Jaki topnik do lutowania wybrać?
Jakość połączeń lutowanych stanowi jeden z najistotniejszych czynników odpowiadających za niezawodność urządzeń elektronicznych. Wysokiej klasy sprzęt lutowniczy oraz najlepsze możliwe lutowie nie wystarczą jednak do uzyskania pożądanej jakości montażu – konieczne jest jeszcze użycie odpowiednio dobranego topnika, który pozwoli zniwelować zagrożenia czyhające na lutowane powierzchnie. W poniższym artykule przyjrzymy się rodzajom (topników, sposobom ich nanoszenia (w zależności od rodzaju opakowania i konsystencji samego preparatu), a także – co chyba najważniejsze dla praktyków – zasadom właściwego doboru topnika do określonych obszarów aplikacyjnych.
Zanim przejdziemy do opisu szczegółów technicznych związanych z rodzajami i stosowaniem topników, warto na początek przypomnieć, czym w zasadzie są te substancje i jakie jest ich znaczenie w procesie lutowania. Ogólnie rzecz ujmując, topnik to substancja lub mieszanina o ściśle określonym składzie chemicznym, której zadaniem jest ułatwianie procesu lutowania poprzez usuwanie tlenków i zanieczyszczeń z powierzchni łączonych elementów oraz uniemożliwianie powstawania nowej warstwy tlenków podczas montażu. Wysoka temperatura promuje bowiem szybsze utlenianie powierzchni metalu, zaś tlenki skutecznie utrudniają solidne złączenie lutowanych elementów. Dodatkowym problemem są wspomniane wcześniej zanieczyszczenia różnego pochodzenia, których nie sposób uniknąć podczas pracy w typowych warunkach – niezwykle rzadko zdarza się bowiem, by proces montażu urządzeń elektronicznych zachodził w warunkach wysokiej czystości otoczenia (clean room), a nawet jeśli tak, to same wyprowadzenia komponentów także są zazwyczaj zanieczyszczone rozmaitymi osadami, często nawet niewidocznymi gołym okiem.
Lista zadań realizowanych przez topnik nie kończy się jednak na walce z już istniejącymi zabrudzeniami oraz tlenkami. Obecność odpowiedniej ilości (topnika podczas lutowania pozwala także na „odcięcie” dopływu powietrza (a zatem – także zawartego w nim tlenu) do łączonych powierzchni, dzięki czemu uzyskujemy bezpieczne warunki do trwałego wytworzenia lutu. W praktyce wyraźnie widoczny jest także wpływ obecności topnika na znaczną poprawę zwilżania (roztopionym lutowiem) końcówek komponentów oraz padów na płytce drukowanej – z tego względu topnik jest nieodzowny nie tylko przy tworzeniu nowych połączeń, ale także przy demontażu. Chyba każdy doświadczył w swojej pracy sytuacji, w której dodanie niewielkiej ilości dobrego topnika niebywale ułatwiło np. usuwanie zwarć pomiędzy wyprowadzeniami układu scalonego w obudowie typu LQFP, TQFP czy też SOIC – błyskawiczne rozdzielenie nadmiaru cyny, która w „magiczny” sposób rozprowadza się na na sąsiadujące wyprowadzenia komponentu, nie ma jak wiadomo nic wspólnego ze zjawiskami nadprzyrodzonymi, a wynika wprost z zasad fizyki. Zmniejszenie sił napięcia powierzchniowego jest zatem jednym z najistotniejszych – zaraz po usuwaniu tlenków – zadań stawianych przed każdym topnikiem. Warto także dodać, że obecność topnika poprawia transfer ciepła z końcówki grotu do miejsca połączenia, co dodatkowo ułatwia (lutowanie punktowe.
Jaki topnik do lutowania?
W przypadku zastosowań elektronicznych konieczne jest używanie wyłącznie topników do lutowania miękkiego, czyli zachodzącego w stosunkowo niskiej temperaturze - znacznie poniżej 450°C (zwykle na poziomie 250...380°C w zależności od sposobu lutowania, składu lutowia, a nawet zastosowanego sprzętu). W tej kategorii produktów istnieje jednak kilka grup topników, różniących się składem chemicznym (a więc także aktywnością), konsystencją oraz sposobem nanoszenia – odpowiednie kombinacje wymienionych powyżej cech pozwalają dobrać odpowiednią substancję do określonych aplikacji, zarówno w obszarze produkcji, jak i serwisu urządzeń elektronicznych.
Rodzaje topników do lutowania
Podstawowy podział topników bazuje na określeniu rodzaju głównego składnika mieszaniny. Na podstawie międzynarodowego standardu IPC J-STD-004B możemy wyróżnić cztery główne grupy:
- topniki na bazie żywic naturalnych (oznaczane literami RO od ang. Rosin),
- topniki z żywicy syntetycznej (RE),
- topniki organiczne (OR),
- topniki nieorganiczne (IN).
Każdy z nich może mieć niską (L), średnią (M) lub wysoką (H) aktywność chemiczną, narzuconą przez zawartość oraz rodzaj zastosowanych w nich aktywatorów. Trzecia część oznaczenia dotyczy zawartości halogenków: cyfra 0 oznacza zawartość niewielką, tj. <0.05%, zaś 1 – nieco wyższą, choć dokładna wartość górnej granicy dopuszczalnego stężenia tychże związków zależy od aktywności. Przykładowo – popularne topniki klasy ROL0 bazują na żywicy naturalnej (zwykle kalafonii), mają niską aktywność chemiczną oraz znikomą zawartość halogenków.
Norma ISO 9454-1 dzieli natomiast topniki na żywiczne, organiczne oraz nieorganiczne, przy czym te pierwsze obejmują dwie podgrupy: oparte na kalafonii lub pozbawione tego składnika. Topniki organiczne obejmują odmiany rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie, zaś nieorganiczne można podzielić pod względem rodzaju substancji bazowej (sole, kwasy lub zasady).
Należy pamiętać, że nieusunięte resztki topników o wysokiej aktywności mogą prowadzić do korozji elementów oraz ścieżek PCB, dlatego ich zastosowanie zawsze wymaga skrupulatnej oceny ryzyka i odpowiedniej modyfikacji procesu produkcyjnego z zastosowaniem czyszczenia maszynowego. W typowych zastosowaniach (tj. podczas montażu elementów o nieznacznym stopniu utlenienia wyprowadzeń) zwykle w zupełności wystarczające są topniki o niskiej lub co najwyżej średniej aktywności chemicznej.
Topniki do lutowania elektroniki
W praktycznych zastosowaniach często stosuje się nieco inną, „przemysłową” konwencję klasyfikacji topników, dzielącą je na wykonania:
- R – oparte na kalafonii,
- NC (no clean) – nie wymagające czyszczenia pozostałości poprodukcyjnych, co ma zastosowanie głównie w montażu automatycznym,
- RMA – kalafoniowe średnio aktywne,
- RA – kalafoniowe o wysokiej aktywności,
- WS – rozpuszczalne w wodzie (a zatem znacznie łatwiejsze do usunięcia z powierzchni płytki drukowanej po zakończeniu montażu).
Topniki do lutowania twardego
Lutowanie twarde diametralnie różni się od lutowania miękkiego, a przebieg granicy dzielącej te procesy jest skorelowany z temperaturą, do której należy podgrzać montowane elementy oraz samo lutowie. Bardzo wysoka temperatura pracy, znacznie przekraczająca limity określone zarówno dla komponentów elektronicznych, jak i obwodów drukowanych sprawia, że lutowanie twarde wymaga diametralnie innych topników – próba zastosowania do lutowania twardego substancji, które przeznaczone są do zastosowań w przemyśle elektronicznym, nie tylko nie ułatwiłaby całego procesu (aktywatory uległyby bowiem rozkładowi), ale spowodowałaby natychmiastowe odparowanie większości topnika. Mało tego – w procesie lutowania twardego zakres stosowanych materiałów odgrywających rolę topnika jest bardzo szeroki, zaś ich wybór zależy przede wszystkim od rodzaju łączonych metali (np. stali węglowych, wolframowych, chromowych czy molibdenowych, mosiądzu, brązu i wielu innych).
Topnik do lutowania SMD
Lutowanie elementów elektronicznych w technologii powierzchniowej (SMT) stanowi zdecydowanie najważniejszy obszar zastosowań różnych rodzajów topników. W przypadku montażu automatycznego z użyciem drukarek szablonowych i (pieców lutowniczych wystarczający okazuje się zwykle topnik będący składnikiem pasty lutowniczej – dlatego tak istotne jest odpowiednie przygotowanie pasty przed rozpoczęciem jej nakładania. W praktyce należy bowiem przede wszystkim doprowadzić przechowywaną w warunkach chłodniczych pastę do temperatury pokojowej, a następnie dokładnie wymieszać całą zawartość opakowania, np. z użyciem automatycznego miksera.
Montaż punktowy (ręczny) dopuszcza już znacznie więcej możliwości wyboru rodzaju oraz konsystencji topnika. Niektórzy montażyści preferują topnik w pisaku, umożliwiający precyzyjne dozowanie cienkiej warstwy substancji na wybrane miejsca płytki drukowanej. Znacznie popularniejszy i zarazem bardziej elastyczny pod względem aplikacyjnym jest topnik w żelu – można go dozować zarówno ręcznie, jak i za pomocą półautomatycznych dyspenserów pneumatycznych oraz w pełni autonomicznych robotów dozujących. Warto dodać, że ta postać topnika, z uwagi na gęstą konsystencję, doskonale sprawdza się także podczas prac wykonywanych w technologii przewlekanej (THT) – naniesienie odpowiedniej ilości topnika za pomocą stosunkowo grubej igły dozującej pozwala bowiem przeprowadzić lutowanie wszystkich wyprowadzeń komponentu, np. złącza szpilkowego, po jednorazowym rozprowadzeniu substancji wokół padów. W drobnych, punktowych pracach montażowych i naprawczych szeroko wykorzystywane są także topniki w płynie, nanoszone na płytkę drukowaną najczęściej z użyciem pędzelka połączonego z zakrętką butelki – topniki w formie cieczy są jednak stosowane niemal wyłącznie w „czystym” lutowaniu powierzchniowym, głównie z uwagi na dość szybkie odparowywanie oraz znikomą ilość resztek pozostających na powierzchni płytki po zakończeniu montażu.
Topniki do lutowania miękkiego
W ofercie naszego sklepu dostępne są rozmaite odmiany topników przeznaczonych do zastosowań w montażu i demontażu elementów elektronicznych na PCB, a także lutowania przewodów, złączy panelowych itp. Częstym wyborem wśród naszych Klientów są m.in. (topniki żelowe marki KESTER, oferowane w kartuszach mieszczących 10 g substancji – długi czas żywotności (przynajmniej 8 h) oraz szerokie okno procesowe (temperatura aktywacji od 130°C aż do 185°C) pozwalają na stosowanie topnika zarówno w montażu ręcznym, jak i automatycznym, dokonywanym np. za pomocą robotów lutowniczych. Ten sam producent oferuje ponadto topniki kalafoniowe klasy NC w pisaku, aktywowane już w temperaturze 80°C. Do aplikacji wymagających doskonałego zwilżania lutowanych powierzchni, zarówno w osłonie powietrza, jak i azotu, dobrze nadaje się także topnik TACFlux 089HF klasy no clean (ROL0), opracowany specjalnie z myślą o stopach lutowniczych SnAgCu i SnAg, a ponadto zapewniający kompatybilność z klasycznym stopem ołowiowym SnPb. W ofercie sklepu Renex znalazły się ponadto (płynne topniki żywiczne ROL0 na bazie alkoholu (typ 952S), rekomendowane szczególnie do aplikacji fotowoltaicznych.