Lutowanie : Topniki

Wprowadzenie

Proces lutowania wymaga, aby łączone powierzchnie były odpowiednio przygotowane przed kontaktem z ciekłym lutowiem. Te powierzchnie powinny być czyste i wolne od tlenków metalu, co w dużej mierze jest rolą topnika. Poniższy artykuł porusza takie zagadnienia jak: działanie, klasyfikację, poziom aktywności i inne ważne cechy topników.

Tlenki metalu

Powierzchnie większości metali są pokryte warstwą tlenków, co jest naturalnym skutkiem kontaktu z tlenem znajdującym się w atmosferze.

Reakcja chemiczna między atomami danego metalu oraz tlenu tworzy tlenki metalu (atom metalu oddaje elektron tlenowi i w ten sposób następuje między nimi wiązanie). Zjawisko występuje natychmiast, wystarczy tylko obecność czystego metalu i cząsteczek tlenu.

W zależności od porowatości powierzchni metalu ilość tlenków będzie różna. Porowate żelazo będzie mocno pokrywało się tlenkiem żelaza (rdzą), później ta rdza się "łuszczy" i wtedy tlen penetruje głębiej w strukturę żelaza, generując więcej rdzy, która jeszcze bardziej się łuszczy i tak dalej.. Natomiast stal nierdzewna jest dużo mniej porowata, utlenia się "powierzchniowo" i ta warstwa tlenków skutecznie ogranicza dalszą penetrację tlenu w głąb materiału.

Siła wiązania między atomami metalu a tlenem zależy także od rodzaju pierwiastka. Stosując pewne uproszczenie, możemy powiedzieć, że tlenek miedzi "trzyma się mocniej" niż tlenek cyny a tlenek niklu "trzyma jeszcze mocniej" niż tlenek miedzi. Warto wiedzieć, że tlenek żelaza lub tlenek aluminium jest "jeszcze mocniejszy", czyli o wiele trudniejszy w usunięciu niż tlenek niklu.

Podsumowując: Tlenki metalu powstają bardzo szybko. Ich usuwanie wymaga stosowania odpowiednio aktywnego topnika i nie każdy rodzaj tlenku można usunąć danym topnikiem.

Działanie topnika

Topnik pełni kilka istotnych funkcji:

• Usunięcie tlenków. Tlenki metalu uniemożliwiają utworzenie poprawnego połączenia lutowanego, więc należy je wcześniej usunąć. Główną rolą topnika jest więc zamiana tlenków metalu w sole metalu, które następnie są zmywane z powierzchni przez roztopiony stop lutowniczy. Zjawisko usuwania tlenków polega na reakcji aktywatora zawartego w topniku z danym tlenkiem metalu, co powoduje powstanie soli metalu oraz wody. Uruchomienie tego procesu wymaga aktywacji topnika i jest to realizowane przez jego podgrzanie do wymaganej temperatury w określonym czasie.
• Ochrona przed ponownym utlenianiem. Po usunięciu tlenków a przed zalaniem przez ciekły stop lutowana powierzchnia może ponownie się utlenić. Dlatego należy podać taką ilość topnika, aby jego cienka warstwa pozostała na oczyszczonej powierzchni i chroniła ją przed ponownym utlenieniem, do czasu zalania ciekłym lutowiem. Ochronę przed ponownym utlenieniem realizuje główne kalafonia lub inny materiał stały użyty w topniku.
• Usunięcie zanieczyszczeń. Topnik usuwa także niektóre inne zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni poprzez ich "zmywanie". Oczywiście nie każdy rodzaj zanieczyszczenia topnik jest w stanie usunąć, więc pola lutownicze i wyprowadzenia powinny być czyste.
• Zmniejszenie napięcia powierzchniowego. Spadek napięcia powierzchniowego lutowia ułatwia rozpływ ciekłego stopu i osiągnięcie lepszego zwilżenia. To znacząco obniża kąt zwilżenia lutowia i poprawia jakość i wygląd lutowia.
• Poprawa transferu ciepła. W przypadku lutowania za pomocą grotu (np. ręcznie), topnik ułatwia transfer ciepła z tegoż grotu do łączonych powierzchni.

Poniższy rysunek przedstawia ideę, w której topnik usuwa tlenki metalu, co umożliwia ciekłemu stopowi utworzenie połączenia lutowanego, czyli powstanie fazy międzymetalicznej. Topnik jednocześnie chroni oczyszczoną powierzchnię przed kontaktem z tlenem w obszarze, gdzie lutowie jeszcze nie pokryło lutowanego metalu. Ciekły stop lutowniczy zwilżając pole lutownicze, jednocześnie "wypycha" topnik, sole metalu oraz zabrudzenia z tego obszaru.

Skład chemiczny topnika

Dokładny skład topników to know-how więc często jest to tajemnica producenta, dlatego poniżej podaje ogólne określenie grup stosowanych materiałów:

• Aktywator (ang. Activator). Jest to najważniejszy składnik topnika. Główna rola to usunięcie tlenków metalu. Aktywatory mogą mieć różny poziom kwasowości. Typowo są to kwasy organiczne, więc można spotkać się z określeniem "słabe kwasy organiczne" (ang. WOA - Weak Organic Acids). Niektóre aktywatory mogą zawierać halogenki, co jest źródłem jonów halogenkowych (typowo Cl-, Br-).
• Rozpuszczalnik (ang. Solvent). Płyn, w którym rozcieńczony jest aktywator i składowe stałe topnika. Jeżeli rozpuszczalnikiem jest izopropanol (ang. IPA - Isopropanol Alcohol) to mówimy, że topnik jest "alkoholowy". Jeżeli rozpuszczalnikiem jest woda, to wtedy topnik jest "wodny" (ang. Water based) lub "wolny od lotnych związków organicznych" (ang. VOC-Free). Spotyka się także rozpuszczalniki zawierające wodę i niewielką ilość alkoholu, wtedy takie topniki określa się mianem "Low-VOC".
• Cząstki stałe (ang. Solids, Vehicles). To materiał chroniący przed ponownym utlenieniem powierzchni metalu przez tlen oraz ułatwiający usuwanie zanieczyszczeń z obszaru lutowania. Typowo jest to jakaś forma kalafonii lub żywicy syntetycznej, glikolu, gliceryny itp.
• Dodatki (ang. Additives). Producenci dodają różnego rodzaju substancje poprawiające pokrycie, redukujące napięcie powierzchniowe itd.

Klasyfikacja wg J-STD-004

Organizacja IPC opracowała standard J-STD-004, który klasyfikuje topniki wg składu, poziomu aktywności oraz zawartości jonów halogenkowych[1].

Przykładowo topnik może mieć np. oznaczenie REL1. Co to znaczy? RE to żywica, L oznacza niski poziom aktywności, 1 oznacza, że zawiera jony halogenkowe.

Więcej informacji o poszczególnych kategoriach:

Skład

• RO - Kalafonia (ang. Rosin, Colophony). Kalafonia to naturalna żywica z drzew iglastych. Ma kolor ciemnobrązowy i pozostawia na PCB ślady w tym kolorze. Nie rozpuszczalna we wodzie. Ewentualne mycie wymaga stosowania odpowiednich środków chemicznych.
• RE - Żywica (ang Resin). To żywica inna niż kalafonia. Kolor typowo jaśniejszy niż ciemnobrązowy, wygląd pozostałości jest różny w zależności od typu żywicy.
• OR - Związki organiczne (ang. Organic). Związki organiczne takie jak glikol. Pozostałość jest przeźroczysta i „mniej widoczna” niż żywica lub kalafonia. Płytka wizualnie wygląda czyściej (mowa o czystości optycznej), nie ma to nic wspólnego z czystością jonową. Typowo ten materiał jest rozpuszczalny we wodzie, więc topniki na bazie OR są często podatne na mycie ciepłą wodą.
• IN - Związki nieorganiczne (ang. Inorganic). Materiały nieorganiczne takie jak sole, kwasy i zasady. Przykładowe substancje to fluorek sodu, kwas solny itp. Obecnie rzadko stosowane ze względu na wysoką korozyjność.

Poziom aktywności

Poziom aktywności jest badany w oparciu o kilka kryteriów związanych z poziomem jonów halogenkowych oraz korozyjności. Te badania to między innymi: pomiar rezystancji powierzchniowej (SIR), test lustra miedzi (ang. Copper Mirror Test), test korozji elektrochemicznej (ECM) itd.

• L - Niski (ang. Low).
• M - Średni (ang. Medium).
• H - Wysoki (ang. High).

Halogenki (jony)

Halogenki (ang. Halides) stosowane w topnikach to najczęściej związki chloru lub bromu, czyli chlorki i bromki. Formalnie halogenkami są także fluorki i jodki. Ich jony: Cl-, Br-, F-, I- poprawiają proces usuwania tlenków metalu, ale niestety pogarszają czystość jonową. Standard J-STD-004 definiuje dwie klasy dla poziomów halogenków:

• 0 - Zero. Poziom mniejszy niż 0.05% wagowo, co uważa się za brak jonów halogenkowych.
• 1 - Jeden. Zawiera jony halogenkowe.

Klasyfikacja wg MIL-F-14256

MIL-F-14256 to stary amerykański standard, który został anulowany w 1995 roku i w zakresie topników zastąpiony przez J-STD-004. Do dzisiaj można spotkać w literaturze i kartach katalogowych klasyfikację, jaką ten standard zdefiniował, więc poniżej przedstawiam skróconą informację o głównych klasach:

• R - Rosin. Najłagodniejszy topnik na bazie żywicy, niezawierający halogenków.
• RMA - Rosin Mildly Activated. Topnik żywiczny zawierający aktywatory, ale typowo z niskim poziomem halogenków. Więc to średni poziom aktywności. Może wymagać mycia po procesie lutowania.
• RA - Rosin Activated. Topnik na bazie żywicy zawierający aktywatory oraz dużą ilość halogenków. Bardzo aktywny, wymaga mycia po procesie lutowania.
• WS - Water Soluable. Topnik rozpuszczalny we wodzie. Typowo spotykany w formie aktywnej, czyli wymagający mycia po procesie lutowania.

Klasyfikacja wg ISO 9454-1

Standard ISO 9454-1 klasyfikuje topniki wg poniższego klucza:[2]

Według tej klasyfikacji topnik płynny, kalafoniowy bez aktywatora będzie miał oznaczenie 1.1.1.A. Topnik płynny, organiczny, nierozpuszczalny w wodzie z aktywatorami zawierającymi jony halogenkowe będzie sklasyfikowany jako 2.2.2.A

Klasyfikacja wg DIN 8511

DIN 8511 to stara nieaktualna niemiecka norma. Poszczególne klasy topników miały oznaczenia zawierające symbol F-SW-nn gdzie, nn to dwie cyfry oznaczający daną klasę topnika. Standard wycofany, można o tym zapomnieć ;)

Topnik no-clean

Tym mianem określa się topniki, których pozostałości mogą nie wymagać czyszczenia. Ograniczenie lub usunięcie procesu mycia płytek ma niewątpliwie pozytywny wpływ na środowisko naturalne oraz redukuje koszty procesu produkcji.

W zależności od danego projektu PCB oraz aplikacji, pozostałości topnika no-clean mogą być dopuszczalne i pozostawione na powierzchni PCB lub muszą być jednak usunięte. Dodatkowo topnik, który może być pozostawiony na PCB musi być odpowiednio wygrzany w procesie lutowania, nie może być lepki, nie może być rozlany na powierzchnie styków złącz, itd.

Topnik clean

Topniki określane jako clean, to środki chemiczne o dużym poziomie aktywności, co bardzo ułatwia proces lutowania. Pozostałości tych topników mogą doprowadzić spadku rezystancji powierzchniowej (ang. SIR - Surface Insulation Resistance) na PCB i finalnie do migracji elektrochemicznej. Z tego powodu, pozostałości topnika muszą być usunięte po lutowaniu, więc zmontowane płytki muszą być myte. Mycie wcale nie jest prostym zabiegiem i w zależności od projektu PCB, czasami będzie bardzo trudne lub wręcz niemożliwe poprawne usunięcie pozostałości.

Czystość jonowa

Pozostałości topnika na powierzchni PCB (po procesie lutowania) możemy podzielić na cząstki stałe takie jak kalafonia, które są widoczne oraz zanieczyszczenia jonowe, które zazwyczaj są niewidoczne w kontroli optycznej.

Pozostałości kalafonii czy też innych żywic typowo nie wpływają na działanie elektroniki, są jedynie "aspektem wizualnym".

Problemem są zanieczyszczenia jonowe. Pod wpływem pola elektrycznego, wilgoci oraz tychże jonów na powierzchni płytki PCB dochodzi do spadku rezystancji powierzchniowej i finalnie do wystąpienia migracji elektrochemicznej. W przypadku zabrudzenia złącz może dojść do korozji styków.

Duże znaczenie dla czystości jonowej ma zastosowanie właściwego profilu lutowania. Przeczytaj artykuły: profilu lutowania rozpływowego oraz profil lutowania na fali

Standardy oraz badanie czystości jonowej, określenie adekwatnych limitów to bardzo rozbudowany, dość mocno pokręcony i trudny temat. Nieco więcej informacji przedstawię w dedykowanym artykule.

Żródłem zanieczyszczeń może być nieprawidłowo wykonany rework.

Podsumowanie

Topniki to kluczowy środek chemiczny stosowany w procesie lutowania i jest dostępny w formie płynu, żelu lub jako część składowa pasty lutowniczej.

Właściwy dobór topnika do danej aplikacji, poprawne jego stosowanie (ilość, profil czasowo-temperaturowy) i monitorowanie poziomu czystości jonowej to kluczowe aspekty decydujące o wysokiej jakości połączeń lutowanych oraz adekwatnej czystości jonowej. Należy pamiętać, że topnik "no-clean" nie zawsze oznacza "brak mycia", wiele zależy od projektu PCB i środowiska pracy wyprodukowanego urządzenia.