E-materiały do kształcenia zawodowego

Technika lutowania i wylutowywania elementów elektronicznych

ELM.02. Montaż oraz instalowanie układów i urządzeń elektronicznych – Elektronik 742117, Technik elektronik 311408

bg‑azure

Lutowanie miękkie przewlekane

INFOGRAFIKA

1
RtV3DAstEgjqJ1
Lutowanie przewlekłe
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY-SA 3.0.

Plansza przedstawia płytkę drukowaną. Na jej powierzchni naniesione są punkty interaktywne - jest ich dziesięć. Pod każdym z nich znajdują się objaśnienia.

1. Luty
Pod znacznikiem pierwszym kryje się treść:
Stosowane w elektronice luty to luty miękkie, które cechuje niska temperatura topnienia (183‑270°C). Nie stawia im się wymogu dużej wytrzymałości, za to powinny być plastyczne. Spoiwa lutownicze dostępne są w wielu rodzajach i formach, w zależności od potrzeb i wybranego procesu technologicznego. W lutowaniu przewlekanym najczęściej korzysta się z drutów lutowniczych o średnicy od 0,25 do 4 mm.
Poniżej widoczna jest tabela przedstawiająca skład chemiczny i temperaturę topnienia lutów cynowych wg normy PN‑EN ISO 9453:2014‑11.
Opis tabeli: Tabela składa się z czterech kolumn. W tabeli przedstawione są informacje dotyczące różnych stopów cyny (Sn), srebra (Ag) i miedzi (Cu), wraz z ich składem procentowym, zakresem temperatury topnienia oraz normami regulującymi te stopy. Kolumna „Oznaczenie produktu” zawiera nazwy oznaczeń dla poszczególnych stopów, na przykład „SN 99 Cu1” czy „SN 97 Cu3”. Kolumna „Skład procentowy cyny, srebra i miedzi” przedstawia proporcje procentowe tych trzech metali w danym stopie, na przykład 99% Sn i 1% Cu dla „SN 99 Cu1”. Kolumna „Zakres temperatury topnienia (°C)” podaje temperatury, w których dany stop zaczyna się topić i staje się płynny. Na przykład, „230‑240 stopni Celsjusza” dla „SN 99 Cu1”. Kolumna „Norma PN EN 29453” odnosi się do standardu lub normy, które regulują te stopy, określając wymagania dotyczące ich składu, właściwości czy zastosowań.
Poniżej znajduje się wykres przedstawiający zakresy temperatur topnienia dla lutów na osnowie ołowiu, cynku, kadmu, bizmutu, indu i galu.
Opis wykresu: Na wykresie słupkowym przedstawiono zakres temperatury topnienia różnych substancji. Najwyższą wartością maksymalną na wykresie jest 400 stopni Celsjusza, co odnosi się do lutów zawierających cynę (Sn), ołów (Pb), cynk (Zn) i kadm (Cd). Poniżej, na poziomie 100 stopni Celsjusza, znajdują się substancje takie jak bizmut (Bi), ind (In) i gal (Ga), które topią się przy niższych temperaturach w porównaniu do lutów. Wykres słupkowy obrazuje zależności temperatury topnienia między różnymi substancjami, umożliwiając porównanie ich właściwości fizycznych.

2. Rodzaje lutów
Pod znacznikiem drugim kryje się treść:
Głównym składnikiem lutów miękkich tradycyjnie jest cyna, która obecnie bywa zastępowana (ze względów ekonomicznych i technologicznych) innymi metalami, np. cynkiem, kadmem czy bizmutem. Spoiwa ołowiowo‑cynowe zawierają dodatkowo domieszki antymonu, srebra czy miedzi, które poprawiają nawilżanie i przewodność. Ze względu na szkodliwość ołowiu luty z jego zawartością dopuszczone są wyłącznie do prac amatorskich. Ich wykorzystanie w przemyśle jest zabronione, za wyjątkiem branży lotniczej, wojskowej i medycznej. Lutowia bezołowiowe to najczęściej stopy cyny z miedzią.  Wiele drutów lutowniczych zawiera w swoim składzie topnik, z reguły stanowiący około 1‑1,3%. Topniki dostępne są również oddzielnie w formie płynu (stosowany w lutowaniu na fali), pasty, żelu czy nawet pisaka. Zadaniem topnika jest ograniczenie utleniania w trakcie lutowania a także zwiększanie zwilżalności i rozpływności lutu.
Poniżej znajduje się tabela zatytułowana: Stopy cynowe (bezołowiowe)  – skład chemiczny wyrażony w procentach.
Niżej znajduje się druga tabela zatytułowana: Stopy ołowiowe – skład chemiczny wyrażony w procentach.
Innym parametrem lutowia, obok składu chemicznego, jest średnica. Zwykle spotyka się druty o średnicy od 0,25 do 2 mm. W przypadku lutowania elementów elektronicznych najczęściej stosuje się lutowie o mniejszej średnicy, 0,5–0,8 mm, które szybko się topi.

3. Dobór grota
Pod znacznikiem trzecim kryje się treść:
Rozmiar grota, czyli końcówki, która nagrzewa się i topi cynę na wyprowadzeniach elementów elektronicznych, dobierany jest do wielkości lutowanego elementu i ścieżki. Im większy jest dany element, tym większych rozmiarów powinien być grot, aby jak najefektywniej przekazywać ciepło wytwarzane przez element grzejny lutownicy. Groty w kształcie szpica będa nagrzewały się wolniej, ale pozwolą na bardziej precyzyjne lutowanie najdrobniejszych elementów. W lutowaniu przewlekanym najczęściej stosuje się groty o wielkości 0,8 mm2; 1,6 mm2; 2,4 mm2; 3,2 mm2 i 4 mm2.

Kształt grota dobierany jest w zależności od lutowanego elementu i metody lutowania. Najbardziej uniwersalny jest grot typu B, który może być stosowany do lutowania punktowego i przez przeciąganie. Groty BCM wykorzystywane są do naprawiania połączeń - zagłębienie w końcówce pochłania nadmierną ilość lutowia. Groty BC o ściętej końcówce wykorzystuje się do lutowania przez przeciąganie. Grot D, o szerokiej powierzchni bocznej, pozwala lutować zarówno krawędzią, jak i bokami.Groty I i J są ostro zakończone i sprawdzają się przy precyzyjnym lutowaniu najmniejszych elementów elektronicznych.
Poniżej znajdują się grafiki.
Opis: Grafiki prezentują różne rodzaje grotów o zróżnicowanych kształtach. Każdy grot ma charakterystyczną formę. Wśród nich znajdują się grot I o stożkowatym kształcie, grot J ze ściętą końcówką oraz grot typu BCMz, który łączy stożkowaty kształt ze ściętą końcówką.

4. Dobór lutownicy
Pod znacznikiem czwartym kryje się treść:
Dobór mocy lutownicy powinien być uzależniony od rodzaju lutowanych elementów. Urządzenie o większej mocy szybciej osiągnie zadaną temperaturę, choć w przypadku elektroniki zwykle wystarczą urządzenia o mniejszej mocy. Temperatura grota podczas lutowania elementów elektronicznych powinna wynosić ok. 320–350°C. Osiągnięcie tej temperatury zapewnia większość lutownic o mniejszej mocy, tj. od 25 do 50 W. Wiele urządzeń posiada regulację temperatury pozwalającą na lutowanie przy zadanych przez użytkownika parametrach. Nie należy jednak zbytnio zaniżać temperatury (np. w obawie o przegrzanie).  Prawidłowo wykonane połączenie powstanie w standardowej temperaturze (np. 350°C) przy założeniu, że czas podgrzania wynosi 1‑2 sekundy.  Dla komponentów o grubszych wyprowadzeniach, jak np. tranzystory, temperaturę można zwiększyć do 370°C. 

Rodzaje stacji lutowniczych:
lutownice o mocy do 50 W używane są do lutowania obwodów drukowanych oraz drobnych części elektronicznych, np. aparatury pomiarowej;

  • lutownice o mocy od 60 do 100 W używane są do lutowania większych części elektronicznych;

  • lutownice o mocy od 120 do 250 W używane są do szybkiego lutowania mniejszych części maszyn, przyrządów elektrotechnicznych oraz ocynowanego drutu o średnim przekroju;

  • lutownice o mocy od 250 do 400 W używane są do lutowania części okrętowych i samolotowych oraz ocynowanego drutu o dużym przekroju;

  • lutownice o mocy powyżej 400 W używane są do lutowania zbiorników, armatury oraz bardzo dużych przedmiotów.

5. Wytrzymałość temperaturowa laminatów.
Pod znacznikiem piątym kryje się treść:
W procesie lutowania należy uwzględniać wytrzymałość temperaturową laminatów, na których drukowane są obwody. Płytki drukowane (PCB – Printed Circuit Board) składają się z co najmniej dwóch warstw: substratu dielektrycznego i zewnętrznej warstwy przewodzącej złączonych w procesie laminowania. Zastosowane materiały i ich właściwości mogą być jednak różne, podobnie jak liczba warstw oraz budowa płytek. Podłoża mogą być szklano‑epoksydowe (FR4), aluminiowe (Metal Core PCB), teflonowe lub ceramiczne. Częste zastosowanie mają laminaty kompozytowe wykonane z włókien szklanych (CEM).
Przeciążenia termiczne grożą uszkodzeniem lub trwałym zniszczeniem laminatu. W tym kontekście ważne są dwa współczynniki:
Aby uniknąć przegrzania laminatu, należy znać wartość dozwolonej temperatury pracy dla danego materiału  (MOT – Maximum Operating Temperature). Wartość ta jest zwykle niższa od wartości współczynnika temperatury zeszklenia o ok. 15 do 20%. Ma ona wpływ na liczbę cykli lutowania, jakiej można poddać płytkę PCB.
Poniżej znajduje się tabela przedstawiająca współczynnik temperatury zeszklenia i stała dielektryczna dla różnych laminatów.
FR4: Jest to laminat składający się z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. Jest najbardziej rozpowszechnionym laminatem stosowanym w obwodach drukowanych. Ma temperaturę zeszklenia (Tg) wynoszącą od 125 do 140 stopni Celsjusza i stałą dielektryczną (Dk) w zakresie od 4,4 do 4,8. FR4 HIGH Tg: Jest to laminat z włóknem szklanym i żywicą epoksydową, charakteryzujący się podwyższoną odpornością termiczną. Ma wyższą temperaturę zeszklenia (Tg) wynoszącą od 170 do 185 stopni Celsjusza i stałą dielektryczną (Dk) w zakresie od 4,1 do 4,8. CEM 1: Jest to laminat składający się z włókna szklanego i żywicy epoksydowej w postaci papierowej. Jest stosowany w elektronice użytkowej. Posiada temperaturę zeszklenia (Tg) wynoszącą 90 stopni Celsjusza i stałą dielektryczną (Dk) równą 4,2. CEM 3: Jest to laminat z włóknem szklanym i żywicą epoksydową w postaci papierowej, charakteryzujący się podwyższoną wytrzymałością temperaturową. Ma temperaturę zeszklenia (Tg) wynoszącą 125 stopni Celsjusza i stałą dielektryczną (Dk) w zakresie od 4,4 do 4,8. Poliimid: Jest to laminat składający się z poliimidu i warstw prepregów. Ma bardzo wysoką temperaturę zeszklenia (Tg) wynoszącą 250 stopni Celsjusza i stałą dielektryczną (Dk) w zakresie od 4,2 do 4,4.

6.  Lutowanie THT - kolejność wykonywanych czynności
Pod znacznikiem szóstym kryje się treść:
Przygotowanie elementów elektronicznych i płytki PCB
Przed przystąpieniem do lutowania należy przygotować elementy elektroniczne zgodnie z wykazem oraz zapoznać się z ich polaryzacją (jeśli taka występuje). 
Komponenty elektroniczne warto posortować pod względem wielkości. Montując kolejne elementy na płytce drukowanej, najlepiej zacząć od tych najniższych, stopniowo przechodząc do wyższych.  Jeśli dokonujemy poprawek/napraw i elementy elektroniczne nie są nowe, należy sprawdzić, czy nie mają śladów zabrudzeń. Ewentualne zabrudzenia należy usunąć, a wyprowadzenia wyprostować. Również płytka PCB powinna być odtłuszczona, a pozostałościu lutu usunięte z punktu lutowniczego (czyli pada, z ang. pad stack). W zależności od wielkości płytki i rodzaju zanieczyszczeń wykorzystuje się do tego celu metodę odtłuszczania rozpuszczalnikami organicznymi, odtłuszczanie alkaliczne, elektroniczne oraz ultradźwiękowe.  
Obecnie za najskuteczniejszą metodę odtłuszczania uważa się odtłuszczanie ultradźwiękowe. Specjalne myjki ultradźwiękowe (np. Termosonic, Heckerman) wypełnione są płynem na bazie alkoholu izopropylowego. Działanie myjek opiera się na fizycznym zjawisku kawitacji. Za pomocą fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości usuwają z części elektronicznych cząstki odpowiedzialne za zanieczyszczenia. Metoda ta nie powoduje uszkodzeń mechanicznych na powierzchniach czyszczonych elementów. 
Płytki PCB pozbawione otworów metalizowanych wymagają naniesienia topnika.

7. Montaż przewlekany (THT) elementów elektronicznych
Pod znacznikiem siódmym znajduje się treść:
Wyprowadzenia elementów elektronicznych należy skrępować na wymagany rozmiar, a następnie umieścić w otworach płytki PCB i przełożyć na drugą stronę. Płytkę należy odwrócić, np przy pomocy specjalnej podkładki do lutowania przewlekanego. Przed przystąpieniem do lutowania należy upewnić się, że element ściśle i równo przylega do płytki, a w przypadku np. diod i innych elementów spolaryzowanych, konieczne jest sprawdzenie poprawności kierunku montażu.
Elementy elektroniczne o większych gabarytach mogą dodatkowo wymagać klejenia. Klej nakładany jest na płytki PCB np. przy pomocy ręcznego dyspensera. Wykorzystuje się do tego celu specjalne kleje, które po zaschnięciu mają dobre właściwości elektryczne i odporność termiczną.

8. Lutowanie
Pod znacznikiem numer osiem kryje się treść:
Zamontowany na płytce element należy przylutować za wyprowadzenia. Podczas tej czynności trzeba pamiętać, że prawidłowy lut powinien pokrywać ściśle całe pole lutownicze oraz wyprowadzenie lutowanej części.  Żeby osiągnąć odpowiednią jakość lutu, należy lutować względnie szybko, tak żeby nie przegrzać elementów elektronicznych oraz punktu lutowniczego. 
Lutowanie przebiega w następujących krokach:
Rozgrzej końcówkę elementu do stopienia cyny.
Kiedy końcówka jest rozgrzana, kropla cyny samoczynnie spadnie na dół.
Po ostygnięciu, połączenie stworzone przez cynę będzie prawidłowe.
Powtórz te kroki dla kolejnych elementów.
Te cztery kroki ilustrują proces lutowania, w którym rozgrzewanie końcówki elementu powoduje stopienie cyny, która następnie tworzy trwałe połączenie po ostygnięciu.
Po przylutowaniu elementów do padów należy odciąć nadmiarowe wyprowadzenia, zwykle pozostawiając je na długość około 1,5 mm.

9. Usuwanie resztek topnika

Pod znacznikiem z cyfrą dziewięć kryje się treść:
KROK 4. USUWANIE RESZTEK TOPNIKA. Po zakończeniu lutowania należy usunąć z płytki PCB resztki użytego topnika. W przypadku środków na bazie kalafonii i wszelkich topników oznaczonych jako No clean mycie topnika po lutowaniu nie jest konieczne, choć często zalecane. Używa się do tego środków na bazie np. alkoholu etylowego lub metylowego. Środek nakłada się na płytkę i energicznie omiata się ją po obu stronach pędzelkiem o krótkim, naturalnym włosiu. Topnik można usunąć również za pomocą myjek ultradźwiękowych.

10. Kontrola jakości
Pod znacznikiem z liczbą dziesięć kryje się treść:

KROK 5. KONTROLA JAKOŚCI.
Po zakończeniu lutowania należy dokonać kontroli jego jakości, przede wszystkim drobiazgowo sprawdzić, czy:
1. wszystkie przylutowane elementy znajdują się na swoich miejscach zgodnie z projektem,
2. wszystkie połączenia są trwałe i prawidłowo wykonane,
3. nie widać uszkodzeń płytki oraz poszczególnych elementów.

Kontrola jakości powinna wykluczyć takie błędy, jak występowanie zimnego lutu, powstającego na skutek niezastosowania topnika lub niedostatecznego nagrzania zarówno lutu, jak i materiału łączonego, co jest warunkiem wystąpienia procesu dyfuzji. Cechy zimnego lutu to:
Poniżej znajduje zobrazowanie błędów za pomocą ilustracji.
Opis: Grafika przedstawia błędy przy lutowaniu. Oto opisy poszczególnych błędów:

Zbyt mała ilość cyny: Na rysunku widać, że nie ma wystarczającej ilości cyny na połączeniu, co może skutkować słabym połączeniem elektrycznym lub mechanicznym.
Niezwilżona końcówka elementu: Końcówka elementu nie jest dobrze pokryta cyną, co uniemożliwia prawidłowe połączenie z innymi elementami.
Ryzyko zimnego lutu: Przez niewystarczające podgrzanie połączenia, cyna nie rozpływa się w odpowiedni sposób, co może prowadzić do słabego połączenia.
Niezwilżona końcówka i punkt lutowniczy: Zarówno końcówka elementu, jak i punkt lutowniczy nie są wilgotne, co utrudnia prawidłowe połączenie.
Za mało cyny: Na rysunku widać, że jest niewystarczająca ilość cyny na połączeniu, co może prowadzić do słabego połączenia i niewłaściwej przewodności.
Za dużo cyny: Zbyt duża ilość cyny na połączeniu może powodować przecieki i niewłaściwe połączenia między elementami.
Przepalona cyna: Widoczne jest przegrzane połączenie, co powoduje przepalenie i utratę właściwości połączenia.
Niezwilżony przewód i niezwilżona płytka i przewód: Zarówno przewód, jak i płytka i przewód nie są pokryte cyną, co utrudnia prawidłowe połączenie i przewodzenie.

Powiązane ćwiczenia