A Microsolder Kft. – mint az ERSA magyarországi partnere – az elmúlt években jelentős tapasztalati tudásra tett szert a hazai nagyüzemeknél végzett beüzemelések, szervizelések, folyamatoptimalizálások során. Rugalmas programozhatósága, pontonkénti paraméterezhetősége miatt a ponthullámos (single wave, fountain type) szelektív forrasztás egyre nagyobb teret hódít a szelektív forrasztási eljárások között.Akadnak azonban speciális problémák is. Ezekből gyűjtöttünk össze néhány esetet, amit kiegészítettünk hasznos információkkal

Rézbeoldódás és furatkitöltés
A forrasztás során, a forraszkötés kialakulásakor a réz (az aranyozott kártyák kivételével, ahol az aranyréteg alatti nikkel gátként működik) bizonyos mértékben beoldódik a forraszanyagba. A beoldódás függ a technológiától (reflow, hullámforrasztás, szelektív hullámforrasztás, kézi forrasztás), a paraméterektől (forrasz hőmérséklete, kontaktidő, a forrasz áramlása), a forrasz anyagától (SnPb, SnAg, SnAgCu, mikroötvözők).
Szélsőséges esetben a vezetőréteg teljesen beoldódhat, ami természetesen a terméket működésképtelenné teszi. Amennyiben a vezető nem oldódik be teljesen, akkor a termék még működhet, de számolni kell a rövidebb élettartammal, valamint azzal, hogy a termék későbbi javítása lehetetlenné válik az elvékonyodott vezetőréteg későbbi javítás során bekövetkező további elvékonyodása, teljes beoldódása miatt. Mivel a beoldódás mértéke nem mindig állapítható meg szemrevételezéssel, már a gyártási technológia meghatározása során kell törekedni arra, hogy a beoldódást a minimálisra csökkentsük.
A szelektív forrasztás a réz beoldódása szempontjából az egyik kritikus technológia. Az áramló forrasz, a hosszú kontaktidő, és a magas (280 … 300 °C) forraszhőmérséklet jelentősen növelik a vezetőréteg beoldódását. Amennyiben ezeket a paramétereket lecsökkentjük, hogy a vezetőréteg beoldódásának határt szabjunk, akkor a furatkitöltéssel adódnak problémák.
A bonyolult, magas követelményszintű gyártmányokban gyakran állunk szemben sokrétegű, nyomtatott huzalozású áramköri lapokkal, egybefüggő, nagy hőelvonást jelentő földelőrétegekkel, vaskos csatlakozóérintkezőkkel. Sok esetben a megfelelő furatkitöltés elérése jelenti a legnagyobb gondot. A furatkitöltés függ még a forraszötvözettől, a furat és a kivezető méreteitől, a kivezetőláb keresztmetszetétől is.

A különböző forraszanyagok (SnPb, SnCu, SnAg, SnAgCu) esetén a réz beoldódási sebessége jelentősen eltér. A leglassabban az ólmos ötvözet oldja a rezet (alacsonyabb hőmérséklet és rövidebb műveleti idő), a leggyorsabban pedig az ón-ezüst. Az ólommentes ötvözetek közül a legkisebb fémoldóképessége az SnCu-ötvözetnek van, de gyenge nedvesítési tulajdonságai igényesebb feladatokhoz alkalmatlanná teszik. A Stannol vizsgálata azt mutatja, hogy szokásos SAC-ötvözetek közül a SAC305 jelentősen gyorsabban oldja a rezet, mint a SAC387, amely oldási sebessége alig nagyobb, mint az SnCu-ötvözeté (1. ábra). Az ezüsttartalmú (SAC305 és SAC387) nedvesítési sebessége, furatkitöltése szignifikánsan jobb, mint az ezüstöt nem, vagy csak nagyon kis mennyiségben tartalmazó ötvözeteké. Nem utolsósorban alacsonyabb olvadáspontjuk (217 °C a 227 °C-kal szemben) szintén jelentős érv. A fémoldás mértéke a fürdő hőmérsékleté­nek növekedésével exponenciálisan nő. A Stannol gyártmányai között található mikroötvözött forraszanyagok jelentősen lassabban oldják be a rezet, mint a mikroötvözők nélküli anyagok, de a nedvesítési képességük gyakorlatilag azonos (2. áb­ra). A mikroötvözés igen kis mennyiségű, 0,05% alatti, célzottan összeállított anyag­kombináció – a Stannol esetében Ni-Co-Ce – bevitelét jelenti az ötvözetbe. Az eljárás az olvadáspontra nincs hatással. A szemcseszerkezet viszont finomabbá válik, ami előnyös a kötés mechanikai tulajdonságai szempontjából, és valamelyest fényesebbé is teszi a forrasz külső megjelenését.
Összegezve, a jelenleg elérhető ötvözetek közül a szelektív forrasztáshoz a mikroötvözött SAC387 felel meg legjobban.

Előfűtés szerepe a furatkitöltésben
Az egyik vevőnknél egy vastag, bonyolult rajzolatú, IPC-A-610D szabvány szerint 3. osztályba sorolt panel esetén nem megfelelő furatkitöltés miatt kellett a folyamatot optimalizálni.
A jó furatkitöltéshez szükséges, hogy a forrasz ne szilárduljon meg idő előtt, aminek feltétele, hogy a furatfal és az alkatrész kivezető hőmérséklete megfelelő legyen. A jó nedvesítéshez és a forrasztott kötéshez szükséges intermetallikus réteg kialakításához az alkalmazott forrasz olvadáspontjánál 30 … 40 °C-kal magasabbra felmelegedett forrasztási felület szükséges. Vastag panel esetében tapasztaltuk, hogy olyan helyeken, ahol a panel, vagy az alkatrész kivezetője túl sok hőt vont el, vagy a kivezető viszonylag kis keresztmetszete nem tette lehetővé a megfelelő hőmennyiség utánpótlását a forraszhullámból, ott a forrasz idő előtt megszilárdult.
Az alacsonyabb hőmérsékletű felületen (alkatrészláb vagy panel) kevésbé fut fel a forrasz. A panel nem megfelelően kitöltött furatának röntgenes és/vagy mikroszkópos ellenőrzésekor lehet látni, hogy a forraszfelfutás a lábon és a furat belső falán egyenletes, vagy valamelyiken jobban fut fel, mint a másikon.
Ha a forraszfelfutás egyenletes, csak nem elegendő, a hőközlés egyszerű növelése és/vagy erőteljesebb (aktívabb) folyasztószer alkalmazása lehet célravezető. A magasabb kiinduló hőmérséklet következtében a forraszhullám által közvetített hő magasabb hőmérsékletet eredményez a forrasztási felületeken.
Ha a forraszfelfutás jelentősen különbözik a lábon, illetve a furatfalon, az azt jelzi, hogy valamelyik hidegebb. Ha a furat hidegebb, hosszabb és magasabb hőmérsékletű előfűtés nyomán jobban felmelegszik a panel mélységében is. Felső előfűtés tovább javítja, gyorsítja ezt. Ha az alkatrész a hidegebb, lényegében csak felső előfűtés alkalmazása használ, mivel a hőelvonó alkatrésztest az alsó (többnyire infravörös sugárzó) előfűtés számára láthatatlan. A felső előfűtésnek meleg levegő áramoltatású, konvekciós egységnek kell lennie, amely 80 … 220 °C hőmérséklettartományban állítható be, és nem károsítja az alkatrészeket. Infrasugárzó erre a célra nem alkalmas, az érzékeny és különösen a magas, az infrasugárzóhoz közelebb eső alkatrészek sérülhetnek.
Mivel az alkatrész-kivezetés anyagának hővezetési együtthatója sokszorosa az olvadt forraszanyag hővezetési tényezőjének, a forraszhullámból a kivezetőláb által szállított hő jelentős szerepet tölt be a jó furat­kitöltéshez szükséges hőmérséklet kialakításában. A szelektív forrasztásnál, ahol a panel a forraszból jelentősen kevesebb hőt kap, mint a hullámforrasztásnál, eleve hosszú és magas hőmérsékletű előfűtésre van szükség, hogy a kontaktidőt lecsökkenthessük. A hosszabb, magasabb hőmérsékletű előfűtés viszont a folyasztószer aktivitását teszi próbára. Mivel a folyasztószer lecserélésére a legtöbb esetben a kőbe vésett előírások miatt kicsi a gyakorlati lehetőség, ebből a szempontból is a felső előfűtés segíthet, ami nem csak lerövidíti az előfűtés időtartamát, hanem lehetővé teszi a párhuzamosan működő alsó előfűtés alacsonyabb hőmérsékleten tartását is.

Az áramköri lap behajlásának megakadályozása a forrasztási művelet alatt
A forrasztásnál nemcsak a vastag panelnél találkozhatunk problémával. A forrasztás eredményét jelentősen befolyásolja a panel és a forraszfúvóka (nozzle) távolsága. Nagyméretű paneleknél és a keretben forrasztott panelek esetén a hőterhelés miatt előfordulhat és rendszerint elő is fordul, hogy a panel vagy a panelt tartó keret deformálódik, behajlik. Egyes kereteknél erre „segít" rá a forrasztandó alkatrészeket pozícionáló, rendszerint rugós leszorító.
Bár elvben a hullám magasságát szabályozni lehet forrasztási pontonként, ez nem pótolja a keret és a panel gondos tervezését. Találkoztunk olyan kerettel, amit 14 mm vastag Durastone-ból alakítottak ki úgy, hogy középen az anyagvastagság csak 2 … 3 mm volt. Ehhez a kerethez egy nagyon erős, rugókkal ellátott fedőlapot használtak. Már a hideg keret is meghajlott, amikor a rugós leszorítót felhelyeztük. Ez a görbület tovább növekedett az előfűtés és a forrasztás alatt, ahogy a keret elkezdett felmelegedni. A megbízható folyamat miatt szükséges volt a keret átalakítása az előbb említett probléma kiküszöbölése végett.

További információ