Topniki lutownicze - kryteria wyboru

Poniedziałek, 15 maja 2023 | Technika

Zestaw odpowiednich topników jest niezbędnym elementem każdego serwisu i warsztatu elektronicznego – bez jego zastosowania niezwykle trudno prawidłowo przeprowadzić proces lutowania. Pomimo to, wiedza na temat wyboru i zastosowań topników nie jest tak upowszechniona jak w przypadku np. pasty lutowniczej. Warto zapoznać się z przeglądem podstawowych informacji na temat tej substancji.

Topnik to substancja wykorzystywana w procesie lutowania układów elektronicznych. Jego zadanie polega na oczyszczeniu lutowanej powierzchni z tlenków metali oraz innych zanieczyszczeń, jak również na odcięciu kontaktu z powietrzem, co utrudnia dalsze utlenianie powierzchni. Topnik ułatwia też topnienie lutowia, przez co zwiększa płynność lutowania.

Topnik kalafoniowy

Topnik kalafoniowy (typu "R") jest historycznie pierwszym i wciąż powszechnie wykorzystywanym rodzajem tego produktu. Kalafonia jest substancją pochodzenia naturalnego, pozyskiwaną z żywicy drzew iglastych. Charakteryzuje się niską aktywnością chemiczną, z tego też powodu nadaje się do użytku jedynie na powierzchniach czystych, nieutlenionych oraz łatwych do lutowania. Jej pozostałości nie są żrące, zatem bardzo łatwo można je usunąć za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika.

Topniki mogą zawierać w swoim składzie także dodatkowe substancje zwiększające ich aktywność, tzw. aktywatory (m.in. różnego rodzaju kwasy organiczne). Poprawia to zdolność topnika do usuwania zanieczyszczeń, pozwalając przeprowadzić proces lutowania nawet na silnie utlenionych powierzchniach. Tego typu topniki dzieli się na średnio aktywowane (RMA) oraz aktywowane (RA). Wadą topników aktywowanych jest to, że pozostałości po ich wykorzystaniu w procesie lutowania są żrące, przez co mogą prowadzić do korozji lutowanych powierzchni i elementów. Z tego powodu muszą zostać bardzo dokładnie i możliwie szybko oczyszczone z użyciem odpowiednich rozpuszczalników.

Topnik typu No-Clean

Topniki No-Clean (NC) konstruowane są zazwyczaj na bazie kalafonii, z domieszką rozpuszczalnika oraz niewielkich ilości aktywatora. Mają właściwości lutownicze zbliżone to topników typu R – nadają się do lutowania czystych powierzchni. Pozostałości topnika NC co do zasady nie wymagają czyszczenia – nie są żrące, mają dobre parametry izolacyjne, nie stanowią zatem zagrożenia dla obwodu drukowanego. Ułatwia to proces montażu i znacząco zmniejsza ryzyko uszkodzenia płytki wskutek niedokładnego jej czyszczenia.

Pozostałości topników NC nie stanowią zagrożenia dla parametrów elektrycznych obwodu, w niektórych przypadkach wciąż jednak może być zalecane ich wyczyszczenie. Ich powierzchnia może przyciągać drobiny kurzu oraz innych zanieczyszczeń, co istotnie pogarsza właściwości adhezyjne płytki PCB. Przykładowo, jeśli po zakończeniu montażu elementów powierzchnia obwodu musi zostać pokryta dodatkową warstwą powłoki ochronnej, konieczne jest usunięcie wszelkich pozostałości topnika. Nawet niewielka ilość tego typu substancji może powodować gorszą przyczepność, a w efekcie późniejsze odpadanie nałożonej powłoki.

Topnik rozpuszczalny w wodzie

Topniki typu WS (Water Soluble, rozpuszczalne w wodzie) charakteryzują się tym, że ich pozostałości mogą być usuwane za pomocą mycia wodą. Wykonane są z kwasów organicznych, tiksotropu i rozpuszczalnika. Występują w szerokim zakresie aktywności, od całkowicie nieaktywnych po cechujące się bardzo wysoką aktywnością. Cechują się bardzo dużą uniwersalnością, co powoduje, że należą obecnie do najczęściej stosowanych rozwiązań. Można nimi lutować niemal każdy rodzaj powierzchni, w dodatku bardzo rzadko ulegają przepaleniu w procesie lutowania.

Barbara Ligenza

BLelektronik

Na jakie parametry materiałów chemicznych należy zwrócić uwagę przy wyborze?

Najważniejszym kryterium doboru chemii do elektroniki powinno być zapewnienie niezawodnej pracy urządzeń. Z tego zazwyczaj wynika, które preparaty mogą być brane pod uwagę, a które w ogóle nie nadają się do danych projektów. W przypadku materiałów stosowanych do hermetyzacji modułów elektronicznych, zakres temperatury pracy jest parametrem, który pozwala na wstępne wytypowanie rodzaju preparatu. Jeśli maksymalna temperatura pracy wynosi około 120°C możemy zastosować żywicę poliuretanową. Przy temperaturze w granicach 150–180°C mogą być również brane pod uwagę żywice epoksydowe. W urządzeniach, które wymagają odporności na temp. powyżej 200°C, musimy zastosować zalewy silikonowe.

Obecnie w dobie powszechnej miniaturyzacji moduły elektroniczne generują ciepło punktowo i aby poprawić chłodzenie musimy zastosować żywice lub zalewy o podwyższonych właściwościach termoprzewodzących. Współczynnik przewodzenia termicznego jest podawany w W/mK i przy układach wymagających dobrego chłodzenia, stosuje się produkty o tym parametrze na poziomie 1–2 W/mK. Zaawansowane technologicznie urządzenia wymagają wykorzystania jeszcze lepszych przewodników ciepła. Kolejnym istotnym parametrem jest twardość zalewy, określana w skali SHORE A dla silikonów i miękkich poliuretanów, a dla żywic epoksydowych i twardych poliuretanów – SHORE D. Jeśli urządzenie będzie narażone na drgania, wibracje lub duże szoki temperaturowe, powinna być zastosowana miękka i elastyczna zalewa, która będzie w stanie chronić przed uszkodzeniem delikatne komponenty. Wiele projektów wymaga obecnie zastosowania preparatów, które posiadają certyfikat lub przynajmniej spełniają normy UL94-V0. UL 94 jest standardem opracowanym przez American Underwriters Laboratories, według którego bada się własności palne i bezpieczeństwo pożarowe materiałów stosowanych w urządzeniach. Oprócz wyżej wymienionych zagadnień, jest oczywiście szereg innych, związanych z samym procesem dozowania czy szybkością procesu utwardzania. One też powinny być przemyślane na etapie wyboru preparatu.

Nakładanie różnych rodzajów topnika

W zależności od zastosowanej techniki lutowania wyróżnia się różne sposoby aplikacji topnika na przeznaczoną do lutowania powierzchnię. Dostępne na rynku topniki przeznaczone są zazwyczaj do poszczególnych technik lutowniczych – ich skład jest dobrany w taki sposób, aby możliwie skutecznie zoptymalizować proces lutowania i obniżyć ryzyko błędów. Do najbardziej popularnych metod lutowania zaliczyć można:

Lutowanie na fali – wymaga topników zawierających w swoim składzie większą domieszkę rozpuszczalnika, aby możliwie dokładnie oczyścić montowane komponenty i usunąć obecne na nich zanieczyszczenia. Topnik jest zazwyczaj rozpylany na powierzchnię płytki przez rozpoczęciem lutowania. W niektórych sytuacjach wymagane może być także wstępne czyszczenie płytki, przed rozpyleniem topnika.
Lutowanie rozpływowe – w tej metodzie wykorzystuje się pastę lutowniczą zawierającą gotową mieszaninę lutowia oraz topnika. Pasta ta utrzymuje komponenty w stabilnej pozycji do momentu odpowiedniego ich wygrzania, powodującego rozpływ lutowia. Topnik pełni w tym procesie krytyczną funkcję – zapewnia prawidłowy rozpływ lutowia, oczyszcza łączone powierzchnie oraz izoluje je od utleniającego wpływu powietrza atmosferycznego.
Lutowanie selektywne – obejmuje precyzyjne dawkowanie topnika na wybrane pola montażowe.

Lutowanie układów elektronicznych jest procesem wymagającym niezwykłej precyzji i ostrożności. Dokładna aplikacja odpowiedniej ilości topnika na pole montażowe jest bardzo istotna i może mieć decydujący wpływ na końcową jakość połączeń lutowniczych.

Małgorzata Wierzbicka

Semicon

Jakie są najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie materiałów chemicznych dla elektroniki?

Klienci coraz bardziej zwracają uwagę na markę, jakość, parametry techniczne, a mniej na cenę materiałów chemicznych. Bardzo ważna jest też dostępność. Jeśli są to zwykłe preparaty serwisowe, klient zwraca uwagę na cenę, natomiast w przypadku lakierów czy żywic – produkt musi myć dostosowany do wymogów danego projektu, gdzie ma być użyty. Bardzo często klient wskazuje na producenta danego materiału. Dla klienta ważne jest też czy dany produkt posiada karty charakterystyki w j. polskim, czy certyfikaty jakościowe. Dla klienta przemysłu zbrojeniowego czy lotniczego, których coraz więcej obsługujemy, niezbędne jest aby materiały chemiczne spełniały normy militarne i lotnicze oraz posiadały 75% shelf life.

Jakie są najważniejsze cechy materiałów chemicznych od strony technicznej?

Jeśli chodzi o parametry techniczne przy wyborze żywicy klient zwraca uwagę na lepkość, tzw. „czas życia”, czyli po jakim czasie od zmieszania składników A i B żywica się utwardza, twardość oraz parametry elektryczne – odporność na przebicia. Ważna jest też wytrzymałość temperaturowa oraz termoprzewodnictwo. W przypadku wyboru lakieru zabezpieczającego, ważne jest w jaki sposób lakier będzie nanoszony – ręcznie poprzez użycie aerozolu czy zanurzenie płytki, czy też poprzez selektywne nanoszenie automatyczne. Ważna jest wówczas lepkość lakieru. Ważna jest także baza, na jakiej wykonane są żywice i lakiery. Mogą to być lakiery akrylowe – najbardziej popularne, poliuretanowe, ale też silikonowe, najbardziej elastyczne, ale i najdroższe. Baza lakieru wiąże się także z tym, jak szybko taki lakier się utwardza. Lakiery akrylowe utwardzają się najszybciej, natomiast lakiery silikonowe – w ciągu 24 godzin, ale można przyspieszyć utwardzanie poprzez wygrzewanie w piecu. Mamy też w ofercie lakiery utwardzane UV, ale do tego potrzebne są urządzenia.

Na jakie parametry/dokumenty należy zwrócić uwagę przy wyborze?

Przy wyborze chemii, klient musi dokładnie znać, do jakich aplikacji potrzebuje dany produkt chemiczny. Należy także zwrócić uwagę na dokumentację. Wszystkie produkty chemiczne muszą posiadać karty charakterystyki w języku polskim wg najnowszych rozporządzeń. Klienci wymagają od nas także certyfikatów jakościowych – C o C lub C o A, certyfikatów zgodności z REACH oraz ROHS. Należy także wziąć pod uwagę termin ważności materiału, który kupujemy.

Czyszczenie pozostałości topnika

Po zakończeniu procesu lutowania niezbędne jest (a w przypadku topnika NC zalecane) usunięcie pozostałości topnika z powierzchni obwodu. Jest to szczególnie istotne w przypadku korzystania z topników o dużej aktywności, których resztki mają silne właściwości korozyjne. Usunięcie takich pozostałości musi nastąpić możliwie szybko, aby nie dopuścić do uszkodzenia płytki wskutek korozji.

Topniki kalafoniowe wymagają czyszczenia za pomocą rozpuszczalników chemicznych.
Topniki typu WS, jak wskazuje ich nazwa, mogą być usuwane za pomocą wody oraz detergentów.
Topniki NC, zgodnie z nazwą, pozostawiają jedynie niewielką ilość substancji, która nie stanowi zagrożenia dla właściwości elektrycznych obwodu. Jej usunięcie może być jednak konieczne ze względu na dalszą obróbkę technologiczną układu (np. pokrywanie powłoką ochronną) lub w celu poprawy wartości estetycznej.

W ogólności należy przyjąć, że czyszczenie płytki po zakończeniu procesu lutowania jest uniwersalnie prawidłową praktyką, nawet w przypadku stosowania topników NC.

Podsumowanie

Topnik jest substancją niezbędną w procesie lutowania. Może być aplikowany dodatkowo lub stanowić element gotowej mieszanki, jak np. w przypadku past lutowniczych. Pełni niezwykle istotną funkcję w prawidłowym przebiegu lutowania – oczyszcza łączone powierzchnie, ułatwia rozpływ lutowia oraz izoluje pole montażowe od szkodliwego wpływu czynników zewnętrznych.

Damian Tomaszewski