaniu po elektropolerowaniu i powlekaniu NI Pasty lutownicze 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. Pasta nadrukowana na płytkę najczęściej zachowuje swoją lepkość przez kilka godzin. Wilgotność względna przechowywania nadrukowanych płyt powinna zawierać się w przedziale 45% do 60%. 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