Lutowanie - brak zwilżenia, czy to wada?

Wprowadzenie

Brak zwilżenia (ang. non-wetting) to niepożądane zjawisko występujące w procesie lutowania. Niezależnie od tego, czy lutujemy kable miedziane, przewody, czy płytki elektroniczne, brak zwilżenia to problem, który każdy inżynier zajmujący się tymi procesami powinien rozumieć i umieć odróżnić od innych zjawisk, takich jak wtórny brak zwilżenia (ang. dewetting) czy pęknięcie połączenia lutowanego.

Niniejszy artykuł wyjaśnia, czym jest brak zwilżenia w lutowaniu, które może wystąpić w czasie lutowania kabli, przewodów i lutowania elektroniki. To zjawisko występuje także w innych rodzajach lutowania, więc każdy pasjonat tej technologii znajdzie tu coś interesującego.

Zwilżenie

Zwilżenie w lutowaniu to zjawisko, w którym ciekłe lutowie równomiernie (bez przerw) pokrywa lutowaną powierzchnię , tworząc fazę międzymetaliczną, przy czym kąt zwilżenia między lutowiem a lutowaną powierzchnią jest mniejszy niż 90 stopni. Roztopione lutowie "rozlewa się" po powierzchni, tworząc jednolitą warstwę.

Zwilżenie zależy od kilku kluczowych czynników. Główne z nich to:

• Lutowność powierzchni. Jest to właściwość lutowanych powierzchni, która umożliwia poprawne pokrycie ich lutowiem i powstanie fazy międzymetalicznej. W elektronice opracowano dwa standardy badające lutowność: IPC-J-STD-002 (lutowność wyprowadzeń komponentów) oraz IPC-J-STD-003 (lutowność pól PCB).
• Topnik. Topnik do lutowania to środek chemiczny, którego główną funkcją jest usunięcie tlenków metalu, aby stop lutowniczy mógł zetknąć się z czystym metalem.
• Stop lutowniczy. Obecnie stosowane są głównie stopy bezołowiowe, choć w niektórych przypadkach wciąż używa się stopów ołowiowych. Spoiwo powinno mieć odpowiedni skład, z minimalną ilością zanieczyszczeń. Czasami może dojść do zwiększenia zawartości miedzi w stopie z powodu zjawiska jakim jest rozpuszczanie miedzi podczas lutowania.
• Temperatura i czas lutowania. Poprawne zwilżenie wymaga odpowiedniej ilości ciepła, dlatego takie parametry jak temperatura spoiwa i czas lutowania mają kluczowe znaczenie. Różne metody lutowania mają swoje specyficzne wymagania, o czym więcej można przeczytać w artykułach: Profil lutowania na fali oraz Profil lutowania SMT.

Kąt zwilżenia

Kąt zwilżania to kąt utworzony między płaską powierzchnią materiału lutowanego a płaszczyzną styczną do powierzchni lutowia w punkcie ich styku. Mówiąc prościej, jest to kąt, w którym krawędź stopu lutowniczego dotyka powierzchni lutowanej. Mniejszy kąt zwilżania oznacza lepszą lutowność, natomiast większy kąt sugeruje gorszą lutowność. Jeśli kąt zwilżania przekracza 90 stopni, oznacza to, że nie doszło do prawidłowego zwilżenia. Uwaga: istnieją wyjątki od zasady 90 stopni, ale to temat na inną dyskusję.

Poniższa ilustracja przedstawia pojęcie kąta zwilżania w lutowaniu, pokazując trzy krople cyny (Sn) na powierzchni miedzianej (Cu) z różnymi kątami zwilżania. Zjawikso braku zwilżenia wystepuje wtedy, gdy kąt zwilżenia jest większy niż 90°

Brak zwilżenia - definicja

Brak zwilżenia to zjawisko odwrotne do zwilżenia (wiem… brzmi to bardzo odkrywczo...).

Organizacja IPC definiuje brak zwilżenia jako "The inability of molten solder to form a metallic bond with the basis metal"[1][2], co można przetłumaczyć jako "brak zdolności roztopionego lutowia do utworzenia metalicznego połączenia z metalem bazowym".

Warto zauważyć, że w polskiej wersji standardu IPC-A-610 tłumaczenie tego pojęcia jest niepoprawne. Dobrze jest znać poprawną terminologię i wiedzieć, jak postępować w przypadku błędów w tłumaczeniu standardów IPC.

Przykłady zwilżenia i braku zwilżenia

Poniżej przedstawiono zdjęcie poprawnego zwilżenia oraz dwa przykłady całkowitego braku zwilżenia na całej powierzchni czy też obwodzie wyprowadzenia.

Poprawne zwilżenie 360° wyprowadzenia oraz pola PCB - dopuszczalne klasa 1,2,3 wg IPC-A-610:

Brak zwilżenia do wyprowadzeń złącza - wada klasa 1,2,3 wg IPC-A-610:

Brak zwilżenia do wyprowadzeń rezystora SMD - wada klasa 1,2,3 wg IPC-A-610:

Organizacja IPC określiła kryteria oceny połączeń lutowanych, a niewielkie braki zwilżenia są często dopuszczalne. Dopuszczalny poziom braku zwilżenia zależy od klasy produktu oraz rodzaju połączenia lutowanego. Szczegółowe wymagania są oczywiście przedstawione w standardach IPC[2].

Podsumowanie

Brak zwilżenia to niepożądane zjawisko występujące podczas lutowania, które należy minimalizować, stosując komponenty o odpowiedniej lutowności. Ważne jest również zapewnienie odpowiedniej ilości topnika, właściwego składu stopu lutowniczego oraz odpowiednich parametrów cieplnych (temperatura i czas lutowania).

Należy również uważać, aby topnik nie był zbyt aktywny, co mogłoby prowadzić do korozji elektroniki, a szczególnie do migracji elektrochemicznej. Kluczowe jest też unikanie przegrzania komponentów, co może być kolejnym ograniczeniem w procesie lutowania.

Podsumowując, uzyskanie poprawnej spoiny lutowniczej wymaga spełnienia wielu czynników i znalezienia "złotego środka" w całym procesie.