Wtórny brak zwilżenia w lutowaniu. Przykłady i przyczyny

Wprowadzenie

Wtórny brak zwilżenia (ang. dewetting) to zjawisko fizyczne występujące w różnych procesach technologicznych, opisywane w ramach mechaniki płynów (ang. Fluid Mechanics). W niniejszym artykule omawiamy wtórny brak zwilżenia w kontekście lutowania miękkiego, zwłaszcza w procesach takich jak lutowanie elektroniki oraz lutowanie kabli i przewodów elektrycznych.

Dobry inżynier zajmujący się lutowaniem powinien być w stanie wizualnie odróżnić wtórny brak zwilżenia od innych zjawisk, takich jak "zwykły" brak zwilżenia, pęknięcia spoin lub inne anomalie związane z lutowaniem.

Co to jest wtórny brak zwilżenia?

Wtórny brak zwilżenia (ang. dewetting) w procesie lutowania to zjawisko, w którym roztopiony stop początkowo zwilża lutowaną powierzchnię, ale następnie cofa się, pozostawiając nieregularne obszary, przypominające "wyspy lutowia" oddzielone płaską powierzchnią.

Wtórny brak zwilżenia świadczy o tym, że lutowność powierzchni jest znacznie pogorszona, co może negatywnie wpłynąć na niezawodność połączenia lutowanego.

Standard IPC-T-50 określa[1] wtórny brak zwilżenia jako:

"A condition that results when molten solder coats a surface and then recedes to leave irregularly shaped mounds of solder that are separated by areas that are covered with a thin film of solder and with the base metal not exposed"

co możemy przetłumaczyć jako:

"Stan, który powstaje, gdy stopiony lut pokrywa powierzchnię, a następnie cofa się, pozostawiając nieregularne grudki lutu, które są oddzielone obszarami pokrytymi cienką warstwą lutu i bez odsłoniętego metalu bazowego"

Poniższe zdjęcie przedstawia powierzchnię pola PCB, na którym występuje wtórny brak zwilżenia:

Przyczyny wtórnego braku zwilżenia

Istnieje wiele możliwych przyczyn wtórnego braku zwilżenia. Poniżej wymieniono wybrane przypadki:

• Dyfuzja materiału bazowego do powierzchni. Wyprowadzenia komponentów lub pola PCB są pokryte materiałem o wysokiej lutowności (złoto, cyna itp.). Pod tą warstwą znajduję się tzw. materiał bazowy, który często zawiera miedź (Cu), czasami cynk (Zn) lub inne pierwiastki. Jeśli te substancje przedostaną się na powierzchnię i ulegną utlenieniu, to lutowność tej powierzchni znacznie się pogorszy. Rozwiązaniem jest utrzymanie odpowiednio grubej warstwy wykończenia, stosowanie warstw pośrednich (najczęściej w postaci bariery z niklu), oraz kontrola warunków przechowywania komponentów i PCB (tj. czas, temperatura, wilgotność).
• Utlenienie powierzchni. Z upływem czasu na powierzchni przeznaczonej do lutowania może powstać warstwa tlenków, której oczyszczenie przez topnik może być trudne. Stosowanie bardziej aktywnego topnika może pomóc w takim przypadku, jednak może to prowadzić do problemów z korozją oraz do zjawiska o nazwie migracja elektrochemiczna.
• Niewłaściwy profil lutowania. Zbyt wysoka temperatura lutowania może spowodować degradację topnika i ponowne utlenienie lutowanych powierzchni. Podobny efekt może wywołać zbyt długi czas lutowania. Dlatego warto zadbać o odpowiedni profil lutowania SMT oraz profil lutowania na fali.
• Niekompatybilność stopu lutowniczego. Użycie stopu lutowniczego o właściwościach nieodpowiadających podłożu lub parametrom procesu może powodować wtórny brak zwilżenia. Niektóre stopy ołowiowe i stopy bezołowiowe mogą wpływać na pojawienie się tego zjawiska.
• Zanieczyszczenie stopu lutowniczego. Zanieczyszczenie stopu lutowniczego przez obce pierwiastki, takie jak arsen, cynk, miedź itp. Niektóre z nich mogą powodować wtórny brak zwilżenia. Zanieczyszczenia mogą pochodzić zarówno z wanny lutowniczej, jak i z kontaktu z wyprowadzeniami komponentów i PCB. Typowym zjawiskiem zwiększającym koncentrację miedzi we wannie lutowniczej jest efekt o nazwie: rozpuszczanie miedzi.
• Zbyt duże obszary. Bardzo duże pola na PCB (np. obszary pod uziemienie lub pod mocowanie radiatora) mogą wykazywać objawy wtórnego braku zwilżenia. Jeśli dany obszar nie służy do tworzenia połączenia lutowanego, to wtedy to zjawisko typowo jest dopuszczalne.

Standardy

Wtórny brak zwilżenia jest omawiany m.in. w standardach:

• IPC-T-50 Terms and Definitions for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits.
• IPC-A-600 Acceptability of Printed Boards.
• IPC-A-610 Acceptability of Electronic Assemblies.
• J-STD-001 Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.
• IEC 61191-1 Printed Board Assemblies - Part 1: Generic Specification - Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies Using Surface Mount and Related Assembly Technologies.

Podsumowanie

Wtórny brak zwilżenia to niepożądane zjawisko. Jeżeli występuje na wyprowadzeniach komponentów lub polach lutowniczych PCB, gdzie ma powstać połączenie lutowane, to jest klasyfikowany jako stan wadliwy w świetle wymagań standardów IPC, niezależnie od klasy produktu[2][3]. Jeśli wtórny brak zwilżenia pojawia się na powierzchniach, które nie są przeznaczone do połączenia lutowanego (np. mocowanie mechaniczne, przewody, oznakowanie), to zazwyczaj nie stanowi to problemu.[3]

Usunięcie wtórnego braku zwilżenia z procesu może być trudne, dlatego zrozumienie przyczyn tego zjawiska jest kluczowe do opracowania skutecznych działań korygujących.