tehnologia lipirii

Tehnologie electronică. Capitolul 2

capitolul 2

Tehnologia conexiunilor prin lipire în electronic ă 2.1. Generalităţi. Bazele teoretice ale lipirii este un procedeul de îmbinare la cald a pieselor metalice, în care se folose şte un metal de adaos, numit aliaj de lipit, diferit de metalele de baz ă. Lipiturile pot fi: lipituri moi, când temperatura de topire a aliajului de lipit - este mult inferioar ă faţă de a metalelor de baz ă; lipituri tari, când aliajul de lipit are temperatura de topire comparabil ă cu a metalelor de bază. În fabricarea pieselor, componentelor şi dispozitivelor electronice se folosesc atât lipituri moi cât şi lipituri tari, în propor ţii apropiate, în schimb, la asamblarea, interconectarea componentelor, pentru realizarea circuitelor, subansamblelor şi aparatelor electronice, îmbin ările prin lipituri moi deţin de departe cea mai mare pondere; se apreciaz ă că peste 60% din conexiuni în echipamentele electronice se realizeaz ă cu lipituri moi. Cauzele acestei situa ţii sunt numeroase, printre care se pot cita: costul redus, calitatea bun ă a îmbinării (din punct de vedere electric, mecanic, rezisten ţă în mediu, etc.), posibilitatea automatiz ării operaţiilor, uşurinţa desfacerii şi refacerii îmbinării. Lipirea este condi ţionată de o serie de procese fizico-chimice, care se petrec la contactul dintre aliajul de lipit topit (lichid) şi metalele de baz ă (solide). Pentru realizarea lipirii este necesar ca aliajul de lipit topit s ă umecteze (umezească) metalele de baz ă, pentru a se crea legături strânse între cele dou ă materiale, cu consecin ţa apariţiei difuziei de atomi de aliaj în metalele de baz ă şi a atomilor acestora în aliaj. Lipirea

•

•

aliaj de lipit Umezirea unui metal de c ătre aliajul topit se datoreaz ă lichid θ for ţelor care apar la contactul aliaj - metal de baz ă - fig. 2.1; Fc Suprafaţa liber ă a picăturii este perpendicular ă pe for ţa rezultantă (F r r) a for ţelor: de adeziune metal de baz ă - aliaj (F am am), de Faf 1 adeziune aliaj - mediu (F af ) i de coeziune a aliajului ( ). Un ş F af c F contact bun, deci o umezire bun ă a metalului de baz ă se realizează când cân d rezultanta este aproape aproape perpendicular perpendicular ă pe metalul de Fam metal de bază bază; din acest acest motiv, înclinarea tangentei la suprafa ţa picăturii unghiul θ (egal cu unghiul dintre F r r şi perpendiculara pe suFig. 2.1. For ţe la contactul ă de umezire prafaţa metalului de baz ă) se nume şte unghi limit ă aliaj de lipit – metal de bază sau unghi de contact, iar cosθ se numeşte coeficient de umezire, ambele reprezentând m ăsura gradului de umezire şi în consecin ţă o primă apreciere a calit ăţii

lipiturii - tabelul 2.1. Stratul superficial al aliajului de lipit în stare lichid ă se comportă ca o membran ă elastică, pe circumferinţa c ăreia acţioneaz ă tensiuni superficiale (fig. 2.2): σ l l - tensiunea stratului superficial, σ lsls- datorat ă adeziunii lichid-solid, σ lg lg , - datorat ă adeziunii lichid-gaz. La echilibru: ls

l

lg

cos

aliaj de lipit lichid θ σlg σls

σl

metal de bază

0

Tensiunile superficiale, mai ales ale aliajului lichid şi dintre metalele de baz ă şi aliaj, sunt destul de mari, determinând existen ţa capilarit ăţ ăţ ii, ii, fenomen deosebit de 1

Fig. 2.2. Tensiuni superficiale la contactul aliaj de lipit – metal de bază

Mediul de deasupra picăturii de aliaj este un amestec lichid provenit din topirea fluxului de lipire, gaze produse prin fierberea şi arderea fluxului şi aer. 31


important la lipirea pieselor electronice. Datorit ă capilarităţii, aliajul topit pătrunde şi umple spaţiile înguste dintre piese, asigurând lipirea (fig. 2.3), numit ă adesea lipire capilar ă. Capilaritatea apare dac ă interstiţiile sunt destul de mici (sub 0,25 mm) şi este favorizat ă de rugozităţile mici ale suprafe ţelor, mai ales dac ă sunt sub formă de canale (rizuri); pe suprafeţe lustruite capilaritatea este redus ă, întinderea slab ă, din care motiv se recomand ă ca suprafe ţele, mai ales de cupru, s ă aibă aspect „satinat” - asperit ăţi mici. Tabel 2.1. Calitatea umezirii în raport cu unghiul de contact Forma picăturii de aliaj topit θ

θ

Unghiul de contact Calitatea umezirii Calitatea lipiturii 0º ... 15º

foarte bună

foarte bună

15º ... 75º

bună

bună

75º ... 90º

satisf ăcătoare

satisf ăcătoare .. .. mediocr ă

90º ... 180º

nesatisf ăcătoare

nu se realizează lipire

θ

θ

tensiuni Umectarea bună, prima condi ţie aliaj lichid superficiale pentru o lipitur ă de bună calitate, este posi bilă numai dacă tensiunea datorat ă adeziunii aliajului topit la metalul de baz ă (σ ls) este mai mare decât a aliajului de lipit ( σ l) a fig. 2.2 şi aceasta este posibil numai dac ă suprafeţele metalelor şi aliajului sunt perfect curate pe toat ă durata procesului de lipire. Rolul de a cur ăţa suprafeţele şi de a împiedeca impurificarea, revine substan ţelor numite fluxuri pentru lipire (§2.3). Fluxurile (fondan ţ ii) pentru lipire au b două funcţii esenţiale: a) dizolvă şi îndepărtează impurităţile Fig. 2.3. Lipirea capilar ă orizontală (a) şi vericală (b) de pe suprafe ţele metalelor înainte de întinderea aliajului topit şi b) protejează suprafeţele, să nu se impurifice în timpul lipirii. În secundar, asigur ă şi reducerea tensiunii aliaj - mediu (gaz), favorizând întinderea. Lipirea are loc în mai multe etape (fig. 2.4): încălzirea metalelor de baz ă şi de adaos pân ă la temperatura de topire a aliajului ( t ta), timp în care se produce topirea fluxului, întinderea acestuia şi îndepărtarea impurităţilor; topirea aliajului; continuarea înc ălzirii până la temperatura de lipire ( t l > t ta) care se men ţine un timp, în care au loc umezirea, întinderea aliajului, umplerea intersti ţiilor, dizolvarea metalelor de bază în aliaj şi difuzia reciprocă a moleculelor; •

• •

32


îndepărtarea sursei de c ăldur ă, r ăcirea metalelor şi solidificarea aliajului. La temperatura de lipire au loc şi procese fizico-chimice nedorite (reac ţii, recristalizări, ...) care înr ăutăţesc calitatea lipiturii. Este necesar ca temperatura şi durata încălzirii (lipirii) să nu depăşească valorile necesare. Temperatura de lipire (t l) este întotdeauna •

impurităţi

ciocan de lipit (vârf) vapori de flux

flux lichid aliaj lichid

superioar ă temperaturii de topire complet ă a aliajului (t la) , cu cel pu ţ in 25 – 30ºC.

l a t e m i ş j a i l a e d e i ţ u l o s

metal de bază Fig. 2.4. Procese în timpul lipirii

2.2. Aliaje pentru lipituri moi. 2.2.1. Generalit ăţi. Cerin ţe

• • •

• •

•

•

•

Aliajele pentru lipituri moi trebuie s ă îndeplinească o serie de cerin ţe, printre care: să aibă compozi ţie chimică diferită de a metalelor de baz ă; să aibă temperatura de topire cu cel pu ţin 50ºC inferioar ă faţă de a metalelor de baz ă; în stare topită să aibă fluiditate bună şi tensiune superficial ă redusă, să umecteze bine metalele de baz ă, să aibă întindere şi însuşiri capilare bune; să aibă stabilitate chimică şi structurală; să aibă conductibilitate electric ă mare, rezistenţă mecanică mare şi coeficient de dilatare apropiat de al metalelor de baz ă; să aibă preţ de cost redus. După temperatura de topire, aliajele pentru lipituri moi sunt: aliaje u şor fuzibile, cu temperatur ă de topire sub 450ºC, pe baz ă de staniu (Sn), plumb (Pb), cadmiu (Cd), bismut (Bi), zinc (Zn); aliaje greu fuzibile, cu temperatur ă de topire peste 450ºC, pe baz ă de cupru (Cu), argint (Ag), nichel (Ni), mangan (Mn).

În electronică, de departe cele mai folosite pentru asamblarea componentelor, sunt aliajele uşor fuzibile, pe baz ă de Sn şi Pb. 2.2.2. Aliaje de lipit pe baz ă de staniu şi plumb Staniul (cositor)

este un metal alb-argintiu cu nuan ţe albăstrui, maleabil, rezistent la coroziune, cu oxidare lent ă. La temperaturi sub –13,2ºC, Sn sufer ă o modificare alotropică însoţită de o schimbare brusc ă de volum care duce la transformarea într-o pulbere cenu şie. Din acest motiv, Sn pur nu se utilizeaz ă pentru lipire. Se utilizeaz ă însă aliat, deoarece cantităţi de peste 0,3 – 0,5% Bi sau peste 0,5% Pb înl ătur ă aproape complet transformarea. Staniul este scump şi deficitar. Plumbul este un metal cenu şiu-albăstrui, cu luciu caracteristic dup ă secţionare; se oxidează repede, formând o pelicul ă cenuşie, aderent ă, care protejeaz ă metalul de atacurile mediului. Este moale, ductil, pu ţin rezistent la rupere, dar foarte rezistent la acizi. Având temperatur ă de topire ridicat ă şi umectare redus ă pe cupru, pentru lipituri, plumbul se foloseşte aliat cu staniul. Este ieftin. 33


Din diagrama de echilibru a Pb (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 aliajului Sn+Pb (fig. 2.5) se observ ă că d ºC i h temperatura de topire minim ă a aliajului c 300 i l lichid (t ta) se realizeaz ă în punctul eutectic (E), + d i 250 l la 183ºC, cu 61,9% Sn şi 38,1% Pb. o solid+ s Însuşirile de lipire ale aliajelor lichid 200 183,3 Sn+Pb depind de compozi ţie: E 150 d i aliajele cu con ţ inut mare de Sn l solid o s 100 (65 – 98% Sn) sunt foarte bune pentru lipire, stabile, dar scumpe 50 nu se folosesc pentru lipiri în 0 electronică; 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn (%) aliajele cu con ţ inut mă rit de Sn 61,9%Sn + 38,1%Pb (50 – 65% Sn) au cele mai sc ăzute Fig. 2.5. Diagrama de echilibru a sistemului temperaturi de topire (183 – Staniu + Plumb 220ºC), sunt foarte bune pentru lipituri (fluiditate şi capacitate de umezire bun ă) şi sunt de departe cele mai folosite în electronică (şi electrotehnică); aliajele cu con ţ inut mediu de Sn (30 – 50% Sn) lipesc bine multe metale (inclusiv fier şi aliaje de fier) şi sunt mult folosite în general; având temperaturi de topire mai mari sunt relativ pu ţin folosite în electronic ă; aliajele cu con ţ inut redus de Sn (sub 30% Sn) au temperaturi de topire destul de mari, nu lipesc prea bine şi nu se folosesc în electronic ă. Pentru lipiri în electronic ă cele mai folosite sunt aliajele Sn+Pb de înalt ă puritate (total impurităţi sub 0,5 %); unele caracteristici ale acestora apar în tabelul 2.2. •

•

•

•

Tabel 2.2. Aliaje de lipit Sn Pb , codific ări şi unele proprietăţi −

Marca Simbol de %Sn aliajului marcare (rest Pb)

Temperaturi de topire (ºC) început sfâr şit

BPb62Sn 183-245

Lp37

36-38

183

Conductibili- Conductibilitate electrică tate termică (% faţă de Cu) (% faţă de Cu)

245

9,9

Utilizări

9,5

Lipire manşoane de Pb la conducte şi cabluri

BPb59Sn 183-233

Lp40

39-41

183

225

10,1

10,2

Lipirea conductorilor în electrotehnică, lipirea pieselor din aliaje Cu-Zn

BSn49Pb 183-215

Lp50

49-51

183

215

11,0

11,0

Lipirea pieselor, în electronică şi electrotehnică

BSn59Pb 183-190

Lp60

59-61

183

190

11,5

Lipituri fine în electronică şi electrotehnică

Lipituri fine în electronică, pe Lp63 62-64 183 185 11,5 11,9 cablaje imprimate, pentru SMD-uri Lipituri fine în electronică, pe BSn64Sn cablaje imprimate, pentru Lp65 64-66 183 185 183-185 SMD-uri Codificare, denumire şi compoziţie - după STAS 96-80 şi 10881-77; total conţinut impurităţi: sub 0,5 %. BSn62Pb 183-185

34


Destul de frecvent, în aliajeleSn+Pb se introduc şi mici cantităţi de metale de adaos pentru îmbun ătăţirea unor propriet ăţi (adesea îns ă înr ăutăţesc altele); printre cele mai folosite sunt: Adaosurile de stibiu [antimoniu] (Sb) cresc rezisten ţa mecanică; sub 0,3% îmbun ătăţesc capacitatea de umezire iar peste 3,7% o reduc; se produc aliaje Sn+Pb+St cu 0,2 – 0,5% Sb (Lp50Sb şi Lp63Sb) şi cu 2,3-2,8% Sb (Lp40Sb). Adaosurile de argint (Ag) , în cantităţi mici (1 – 5%, uzual l – 2%) asigur ă conductivitate mai mare şi însuşiri mecanice superioare îns ă sunt mai scumpe; se folosesc mult în SUA. Adaosurile de cadmiu (Cd) şi bismut (Bi) reduc temperatura de topire dar au efecte contradictorii şi sunt foarte rar utilizate. Din diverse motive, în aliaj apar substan ţe cu efecte nedorite - impurit ăţ i, ale căror efecte sunt succint prezentate în continuare. Oxigenul este absorbit din aer, în aliajul topit, formând compu şi cu Sn, Pb şi alte substanţe. Ca urmare, la suprafa ţa aliajului se formeaz ă o „zgur ă” care se poate depune pe cablaje, cu efecte nepl ăcute. Zgura este u şor de înl ăturat cu mijloace mecanice, cele chimice nefiind eficiente. 2 Cuprul , fiind foarte solubil în aliajul topit , impurifică rapid băile de lipit şi reduce calitatea lipiturilor (în special se reduce capacitatea de umezire). Sulful, aluminiul şi zincul sunt impurităţi foarte dăunătoare chiar în cantit ăţi foarte reduse; prezen ţa acestor elemente trebuie evitat ă deoarece duce la sc ăderea drastic ă a sudabilităţii cuprului. Este cu des ăvâr şire interzisă folosirea uneltelor din aluminiu, a celor zincate, a plumbului recuperat de la acumulatoare. Limitele de contaminare a b ăilor de aliaj Sn+Pb cu diverse substan ţe şi unele consecinţe sunt indicate în tabelul 2.3. Tabel 2.3. Limitele admise pentru contaminarea b ăilor de lipire cu aliaje Sn+Pb Contaminant Cupru Aur Cadmiu Zinc Aluminiu Stibiu Plumb Arsen Bismut Argint Nichel

•

•

Limitele de contaminare Precositorire Lipire 0,750% 0,300% 0,500% 0,200% 0,010% 0,005% 0,008% 0,005% 0,008% 0,006% 0,500% 0,500% 0,020% 0,020% 0,030% 0,030% 0,250% 0,250% 0,750% 0,100% 0,025% 0,010%

Efecte caracteristice ale contaminării Aliajul devine „gr ăunţos”, formează „punţi”, scade umectarea Aliajul devine „gr ăunţos”, formează „punţi”, ţur ţuri Scade umectarea, lipituri poroase, oxidate Lipituri fragile, poroase, gr ăunţoase, oxidate Lipituri fragile, gr ăunţoase, oxidate Scade umectarea Aliajul devine gr ăunţos, relipirea dificilă Scade umectarea, lipituri cu bule Scade temperatura de topire, suprafeţe oxidate Posibilă reducere a fluidităţii Formează compuşi greu solubili, lipituri fragile

În electronică se folosesc uneori şi aliaje de lipit speciale . Printre acestea sunt: aliajele cu indiu (In), scumpe, dar care permit lipirea aluminiului, zincului, titanului, wolframului, sticlei, ceramicii şi a altor materiale frecvent utilizate în electronic ă; sunt însă necesare fluxuri şi tehnologii de lipire speciale; aliajele cadmiu-zinc (Cd+Zn), având o foarte mare rezisten ţă la coroziune se folosesc în aparatura pentru medii agresive - mediu marin, tropical etc.;

2

Un fir de Cu Cu cu Φ = 0,1mm este dizolvat în circa l minut. Vârfurile ciocanelor de lipit se „consumă” tocmai din cauza acestei solubilităţi. 35

Tehnologie electronică. Capitolul 2 •

aliajele cu bismut (Bi) au temperaturi de topire sc ăzute (50 – 150ºC); aliajul 60% Bi + 27% Pb + 13% Sn are t ta = 70ºC iar aliajul 42% Sn + 58% Bi are t ta = 138ºC.

Formele de prezentare a aliajelor de lipit , de către fabricanţi, depind de tehnologia de lipire utilizată. Pentru lipire în b ă i sau instala ţ ii cu val se folosesc blocuri (lingouri) sau bare de aliaj,

cu forme uzual paralelipipedice. Pentru lipirea cu ciocanul de lipit aliaj flux (pastă) se folosesc, aliaje de lipit tubulare, mai rar sârme sau bare cu sec ţiune redusă. Aliajele de lipit în formă tubular ă, cu variate forme ale canalului -fig. 2.6, au spa ţiul interior umplut cu past ă de flux activat, asigurând aportul concomitent al aliajului şi al cantităţii Fig. 2.6. Aliaje de lipit tubulare necesare de flux; diametrele uzuale variaz ă de la 0,5mm la peste 3mm. Pentru lipirea componentelor cu montare pe suprafa ţă se foloseşte pastă de aliaj de lipit, formată din aliaj sub formă pulbere - particule de 20 – 150µm, înglobate în past ă de flux activat, cu eventual adaos de liant. Pasta se depune (prin serigrafie, prin şabloane) pe punctele (suprafeţele) de lipire ale cablajului, apoi se a şează piesele şi se încălzeşte. Pulberea de aliaj se obţine prin precipitare chimic ă, prin injecţie de aliaj lichid în vid sau gaz inert prin ajutaje foarte înguste, prin depunere galvanic ă sau prelucrare mecanic ă. Cele mai bune pulberi sunt cele cu particule sferice; dimensiunile optime ale particulelor, procentul de aliaj în past ă, viscozitatea pastei şi alte caracteristici depind de tehnologia de aplicare şi de lipire. Pentru anumite aplica ţii, se furnizează şi aliaj de lipit în formă de folii, benzi sau cu contururi preformate ( preforme - inele, cilindri, sfere), acoperite sau nu cu flux.

2.3. Fluxuri (fondanţi) pentru lipire 2.3.1. Generalit ăţi. Cerin ţe

Pentru realizarea lipirii, care implic ă gr ăsimi, alte impurităţi difuzia reciprocă a metalului de baz ă şi a aliajuvapori de apă aditivaţi lui, este necesar în primul rând, contactul nemijlocit între cele dou ă materiale şi pentru oxizi aceasta este necesar ă îndepărtarea tuturor impurităţilor, de pe suprafa ţa metalului de baz ă metal (fig. 2.7) şi a aliajului; în al doilea rând, suprafeţele trebuie protejate s ă nu se impurifice în timpul încălzirii, când aliajul este topit. Aceste Fig. 2.7. Suprafaţa unui metal funcţii, de cur ăţare şi protecţie şi în plus de îmbunătăţire a umezirii, revin unor substan ţe numite fluxuri sau fondan ţ i pentru lipire; în absenţa acestora lipirea nu se poate realiza. Fluxurile trebuie să îndeplinească o serie de cerin ţe, printre care: să aibă temperatur ă de topire (t tf ) inferioar ă temperaturii de topire a aliajului ( t ta), dar să nu „ardă” complet la temperatura de lipire ( t l); la fie lichide şi cu fluiditate suficient ă la t t, să se întindă uşor şi s ă pătrundă în interstiţii; sa dizolve complet şi la timp (înainte de topirea aliajului) toate impurit ăţile, acţiune care trebuie să dureze cât timp se efectueaz ă lipirea; •

•

•

36

Tehnologie electronică. Capitolul 2 • •

• •

să îmbunătăţeasc ă condiţiile de umezire (reducând tensiunea superficial ă aliaj - mediu); să aibă adeziunea la metalul de baz ă mai slabă decât aliajul, pentru ca acesta s ă le poată înlătura în procesul umezirii şi întinderii; să nu fie şi să nu formeze compu şi toxici, corozivi, inflamabili; fluxul r ămas după lipire trebuie să „iasă” la suprafaţa aliajului şi să se poată uşor; resturile de flux trebuie s ă fie electroizolante, solide, s ă nu colecteze impurit ăţi, apă, s ă fie stabile pe durata depozit ării, să se poată manipula uşor şi să fie ieftine. 2.3.2. Tipuri de fluxuri pentru lipire

Clasificarea fluxurilor se poate face din mai multe puncte de vedere. O primă clasificare se face din punct de vedere al ac ţiunii corozive, deosebindu-se: fluxuri active (corozive, acide sau decapante ), de regulă din substan ţe anorganice acide (acid clorhidric, cloruri de zinc sau de amoniu etc.), care cur ăţă suprafeţele prin atac chimic, formând compu şi neaderenţi, solubili; trebuie înl ăturaţi, imediat după lipire pentru că acţiunea corozivă continuă; fluxuri slab active (activate), cu acţiune decapant ă redusă, cur ăţă suprafeţele în principal prin dizolvarea impurităţilor şi sunt formate din substan ţe organice (r ăşini naturale cu activan ţi organici slab acizi); fluxuri neactivate (necorozive, f ăr ă acizi), f ăr ă acţiune decapant ă, cur ăţă suprafeţele numai prin dizolvarea impurit ăţilor şi sunt formate din substan ţe organice, de obicei r ăşini naturale, adesea cu solven ţi şi agenţi de îmbunătăţire a umezirii. În electronică, pentru lipirea cuprului şi aliajelor sale, se utilizeaz ă foarte mult fluxuri f ăr ă acizi şi fluxuri activate; fluxurile acide se folosesc numai pentru p ăr ţi mecanice, cabluri groase. •

•

•

Fluxurile cele mai folosite în electronic ă, pentru lipituri cu aliaje Sn+Pb sunt pe baz ă de colofoniu, o r ăşină natural ă obţinută prin distilarea uleiurilor r ăşinoase de conifere. Colofoniul este un amestec de acid abietic (C 20H30O2, peste 80%) cu al ţi acizi şi esteri. Este o substan ţă solidă, cu aspect sticlos, translucid, colorat de la galben deschis la maro închis, cu rezisten ţă mecanică redusă, cu bune însu şiri izolante, nehigroscopic; este insolubil în apă dar solubil în majoritatea solven ţilor organici (alcool, eter, glicerina ...). Se înmoaie pe la 70ºC şi este complet lichid pe la 125ºC. Colofoniul dizolv ă oxizii; pe la 150ºC dizolv ă foarte bine oxizii cuprului. La temperaturile uzuale de lipire - peste 210ºC, colofoniul fierbe şi arde, degajând fum cu miros caracteristic, practic netoxic. Colofoniul se poate folosi ca flux neactivat în stare solid ă - preluat sub form ă topită pe vârful ciocanului de lipit, sau ca pelicul ă - rezultată în urma depunerii lacului de colofoniu 3 4 Fluxurile activate pentru electronic ă sunt, de obicei, tot pe baz ă de colofoniu, cu adaosuri de activan ţi, de obicei compu şi de clor (l – 2%) - uzuali-sunt anilin ă clorhidrică şi dietilamină clorhidrică5 . Gradul de „activare” depinde de natura şi conţinutul în agent activ. După lipire, resturile de flux cu compu şi de clor sunt poten ţial active şi trebuie înlăturate. Colofoniul şi activantul se amestec ă cu diluanţi formând paste sau solu ţii. Ca solven ţi se 3

Lacul de colofoniu se prepar ă din colofoniu pulbere (15%) dizolvat în alcool etilic (85%), la 70 – 80ºC; se recomandă filtrarea şi păstrarea în vase bine închise. In timp, calităţile de fondant scad. 4 Experienţa a ar ătat că fluxurile activate pe bază de substanţe organice se degradează în timp - în principal scade capacitatea de cur ăţare, mai ales dacă condiţiile de depozitare nu sunt corecte. Fluxurile trebuie folosite în termenul de valabilitate indicat de producător sau imediat după preparare. 5 Un flux slab activat uşor de preparat conţine: glicerina (1,5%), anilină clorhidrică (1,5 – 2%) restul colofoniu, totul bine amestecat în mojar. 37


folosesc alcooluri pure sau în amestec (izopropilic, izobutilic, metilic, ...), glicoli (glicerina, de exemplu) sau terebentin ă cu alcool. O categorie aparte de fluxuri activate sunt cele numite organo-fluxuri , f ăr ă r ăşini, formate din amestecuri de acizi organici (butiric, lactic, ...) cu adaosuri de activan ţi (compuşi de clor), totul în solvent - uzual ap ă, ap ă cu alcool, glicoli etc. Organo-fluxurile sunt utilizabile cam pentru toate metalele şi aliajele folosite în electronic ă (şi acolo unde fluxurile cu r ăşini nu sunt eficace), dar reziduurile sunt corozive şi trebuie îndep ărtate după lipire - de obicei prin spălare cu apă. Tabel 2.4. Fluxuri recomandate pentru lipiri cu aliaje Sn+Pb în electronic ă Metal/aliaj de bază Cupru Alamă Bronz Argint Aur Cadmiu Cu nichelat Cu stanat Oţel Zinc Nichel

Flux recomandat Flux pe bază de r ăşină (colofoniu) neactiv

√

slab activat √

√

√

√

activat

√ √ √ √ √ √ √ √ √ √

supra activat √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √

Organoflux

√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √

Flux anorganic

√ √ √ √ √ √ √ √ √ √

Observaţii Necesar ă bună cur ăţare Necesită bună cur ăţare Uneori trebuie cur ăţat Se refer ă la acoperiri cu aur Se refer ă la acoperiri cu Cd Uneori trebuie cur ăţat

Efectele fluxului (cu o compozi ţie dată), care determină în mare măsur ă calitatea lipiturilor, sunt determinate de valoarea temperaturii de lipire. Aceast ă temperatur ă - şi durata menţinerii, se stabileşte în funcţie de mai mul ţi factori: temperaturile maxime admise de suporturi şi componente, temperatura optim ă pentru umezire cu aliaj, ..., dar comportarea fluxului este factorul determinant. Experienţa a ar ătat că, din punct de vedere al ac ţiunii fluxurilor slab activate şi neactivate, pe baz ă de r ăşină (colofoniu) - de departe cele mai folosite în electronic ă, temperaturile optime sunt în intervalul 235 – 275ºC, valori care coincid cu cele potrivite pentru lipirea cu aliaje Sn (65-40 %) + Pb (35-60 %); de asemenea, suporturile şi componentele rezist ă la aceste temperaturi timp de 10 – 30 secunde, suficient pentru realizarea lipiturii. La temperaturi în afara intervalului men ţionat (mai mici sau mai mari) ac ţiunea fluxului este mult diminuată.

2.3.3. Procedee de fluxare •

Depunerea fluxului pe suprafe ţele care se vor lipi se nume şte fluxare şi se poate face: concomitent cu aportul de aliaj: în cazul lipirii cu ciocanul, preluând o pic ătur ă de colofoniu pe vârful ciocanului sau utilizând aliaj tubular; în cazul lipirii pieselor cu montare pe suprafa ţă, când se folosesc paste de lipit sau preforme fluxate; înaintea aportului de aliaj, în cazul lipirii în b ăi sau instalaţii cu val. •

•

•

38


În tehnologia de asamblare „clasic ă”, cu componentele fixate cu terminalele în g ăurile plăcilor de cablaj imprimat (tehnologia TH sau THT = Through Holes Technology), lipirea se realizează de obicei în und ă (val) de aliaj sau în b ăi, plăcile fiind în mi şcare continuă, antrenate cu benzi sau role transportoare. Aceasta impune ca fluxarea prealabil ă să se facă tot în tim pul deplas ării plăcilor; lipirea se face dup ă uscarea complet ă sau aproape complet ă a fluxului. Se folosesc mai multe procedee: 1. Fluxarea prin pensulare se realizează aplicând fluxul lichid pe suprafe ţele care se vor lipi, cu o pensul ă. Procedeul este simplu dar lent, neproductiv şi nu permite dozarea fluxului depus. Fluxarea prin pensulare cu perie rotativ ă se face cu o perie cilindric ă, cu fire din plastic, care se rote şte preluând flux din baie şi depunându-l pe pl ăci. Procedeul este foarte simplu, dar nu permite dozarea fluxului, firele periei se pot ag ăţa pe terminale sau componente, se poate depune flux şi unde nu trebuie, ...; din aceste motive, procedeul este foarte rar utilizat în prezent. 2. Fluxarea prin imersie se face cufundând foarte pu ţin plăcile (cu faţa de lipire în jos) în băi cu flux lichid (mai mult „atingând” suprafa ţa fluxului). Procedeul este simplu dar cu multe dezavantaje - „adâncimea” de cufundare trebuie controlat ă foarte precis, cantitatea de flux depus ă nu se poate controla precis, se poate depune flux şi unde nu trebuie (în găuri, pe componente, pe contacte, ...), fluxul se impurific ă repede, fluiditatea trebuie controlată permanent etc. În prezent procedeul este aproape neutilizat pentru pl ăci, dar se foloseşte pentru fluxarea capetelor conductoarelor. 3. Fluxarea cu jet prin pulverizare se face împroşcând flux lichid sau pulbere, cu pulverizatoare cu aer comprimat, prin ajutaje potrivite. Pulverizarea este comandat ă manual sau automat, când pl ăcile sunt deasupra pulverizatorului. Procedeul este eficient, destul de frecvent utilizat. Printre dezavantaje sunt: frecventa blocare a ajutajelor cu flux scurs, imposibilitatea recuper ării fluxului în exces şi posibila oxidare a fluxului în aer. 4. Fluxarea cu jet prin împro şcare f ă r ă aer se face cu jeturi foarte fine de flux, ob ţinute la ieşirea ajutajelor prin care fluxul sub presiune este for ţat s ă iasă. Procedeul este eficient, ajutajele nu se blocheaz ă, oxidarea în aer este evitat ă; totuşi procedeul nu este foarte r ăspândit. 5. Fluxarea prin împro şcare cu pică turi se face et (picături cu o sită cilindrică, în rotaţie lentă; ochiurile de flux) sitei sunt umplute cu flux lichid la trecerea prin baia de flux, apoi ajung deasupra unui sită rotativă ajutaj cu deschidere lung ă şi îngustă (în formă (tambur) de „cuţit”) prin care se sufl ă aer sub presiune ajutaj (aer – fig. 2.8. Jetul de aer for ţează fluxul din comprimat) ochiuri să iasă sub formă de picături mici care se depun pe pl ăcile de cablaj. Presiunea flux lichid aerului şi viteza de rota ţie a sitei pot fi controlate, reglând cantitatea de flux depus ă. Dezavantajul const ă în faptul că fluxul în exces, eventual impurificat, recade în baie. 6. Fluxarea în val se realizează trecând pl ăcile printr-un „val” sau undă staţionar ă, formată Fig. 2.8. Fluxare cu jet de picături prin pomparea fluxului printr-un ajutaj cu deschidere dreptunghiular ă - fig. 2.9. [Procedeul este relativ simplu, permite controlul cantităţii de flux depus (reglând înălţimea valului) - dar nu foarte precis iar fluxul în exces recade în rezervor. Impurificarea fluxului este redusă iar efectele sunt de regulă neglijabile. Totuşi, în condiţiile actuale, pentru asigurarea unei rate a defectelor de lipire tinzând spre zero, se impun toate măsurile imaginabile pentru eliminarea eventualelor cauze a lipiturilor cu defecte.] 39

Tehnologie electronică. Capitolul 2 val de flux ajutaj

flux lichid pompă

spumă de flux tambur poros aer sub presiune

Fig. 2.10. Fluxarea cu spumă

Fig. 2.9. Fluxarea în val (undă staţionar ă)

7. Fluxarea cu spumă se face trecând pl ăcile printr-un val de spum ă de flux. Spuma se obţine trecând aer sub presiune printr-o piatr ă poroasă plasată în baia cu flux într-un vas deschis la partea superioar ă; la ieşirea din vas se formeaz ă un val de spum ă cu înălţime constantă şi mică (sub 6mm, rar pân ă la 10 – 12mm). Excesul de spum ă se scurge în baia de flux sau într-un vas colector, sau este înl ăturat cu ajutorul unui jet de aer com primat, mai rar folosind perii. Fluxarea cu spum ă este foarte utilizat ă, echipamentul este simplu, uşor de întreţinut, asigur ă fluxare bună, dar terminalele nu pot fi mai lungi de 6 – 10mm.

2.4. Preîncălzirea În toate tehnologiile industriale moderne, dup ă fluxare şi înaintea lipirii, se procedează la preîncălzirea pl ăcilor; numai în cazul lipirii cu ciocanul de lipit nu se procedeaz ă la preîncălzire. Preîncă lzirea are ca scopuri: accelerarea lipirii, prin cre şterea temperaturii în zonele de lipire înaintea aplic ării aliajului (piesele, suporturile, ... sunt solicitate la temperatura de lipire un timp mult mai scurt); prevenirea şocului termic asupra componentelor la aplicarea aliajului topit; prevenirea scăderii bruşte a temperaturii aliajului la contactul cu piesele care trebuie lipite; evaporarea solven ţilor din fluxul depus (la aplicarea aliajului, ace şti solvenţi intr ă în fierbere şi se pot forma „bule” între aliaj şi metalele de baz ă); activarea fluxului înaintea aplic ării aliajului. •

• •

•

•

• • • •

Ideal, un sistem de preînc ălzire trebuie să asigure: încălzirea rapidă a metalelor în zonele de lipire, f ăr ă sa afecteze suportul izolant; să asigure aceea şi temperatur ă la ieşire, pentru toate pl ăcile; să permită reglarea suprafeţelor de încălzire, în funcţie de dimensiunile pl ăcilor; să fie eficient energetic, s ă disipe puţină căldur ă pe lângă plăci şi să se „autocure ţe”.

Temperatura de preînc ălzire depinde de tipul fluxului, natura suportului pl ăcilor, însuşirile componentelor şi procedeul de lipire, în cazul pl ăcilor cu componente montate în găuri, care se lipesc pe o singur ă parte, fluxate cu fondan ţi pe bază de r ăşini, preîncălzirea se face până la 120 – 160ºC (suporturi din pertinax)... 150 – 200ºC (suporturi din sticlotextolit) pe faţa de lipire; pe fa ţa opusă (cu piesele), temperatura este cu 80 – 110ºC mai mic ă.

40


Preîncălzirea se poate face: prin înc ălzire electrică, cu aer cald sau cu radia ţii infraroşii Preîncă lzirea electric ă se face cu plite (pl ăci) sau bare înc ălzite electric, pe care se aşează plăcile (în contact direct sau cu site sau folii metalice 6 pentru susţinerea plăcilor). Transmisia căldurii se face prin conduc ţie şi radiaţie; convecţia este neglijabil ă în cazul plitelor, dar importantă când se folosesc bare (aerul circul ă printre bare). Plitele pentru preînc ă lzire sunt structuri „sandwitch” cu rezisten ţe de înc ălzire încor porate în ceramică între plăci metalice. Alimentarea rezisten ţelor se face în func ţie de dimensiunile plăcilor de cablaj, pentru evitarea pierderilor la margini. Plitele se „autocur ăţă” prin arderea impurit ăţilor; la nevoie, resturile pot fi u şor îndepărtate cu perii, raclete. Procedeul este simplu, fiabil, des folosit în toate situa ţiile, exceptând cazul componentelor montate pe suprafa ţă; un dezavantaj const ă în durata mare de atingere a temperaturii de lucru (30 - 60 minute) Barele pentru preînc ă lzire sunt tuburi metalice cu rezisten ţe izolate în ceramic ă încorporate, plasate în lungul benzii transportoare a pl ăcilor (în funcţie de lăţimea plăcilor, unele bare sunt nealimentate). Barele se autocur ăţă, dar uneori se acoper ă cu folie de aluminiu care, dup ă murdărire, se înlocuie şte. Barele ajung repede la temperatura de lucru (10 - 15 minute), dar eficien ţa energetică este cam aceea şi cu a plitelor. Preîncă lzirea cu aer cald se face cu jeturi de aer fierbinte, ob ţinute în schimbătoare de căldur ă încălzite electric. Transmisia c ăldurii se face prin convec ţie, deci cu eficien ţă redusă, din care motiv se folose şte în combinaţie cu alte metode de preînc ălzire. Procedeul este foarte curat şi este des folosit mai ales pentru pl ăcile cu componente montate pe suprafa ţă. Un avantaj const ă în evacuarea implicit ă a vaporilor de flux şi diluant. Preîncă lzirea cu radia ţ ii infraro şii este foarte folosită în prezent, mai ales pentru pl ăci cu componente montate pe suprafa ţă, deoarece procesul este u şor şi precis controlabil, curat, eficient energetic şi se poate face cu deplasarea continu ă a pl ăcilor. Sursele de infraro şii sunt filamente din wolfram în incinte de cuar ţ cu diferite forme: plăci, tuburi sau l ămpi (becuri) cu reflectoare. Sursele de infraro şii sunt scumpe, trebuie manipulate cu aten ţie, trebuie evitată depunerea prafului sau a gr ăsimilor 7 şi supraîncălzirea. Transmisia c ăldurii se face în principal prin radiaţie (uzual în banda de 3µm), dar adesea şi convecţia este important ă – incinta de preînc ălzire este prev ăzută cu orificii de admisie (în partea de jos) şi evacuare (sus) a aerului (convec ţia este de regul ă naturală). •

•

6

Trebuie evitate foliile din aluminiu, acestea reflectând puternic radiaţiile infraroşii. Ştergerea trebuie f ăcută cu deosebită atenţie - orice urme de gr ăsimi sau alte substanţe reduc transmisia căldurii (radiaţia), temperatura becurilor creşte şi durata de viaţă se reduce drastic. 7

41

tehnologia lipirii

Recommend Documents