Stopy lutownicze - to warto wiedzieć

Przyjęto podział procesu lutowania na lutowanie miękkie i twarde. Punktem podziału jest temperatura 450°C. Jeżeli temperatura topnienia spoiwa lutowniczego jest niższa od 450°C, mamy do czynienia z lutowaniem miękkim, jeżeli zaś temperatura topnienia spoiwa lutowniczego jest wyższa niż 450°C, mamy do czynienia z lutowaniem twardym. Podczas lutowania należy doprowadzić do roztopienia spoiwa na łączonych powierzchniach, które muszą wcześniej osiągnąć odpowiednią ku temu temperaturę. W odpowiednich warunkach spoiwo zacznie zwilżać lutowane powierzchnie i rozpływać się na nich.

Przyczepność spoiwa lutowniczego do łączonych powierzchni może zostać zaburzona przez znajdujące się na nich zanieczyszczenia, np. drobne pozostałości po obróbce mechanicznej lub związki chemiczne, np. tlenki metali, tłuszcz, pozostałości farby lub lakieru. Wymagane może więc być mechaniczne lub/i chemiczne oczyszczenie lutowanych powierzchni przed przystąpieniem do właściwego procesu łączenia. W samym procesie lutowania, podgrzane elementy metalowe będą narażone na intensywniejsze powstawanie na ich powierzchni tlenków metali, mających negatywny wpływ na przebieg procesu lutowania i jakość powstałego połączenia. Przeciwdziałanie ponownemu utlenianiu i usuwanie istniejących tlenków z łączonych powierzchni jest jednym z głównych zadań topników lutowniczych.

W zależności od zastosowanego spoiwa lutowniczego (ołowiowe, bezołowiowe, niskotemperaturowe, wysokotemperaturowe) proces łączenia przebiegał będzie w innej temperaturze. Ważny jest więc właściwy dobór topnika, aby jego działanie było optymalne w temperaturze procesu i nie ulegał on spaleniu przed jej osiągnięciem.

Stopy eutektyczne

Stopy lutownicze to jednorodne mieszaniny co najmniej dwóch metali. Podczas ich podgrzewania w większości przypadków zaczynają one przechodzić z fazy stałej (solidus) w fazę ciekłą (liquidus) przez fazę „ciastowatą”. Podobnie przy jego stygnięciu i przechodzeniu z fazy ciekłej do stałej pojawia się faza pośrednia. Tylko dla jednej proporcji zmieszania metali, będących składnikami stopu lutowniczego, przejście z fazy stałej do ciekłej i odwrotnie będzie natychmiastowe, z pominięciem fazy pośredniej. Taki materiał, o określonych proporcjach metali składowych, nazywamy stopem eutektycznym, dla którego temperatury solidus i liquidus są sobie równe. Krzepnięcie stopu eutektycznego przebiega równomiernie w całej spoinie i pozytywnie wpływa na jakość połączenia. Zmniejsza to ryzyko przesunięcia komponentów oraz powstawania tzw. zimnych lutów, tj. połączeń, które przed całkowitym zastygnięciem, narażone były na ruch lub wibracje, na skutek których obniżona została jego trwałość i stabilność mechaniczna. Np. dla układu cyna- ołów mieszaniną eutektyczną jest stop składający się w przybliżeniu z 61,9% cyny i 38,1% ołowiu. Temperatura topnienia/ krzepnięcia wynosi tu 183°C. Stopami eutektycznymi są: Sn63Pb37 (183°C), Sn50Pb32Cd18 (145°C), Sn62Pb36Ag2 (179°C), Bi58Sn42 (139°C), Sn99,3Cu0,7 (227°C), Sn99,25Cu0,7Ni0,05 (227°C), In52Sn48 (118°C), Sn96,5Ag3,5 (221°C), Sn95,5Ag3,8Cu0,7 (217°C), Sn91Zn9 (199°C).

Normy

Często stosowanymi normami, odnoszącymi się do składu chemicznego stopów do lutowania miękkiego są normy ISO 9453 (International Organization for Standardization) i IPC J-STD-006 (Institute for lnterconnecting and Packaging Electronic Circuits). Określają one zawartość w spoiwie lutowniczym następujących pierwiastków (komponentów głównych oraz dopuszczalnych poziomów zanieczyszczeń): Sn, Pb, Sb, Bi, Cd, Cu, Au, In, Ag, Al, As, Fe, Ni, Zn. W przypadku niektórych stopów norma ISO 9453 określa również poziomy fosforu (P), galu (Ga) i germanu (Ge). W ostatniej edycji normy ISO 9453:2020(E) ujętych zostało 31 stopów lutowniczych zawierających ołów oraz 31 stopów bezołowiowych.

ormy te opisują również postacie spoiw lutowniczych: gąski, sztabki, płyty, laski, płaskowniki, pręty, druty, śrut, preformy, kulki, taśmy, proszek i pasty zawierające proszek. Zawierają również zalecenia dotyczące preferowanych metod badania składu chemicznego stopów lutowniczych oraz wymogi dotyczące oznaczania stopów i zawartości etykiet produktowych.

Stopy lutownicze zawierające ołów

Do tej grupy zaliczamy stopy Sn-Pb, Sn-Pb-Ag, Sn-Pb-Cu, Sn-Pb-Sb, Sn- Pb--Bi, Sn-Pb-Cd i Pb- Ag. Przez wiele lat stopy lutownicze zawierające ołów dominowały w procesach lutowania miękkiego w elektronice i elektrotechnice. Najpowszechniej stosowane stopy to:

• Sn63Pb37 (eutektyka 183°C),
• Sn60Pb40 (183/190°C),
• Sn60Pb39Cu1 (183/190°C),
• Sn63Pb36Ag2 (eutektyka 179°C),
• Pb93Sn5Ag2 (HMP – High Melting Point – stop wysokotemperaturowy 296/301°C).

Zaletą stopów ołowiowych jest niższa temperatura procesu (poza stopami HMP) oznaczająca mniejsze zużycie energii, mniejsze ryzyko termiczne dla lutowanych podzespołów, szybsze podgrzewanie wstępne komponentów (preheating), niższy koszt stopu, dobra zwilżalność na większości powierzchni (mniejszy kąt zwilżania), brak zjawiska powstawania dendrytów cynowych (whiskers), niezawodność połączeń.

Ołów uznany został za pierwiastek mający negatywny wpływ na zdrowie ludzi, a po przedostaniu się do środowiska stanowi jedną z przyczyn zanieczyszczenia wody metalami ciężkimi. Od 1 lipca 2006 roku obowiązuje dyrektywa RoHS eliminująca między innymi ołów, rtęć, kadm, sześciowartościowy chrom, polibromowane bifenyle (PBB), polibromowane etery fenylowe (PBDE) oraz ft alany (DEHP, BBP, DBP, DIBP) ze sprzętu elektrycznego i elektronicznego.

Stopy lutownicze bezołowiowe (Pb-free)

Do tej grupy zaliczamy stopy Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb, Sn-Bi, Sn-Bi- Cu-In, Sn-Bi-Cu-In, Sn-Bi-Ag-Cu, Sn- Bi-Ag-Cu-In, Sn-Cu-Ni, Sn-Cu-Ni-P-Ga, Sn-Cu-Ag-P-Ga, In-Sn, Sn-In-Ag-Bi, Sn- Ag-Cu-In, Sn-Ag-Cu-Ni-Ge, Sn-Ag-Bi- Cu, Sn-Zn, Sn-Zn-Bi. Najpowszechniej stosowane stopy to:

• Sn96,5Ag3Cu0,5 (SAC305 217/220°C),\
• Sn95,5Ag3,8Cu0,7 (SAC387 eutektyka 217°C)
• Sn99,3Cu0,7 (eutektyka 227°C) wraz z wariantami domieszkowanymi niklem i germanem,
• Sn99Cu0,7Ag0,3 (217/227°C),
• Sn96,3Ag3,7 (221/228°C),
• Sn97Ag3 (221/224°C),
• Sn96,5Ag3,5 (eutektyka 221°C),

Zaletą stopów bezołowiowych jest spełnienie wymogów dyrektywy RoHS i zmniejszenie zagrożenia dla zdrowia ludzi i środowiska naturalnego. Należy jednak pamiętać, że bakteriobójcze właściwości srebra w przypadku jego uwolnienia do środowiska mogą zakłócić równowagę biologiczną. Wyższa cena stopów bezołowiowych (będąca niewątpliwie wadą) stanowi istotną motywację do ich intensywniejszego recyklingu, co uznać należy za zaletę.

Do wad stopów bezołowiowych należy zaliczyć:

• wyższą energochłonność procesu, wynikającą z wyższej temperatury topnienia,
• większe ryzyko termiczne dla lutowanych podzespołów,
• zwykle mniej błyszcząca spoina z większym kątem zwilżania (gorsza zwilżalność),
• ryzyko powstawania dendrytów cynowych (whiskers), mogących tworzyć niepożądane połączenia elektryczne (zwarcia) na płytce PCB,
• szybsze zużycie grotów lutownic, wynikające z agresywności cyny w wyższej koncentracji,
• większe naprężenia mechaniczne w spoinach,
• wyższa cena spoiwa lutowniczego wynikająca z wyższej zawartości cyny oraz dodatku srebra.

Wyzwania

Postępująca miniaturyzacja komponentów elektronicznych stawia ciekawe wyzwania spoiwom lutowniczym i samym procesom lutowania. W systemach stosowanych w lotnictwie i motoryzacji, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo ludzi zapewniane przez wieloletnie, bezbłędne i bezawaryjne działanie podzespołów elektronicznych, klasyczne procesy lutownicze (np. reflow) mogą okazać się niewystarczające. Np. w celu eliminacji pustych przestrzeni i porowatości spoin (zmniejszających przewodnictwo cieplne spoiny), wskazane jest prowadzenie procesu reflow w próżni.

Koszty energii zużywanej w procesie lutowania można zmniejszyć stosując spoiwa niskotemperaturowe, np. In52Sn48 (118°C), Bi58Sn42 (139°C) lub modyfikowany srebrem w celu podwyższenia wytrzymałości stop Bi57Sn42Ag1. Możliwość prowadzenia procesu lutowania w niższych temperaturach znacznie zwiększa bezpieczeństwo termiczne lutowanych elementów. Oczywiście dobór spoiwa zawsze powinien być podyktowany wymaganymi parametrami spoiny i oczekiwanymi warunkami użytkowania produktu.

Dariusz Młynarczyk

Cynel Unipress
www.cynel.com.pl