8

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2003

Topniki, rodzaje i metody

ich nanoszenia

Wiêkszoœæ metali b¹dŸ stopów reaguje z otacza-

j¹c¹ je atmosfer¹ gazow¹ i na ich powierzchni

tworzy siê warstwa trudno topliwych niemetalicz-

nych zwi¹zków, np. tlenki, siarczki itp. Intensyw-

noœæ tego procesu wzrasta z podwy¿szeniem

temperatury. Wymagan¹ czystoœæ ³¹czonych

powierzchni i lutu zapewnia siê miêdzy innymi

przez u¿ywanie przy lutowaniu specjalnych

substancji zwanych topnikami.

Dzia³anie topników polega na rozpuszczaniu

i usuwaniu zwi¹zków niemetalicznych z ³¹czo-

nych powierzchni i ciek³ego lutu oraz ochronie

lutowanego obszaru przed agresywnym dzia-

³aniem otaczaj¹cych gazów. Dodatkowo wiêk-

szoœæ topników powoduje zmniejszenie na-

piêcia powierzchniowego ciek³ych lutów, a tym

samym polepsza zwil¿alnoœæ.

Topnikom stawia siê nastêpuj¹ce wymagania:

q

ich temperatura topnienia powinna byæ ni¿-

sza od temperatury topnienia lutu, a tempera-

tura parowania wy¿sza, czyli podczas lutowa-

nia ciek³y topnik powinien pokrywaæ miejsce lu-

towania,

q

powinny byæ ca³kowicie obojêtne chemicz-

nie wzglêdem lutowanych metali i lutu, a agre-

sywne wobec warstw tlenków i innych zwi¹z-

ków istniej¹cych na ich powierzchni,

q

pozosta³oœci topnika i rozpuszczone w nim

zwi¹zki powinny wyp³ywaæ na powierzchnie

lutu w momencie zetkniêcia siê ciek³ego lutu

z lutowanym materia³em,

q

resztki topnika i powsta³y ¿u¿el powinny

siê ³atwo usuwaæ,

q

przy d³u¿szym przechowywaniu nie powinny

zmieniaæ sk³adu chemicznego i w³aœciwoœci,

q

nie powinny zawieraæ sk³adników szkodli-

wych dla zdrowia i œrodowiska.

Uniwersalnych topników, które nadawa³yby siê

do lutowania wszystkich metali i stopów, nie

uda³o siê opracowaæ. W praktyce spotyka siê

topniki o ró¿nych w³aœciwoœciach, a dobór ich

przeprowadza siê z uwzglêdnieniem przede

wszystkim w³asnoœci lutowanych metali i stoso-

wanego lutu.

Rodzaje topników

Topniki mo¿na podzieliæ na dwie grupy: kalafo-

niowe i wodne. Topniki kalafoniowe zawieraj¹

trzy g³ówne sk³adniki: kalafoniê, aktywator i roz-

puszczalnik. Rozpuszczalnik jest noœnikiem dla

kalafonii i aktywatorów. U³atwia ich dostarczenie

do miejsca lutowania i zwiêksza ich oddzia³ywa-

nie na lutowane powierzchnie. Kalafonia jest

naturaln¹ substancj¹ otrzymywan¹ z ¿ywic

drzew iglastych i w normalnych warunkach jest

cia³em sta³ym. Temperatura topnienia kalafonii

wynosi 125

÷

150

o

C. Mo¿na j¹ zatem stosowaæ

jako topnik dla prawie wszystkich lutów miêkkich

(do temperatury 300

o

C). Najwa¿niejsz¹ zalet¹

kalafonii jest brak powinowactwa chemicznego

z metalami i stopami. Dziêki temu mo¿na jej re-

sztki pozostawiaæ po lutowaniu. Dzia³anie kala-

fonii nie ogranicza siê tylko do ochrony lutowa-

nego po³¹czenia. Zmniejsza ona ponadto napiê-

cie powierzchniowe ciek³ych lutów, a tym samym

polepsza ich rozp³ywnoœæ. Jest mieszanin¹ wie-

lu kwasów organicznych, z których najwa¿niej-

szym jest kwas abietynowy (C

20

H

30

O

2

). Kwas

ten w temperaturze powy¿ej 150

o

C powoduje

czêœciowe rozpuszczanie tlenków miedzi. Przy

lutowaniu lutownic¹ stosowana jest kalafonia

w postaci proszku lub bry³ek, natomiast przy lu-

towaniu automatycznym stosuje siê kalafoniê

w postaci roztworów. Do rozpuszczania kalafo-

nii stosuje siê zazwyczaj alkohol etylowy, meta-

nol lub alkohol izopropylowy.

Topniki ró¿ni¹ siê miêdzy sob¹ g³ównie propor-

cjami kalafonii do aktywatorów (co decyduje

o aktywnoœci topnika), rodzajem aktywatorów

i proporcjami rozpuszczalnika do rozpuszcza-

nych sk³adników (co decyduje o iloœci topnika

nanoszonego na lutowane powierzchnie). Pod

wzglêdem aktywnoœci topniki kalafoniowe dzie-

li siê na trzy grupy:

q

typ R (Rosin) _ bez aktywatorów, zawiera-

j¹ce wy³¹cznie kalafoniê,

q

typ RMA(Rosin Middle Activated) _ œrednio-

aktywne, zawieraj¹ce niewielk¹ iloœæ aktywato-

rów, które po operacji lutowania s¹ chemicznie

obojêtne i niekorozyjne,

q

typ RA (Rosin Activated) _ aktywne, o naj-

wiêkszej iloœci aktywatorów, których nie wolno

pozostawiaæ po lutowaniu, a obszar po³¹czenia

musi byæ myty.

Topniki wodne to tak¿e topniki, których pozosta-

³oœci po lutowaniu s¹ rozpuszczalne w wodzie.

W sk³ad topników wodnych wchodz¹ zwi¹zki,

takie jak: sk³adniki aktywne chemicznie, s³u¿¹-

ce do oczyszczania powierzchni, substancje

u³atwiaj¹ce rozp³yw topników po powierzchni

oraz rozpuszczalniki – glikole lub rozpuszczal-

ne w wodzie polimery. Zadaniem rozpuszczal-

ników jest utrzymanie aktywatora w bliskim

kontakcie z powierzchni¹ metalu.
Metody nanoszenia topników

Sposób dozowania topników jest œciœle

zwi¹zany z technologi¹ lutowania. Wtedy, gdy

stosuje siê lutowanie na fali, topniki s¹ nanoszo-

ne na doln¹ stronê p³ytki drukowanej w opera-

cji zwanej topnikowaniem. Przy lutowaniu roz-

p³ywowym topnik jest sk³adnikiem pasty lu-

towniczej i wraz z ni¹ nanoszony jest na pola

lutownicze p³ytki drukowanej.

Nanoszona w operacji topnikowania warstwa

topnika powinna byæ ci¹g³a i o jednakowej gru-

boœci. W rozwi¹zaniach przemys³owych topni-

ki nanosi siê jednym z nastêpuj¹cych sposo-

bów: na fali, pianowo lub natryskiem. Po topni-

kowaniu p³ytka jest wstêpnie podgrzewana

w celu uzyskania w³aœciwej gêstoœci topnika,

zwiêkszenia jego aktywnoœci oraz zmniejsze-

nia szoku cieplnego, na jaki jest nara¿ona

w zetkniêciu z du¿¹ mas¹, roztopionego lutu.

Przy topnikowaniu na fali (rys.10), topnik ze

zbiornika jest pompowany do góry przez dyszê

przyjmuj¹c kszta³t fali. P³ytka drukowana umie-

szczona na transporterze przechodzi nad fal¹

dotykaj¹c jej i nastêpuje pokrycie spodniej stro-

ny p³ytki topnikiem.

Przy topnikowaniu pianowym powietrze prze-

t³aczane jest przez ceramiczn¹ porowat¹

kszta³tkê, która wytwarza spieniony topnik. Pia-

na wydobywa siê przez dyszê do góry, a p³yt-

ki przemieszczane nad ni¹ s¹ równomiernie

zwil¿ane topnikiem (rys. 11). Piana ma dobre

w³asnoœci penetruj¹ce i dobrze zwil¿a wypro-

wadzenia. Metoda ta jest zalecana przy modu-

³ach o du¿ej liczbie gêsto rozmieszczonych

otworów metalizowanych.

Topnikowanie natryskiem (rys. 12) jest metod¹

umo¿liwiaj¹c¹ uzyskiwanie równomiernych po-

kryæ. £atwo steruje siê prac¹ urz¹dzenia. Wa-

d¹ jest wysoki koszt wynikaj¹cy z du¿ego zu-

¿ycia lotnych rozpuszczalników z topnika, a po-

nadto znaczne zanieczyszczenie œrodowiska.

Dlatego niekiedy stosuje siê uk³ady zamkniê-

te, aby ograniczyæ straty rozpuszczalnika.

PROCESY TECHNOLOGICZNE

MONTA¯U POWIERZCHNIOWEGO

(3)

r

PORADNIK

ELEKTRONIKA

Rys. 10. Topnikowanie na fali

Rys. 11. Topnikowanie pianowe

Rys. 12. Topnikowanie natryskowe

Topnik

Topnik

Topnik

Element wiruj¹cy

Sprê¿one powietrze

Sprê¿one powietrze

Porowata rurka ceramiczna

Pompa

MONT

MONT

A¯ POWIERZCHNIOWY _ KONSTRUKCJA I TECHNOLOGIA

A¯ POWIERZCHNIOWY _ KONSTRUKCJA I TECHNOLOGIA

¿e jest ona niewystarczaj¹ca do usuniêcia

nadmiaru lutowia z ³¹czonych powierzchni oraz

mostków z s¹siaduj¹cych wyprowadzeñ. Z te-

go wzglêdu za fal¹ turbulentn¹ stosuje siê dru-

g¹ falê laminarn¹ (uwarstwion¹). Ponadto w

niektórych systemach lutowania na podwój-

nej fali na p³ytkê wychodz¹c¹ z fali stosuje siê

nadmuch gor¹cego powietrza (tzw. nó¿ po-

wietrzny), co zwiêksza skutecznoœæ usuwania

nadmiaru lutowia z ³¹czonych powierzchni.
Metody mycia p³ytek

Po operacji lutowania obwody drukowane po-

kryte s¹ pozosta³oœciami materia³ów pomoc-

niczych stosowanych w tej operacji oraz za-

nieczyszczeniami (po dotykaniu rêkami,

z otaczaj¹cej atmosfery) w szczególnoœci

s¹ to:

q

pozosta³oœci topników (kalafonia, zwi¹z-

ki organiczne z topników bezkalafonio-

wych oraz aktywatory),

q

oleje lutownicze,

q

oleje i inne smary oraz t³uszcze wprowa-

dzone przez kontakt z brudnymi przedmio-

tami,

q

sole i t³uszcze wniesione przez dotyk

palcami,

q

cz¹stki cia³ sta³ych jak kurz, mikrosko-

pijne cz¹stki metali,

q

pozosta³oœci roztworów i zwi¹zków che-

micznych z operacji wytwarzania p³ytek.

Zanieczyszczenia te wystêpuj¹ na powierzch-

ni w postaci mazistej lub suchej. Ich szkodliwoϾ

polega na:

q

powodowaniu up³ywnoœci elektrycznych

i przebiæ elektrycznych zak³ócaj¹cych pracê

modu³u,

q

powodowaniu postêpuj¹cej korozji metalo-

wych fragmentów p³ytek,

q

powodowaniu, wskutek lepkoœci, groma-

dzenia dalszych zanieczyszczeñ,

q

uniemo¿liwieniu kontaktu elektrycznego

wskutek zanieczyszczeñ styków,

q

powodowaniu wtórnych zjawisk, np. ple-

œnienia.

Mycie obwodów drukowanych jest operacj¹

konieczn¹ dla modu³ów o du¿ej niezawodno-

œci, a zalecan¹ dla pozosta³ych.

Wiêkszoœæ zanieczyszczeñ jest rozpuszczalna,

konieczne jest jednak dobranie w³aœciwego

rozpuszczalnika oraz metody mycia. Nale¿y

pamiêtaæ o koniecznoœci uwzglêdnienia wp³y-

wu rozpuszczalników i metody mycia na podze-

spo³y ju¿ zmontowane. Jeœli nie mo¿na unikn¹æ

szkodliwego dzia³ania rozpuszczalnika na

podzespo³y, to trzeba je przenieœæ z monta¿u

g³ównego do uzupe³niaj¹cego, po myciu.

Rozpuszczalniki i substancje rozpuszczane

dzieli siê na polarne i niepolarne. Podzia³ ten

wynika ze struktury cz¹steczki i jej zachowania

siê w roztworze. W cz¹steczce substancji po-

larnej istniej¹ wi¹zania elektrostatyczne. Cz¹-

steczki te w roztworze dysocjuj¹ na jony i ma-

j¹ ³adunek elektryczny. Natomiast cz¹steczki

substancji niepolarnych w roztworze pozosta-

j¹ elektrycznie obojêtne.

Z regu³y do zmywania zanieczyszczeñ typu

polarnego nale¿y szukaæ rozpuszczalnika

wœród cieczy polarnych i analogicznie do sub-

stancji niepolarnych _ rozpuszczalników niepo-

larnych (wyj¹tek stanowi¹ alkohole _ zwi¹zki

polarne, a dobrze rozpuszczaj¹ce niepolarn¹

kalafoniê).

n

Ryszard Kisiel, Cezary Rudnicki

9

Lutowanie na fali

Konwencjonalne urz¹dzenia do lutowania na fa-

li s¹ stosowane dla konfiguracji typu III, w której

po stronie monta¿owej znajduj¹ siê podzespo-

³y przewlekane, a po stronie lutowania ma³e

podzespo³y powierzchniowe, czyli do wyko-

nywania p³ytek o ma³ej gêstoœci upakowania.

Ze wzrostem gêstoœci upakowania, niezwil¿o-

ne powierzchnie i mostki lutownicze mog¹

ograniczaæ stosowanie tej metody. Szczególnie

dotyczy to monta¿u uk³adów scalonych i wte-

dy nale¿y siêgn¹æ po bardziej rozbudowane

metody lutowania na podwójnej fali. Przy luto-

waniu na fali podzespo³ów powierzchniowych

nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e pola lutownicze nie

mog¹ byæ zwil¿one klejem. Przez odpowie-

dnie zaprojektowanie nale¿y unikaæ cieniowa-

nia i mostkowania.

Typowy przebieg profilu temperatury przy luto-

waniu, na fali przedstawiono na rys. 13.

Wyró¿nia siê kilka faz: podgrzewania wstêpne-

go, podgrzewania wtórnego, lutowania

i ch³odzenia. Etap wygrzewania wstêpnego

ma za zadanie podwy¿szyæ temperaturê p³yt-

ki i podzespo³ów tak, aby przyspieszyæ lutowa-

nie i skróciæ czas osi¹gania przez p³ytkê tem-

peratury ciek³ego lutu. Typowe temperatury

góry p³ytki po podgrzewaniu wstêpnym zesta-

wiono w tablicy 2. Równie istotny jest czas

podgrzewania wtórnego. Zbyt krótki mo¿e nie

uaktywniæ topnika i w konsekwencji prowadzi

to do pogorszenia zwil¿ania. Mo¿e tak¿e pro-

wadziæ do powstawania kuleczek lutowia, wte-

dy, gdy „za zimny” topnik styka siê z ciek³ym lu-

tem i uwalniaj¹cy siê wtedy gwa³townie rozpu-

szczalnik rozbryzguje lut.

Przebieg temperatur w fazie lutowania wynika

z natury automatycznego lutowania. Wysta-

wienie p³ytki na dzia³anie ciek³ego lutu (tempe-

ratury 240

÷

250

o

C) powinno byæ ograniczone.

Zachodzi potrzeba balansowania miêdzy dwie-

ma tendencjami: d³ugiego wystawienia na dzia-

³anie lutu, aby dobrze przylutowaæ, a z drugiej

strony skracania czasu lutowania, aby nie

uszkodziæ podzespo³ów.

Omówiony powy¿ej proces lutowania na poje-

dynczej fali nie zawsze mo¿e byæ stosowany,

zw³aszcza w odniesieniu do p³ytek o du¿ym

upakowaniu (np. w konfiguracji typu II). Wtedy

stosujemy lutowanie na podwójnej fali (rys.

14). Pierwsza, zasadnicza fala jest w¹sk¹ fal¹

turbulentn¹ (burzliw¹) o wysokiej dynamice

przep³ywu w kierunku pionowym. Zapewnia

ona skuteczn¹ penetracjê lutowia do wyprowa-

dzeñ podzespo³ów i nie daje efektów cieniowa-

nia, je¿eli wysokoœæ podzespo³u nie jest wiêk-

sza ni¿ 4

÷

5 mm. Wad¹ fali turbulentnej jest to,

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2003

Typ monta¿u

Temperatura górnej

warstwy p³ytki [

o

C]

Jednostronny

80

Dwustronny, przewlekany

90-100

Wielowarstwowy, 4

÷

6 warstw

100

Dwustronny, powierzchniowy

110

T a b l i c a 2. Temperatura „góry” p³ytki po podgrze-

waniu wstêpnym

Rys. 13. Typowy przebieg temperatury przy

lutowaniu na fali

t

Pierwsze grzanie

wstêpne

Drugie grzanie

wstêpne

Temperatura

lutowania

Szczytowa temperatura

przy wyjœciu fali

Wejœcie fali

250

183

T

[

o

C]

Rys. 14. Lutowanie na podwójnej fali spoiwa

Lut

Kierunek

przesuwu

p³ytki