Rozpuszczanie miedzi w procesie lutowania

Wprowadzenie

Lutowanie jest kluczowym procesem w produkcji elektroniki, tworzącym elektryczne i mechaniczne połączenia pomiędzy komponentami i płytką PCB. Tradycyjnie bardzo popularne były stopy ołowiowe, ale ze względu na dbałość o środowisko i zdrowie, stopy bezołowiowe stały się nowym standardem. Lut bezołowiowy zwiększa skalę efektu zwanego rozpuszczaniem miedzi (ang. Copper dissolution), który może stać się problemem w niektórych przypadkach.

W tym artykule omówiono zjawisko rozpuszczania miedzi oraz jego implikacje w lutowaniu elektroniki.

Mechanizm rozpuszczania miedzi

Rozpuszczanie miedzi odnosi się do zjawiska, w którym miedź, zazwyczaj z pól płytki PCB lub z wyprowadzeń komponentów, rozpuszcza się w stopionym lutowiu podczas procesu lutowania.

Bezołowiowe stopy lutownicze, takie jak te zawierające cynę (Sn), srebro (Ag), mają zwykle wyższe temperatury topnienia w porównaniu do tradycyjnych lutów cynowo-ołowiowych (Sn-Pb). Podwyższona temperatura przyspiesza dyfuzję atomów miedzi do stopionego lutowia, prowadząc do efektu rozpuszczenia miedzi.

Poniższe zdjęcie przedstawia dwa połączenia lutowane z różnymi poziomami rozpuszczania miedzi. Połączenie po prawej stronie ma bardzo duży efekt rozpuszczania miedzi. Ten konkretny przykład wynika z przedłużonego kontaktu z falą (stopionym lutowiem) z powodu awarii maszyny lutowniczej.

Czynniki wpływające na rozpuszczanie miedzi

Główne czynniki to:

• Skład stopu lutowniczego. Stopy bezołowiowe, szczególnie te bogate w cynę, mają tendencję do łatwiejszego rozpuszczania miedzi. Stopy takie jak SAC (Sn-Ag-Cu) są powszechnie stosowane, ale są także znane z niepożądanej interakcji z miedzią.
• Temperatura lutowania. Wyższe temperatury lutowania podnoszą szybkość rozpuszczania miedzi[1]. Luty bezołowiowe często wymagają wyższych temperatur, co pogarsza ten efekt.
• Czas lutowania. Długotrwała ekspozycja na ciekłe lutowie zwiększa rozpuszczanie miedzi. Skrócenie tego czasu może złagodzić ten niepożądany efekt.

Niezawodność połączeń lutowanych

Rozpuszczanie miedzi może pogorszyć ogólną niezawodność połączeń lutowanych. Kruchość faz międzymetalicznych, osłabienie pól i erozja wyprowadzeń łącznie obniżają żywotność oraz trwałość połączeń lutowanych. Kluczowe aspekty:

• Integralność pól PCB. Nadmierne rozpuszczanie miedzi może zmniejszyć lub całkowicie usunąć miedziane pady na płytce drukowanej. Może to wpłynąć negatywnie na wytrzymałość mechaniczną połączenia lutowanego i prowadzić do uszkodzeń mechanicznych lub termicznych.
• Erozja wyprowadzeń komponentów. Znaczące rozpuszczenie miedzi może powodować erozję wyprowadzeń komponentów z miedzianymi wyprowadzeniami.
• Grubsza faza międzymetaliczna. Interakcja między ciekłym stopem a miedzią tworzy fazy międzymetaliczne (ang. IMC). Podczas gdy pewna grubość IMC jest pożądana dla wytrzymałego połączenia lutowanego, nadmierne rozpuszczanie miedzi może prowadzić do grubych warstw IMC, czyniąc połączenie kruchym i podatnym na uszkodzenia.

Lutowanie na fali a rozpuszczanie miedzi

Proces lutowania na fali wykorzystuje dużą wannę zawierającą płynny stop. Podczas lutowania, wyprowadzenia komponentów i pola płytki PCB wchodzą w kontakt ze roztopionym lutowiem, powodując rozpuszczenie niewielkiej ilości miedzi. W produkcji masowej, gdzie stosowanych jest wiele komponentów i PCB, ilość miedzi mającej kontakt ze stopionym lutowiem jest znacząca. Na ograniczenie tego efektu ma wpływ profil lutowania na fali, a przede wszystkim temperatura stopu lutowniczego oraz czas kontaktu z ciekłym lutowiem.

Gdy miedź rozpuszcza się w wannie lutowniczej, stężenie miedzi w tym stopie wzrasta wraz z upływem czasu. Ten stopniowy wzrost zawartości miedzi może zmienić właściwości fizyczne i chemiczne stopów lutowniczych, wpływając na ich zwilżalność, charakterystykę płynięcia i tworzenie połączeń. Zbyt duże stężenie miedzi może prowadzić do problemów, takich jak słaba lutowność, zwiększone tworzenie się żużlu i kruchość połączeń lutowanych, co pogarsza jakość i niezawodność produktu końcowego.

Utrzymanie koncentracji miedzi w określonym zakresie ma kluczowe znaczenie dla złagodzenia tych problemów. Warto postępować zgodnie z normą branżową IPC J-STD-001. Zawiera ona wytyczne dotyczące lutowania podzespołów elektronicznych i zaleca regularne monitorowanie oraz kontrolę zanieczyszczeń w wannie lutowniczej. W przypadku stopów bezołowiowych, limity zanieczyszczeń w wannie lutowniczej (w tym Cu) powinny zostać uzgodnione między producentem a użytkownikiem (klientem)[2].

Przykładowo: W przypadku stopów typu SAC305 producenci zalecają[3] utrzymywanie koncentracji miedzi poniżej 1,0%. Przekroczenie tego limitu wymaga podjęcia działań korygujących, takich jak dodanie prętów lutowniczych SAC300 (bez Cu) w celu zmniejszenia zawartości miedzi i przywrócenia optymalnych parametrów.

Regularne monitorowanie polega na okresowym pobieraniu próbek i analizie stopu lutowniczego w celu oceny zawartości zanieczyszczeń (w tym miedzi). To proaktywne podejście pomaga wcześnie wykryć odchylenia od zalecanego zakresu, umożliwiając podjęcie na czas działań korygujących.

Rework a rozpuszczanie miedzi

Rozpuszczanie miedzi, szczególnie w obszarze kolana pola THT, może stać się znaczącym problemem. Zjawisko to staje się bardziej zauważalne, gdy czas przeróbki (ang. Rework) jest bardzo długi lub gdy wykonywanych jest wiele cykli przeróbki. Jest to tylko jeden z wielu powodów, dla których kluczowe znaczenie ma odpowiednie przeszkolenie operatorów oraz zapewnienie odpowiedniej kontroli procesu rework lub repair a także modyfikacji urządzeń elektronicznych.

Podsumowanie

Podsumowując, kontrola rozpuszczania miedzi w lutowaniu bezołowiowym ma kluczowe znaczenie dla utrzymania integralności i niezawodności połączeń lutowanych. Niezbędne jest zrozumienie czynników wpływających na rozpuszczanie miedzi i jego wpływ na połączenie lutowane. Optymalizując parametry lutowania i wybierając odpowiednie stopy lutownicze, można złagodzić niekorzystne skutki rozpuszczania miedzi, co prowadzi do bardziej wytrzymałych i trwałych połączeń lutowanych w różnych aplikacjach.

Regularne monitorowanie i kontrola poziomu zanieczyszczeń (w tym miedzi), zgodnie z wytycznymi standardu IPC-J-STD-001, są niezbędne w procesie lutowania na fali w celu zapewnienia połączeń lutowanych o wysokiej niezawodności.