Principiul de funcționare al pastei de lipit?

Dacă te-ai întrebat vreodată de ce acele cipuri minuscule rămân lipite de placa de bază a telefonului tău în loc să zdrăngănească ca o schimbătoare de rezervă,pasta de lipiteste raspunsul tau. Este unul dintre acele materiale care face mult mai mult decât îi merită oamenii.

La bază, pasta de lipit este un amestec gri, ușor nisipos. Gândește-te la asta ca la o pastă de dinți foarte precisă din metal. Aveți aceste sfere microscopice de aliaj de lipit-de obicei undeva între 20 și 50 de microni în diametru-suspendate într-un mediu de flux lipicios. Pulberea reprezintă aproximativ 85-90% în greutate în majoritatea formulărilor.

Aliajul în sine? Acolo lucrurile devin interesante și, sincer, aici aș putea vorbi ore întregi. Tin-plumbul tradițional (SnPb) a fost preferatul industriei timp de decenii. Eutectic 63/37 SnPb se topește la exact 183 de grade, cu un interval de zero pastă. Curat, previzibil, plăcut de lucrat. Apoi a avut loc RoHS în 2006, iar lumea electronică s-a grăbit către alternative-fără plumb, cum ar fi SAC305 (96,5% staniu, 3% argint, 0,5% cupru), care necesită temperaturi de reflux mai ridicate, în jur de 217 de grade .

Dar sincer, partea metalică nu este vedeta spectacolului aici.

imagine

Iată ceva care mi-a luat prea mult timp să apreciez pe deplin: lipirea nu se lipește de metal. Se lipește decuratmetal. Și metalul curat, la temperatură ridicată, practic nu există în aer liber.

Cuprul se oxidează. Rapid. În momentul în care îl încălziți, acea suprafață strălucitoare începe să formeze oxid de cupru, iar oxidul de cupru este absolut groaznic pentru lipit. Oxizii de staniu se formează pe bilele de lipit. Totul încearcă în mod constant să ruginească, să corodeze, să oxideze-orice vrei să-i spui.

Aici fluxul își câștigă salariul.

Componenta de flux din pasta de lipit realizează un dans chimic sincer impresionant:

Dizolvarea oxidului

Majoritatea fluxurilor conțin acizi organici-acid abietic în formulări pe bază de colofoniu-sau compuși halogenuri mai agresivi pentru straturile de oxid încăpățânate. Când sunt încălziți, acești acizi atacă chimic filmele de oxid de metal, transformându-le în săruri metalice solubile care sunt îndepărtate de zona articulației. Metalul pur subiacent este expus, pe scurt, prețios.

Bariera de oxigen

Fluxul lichid acoperă suprafețele metalice expuse ca o pătură de protecție. Împiedică fizic ca oxigenul atmosferic să atingă metalul fierbinte și îl re-oxidează în timpul secundelor critice când trebuie să apară umezirea.

Modificarea tensiunii superficiale

Fluxul{0}}subtil, dar crucial, reduce tensiunea superficială la interfața de lipit lichid/metal. Fără el, lipitura topită s-ar ridica pe tampon ca apa pe o mașină ceară. Cu ea, lipirea se întinde, udă, aderă.

Există diferite chimii de flux-nu-curate,-solubile în apă, colofoniu ușor activat (RMA)-dar toate îndeplinesc aceste funcții de bază. Alegerea depinde de aplicația dvs. și dacă doriți să curățați placa după aceea. Unele lasă reziduuri care arată groaznic, dar sunt inofensive din punct de vedere electric. Altele sunt în mod activ corozive și trebuie neapărat spălate.

Deci ai pasta depusă pe plăcuțele PCB, componentele plasate deasupra. Acum ce? Ansamblul trece printr-un cuptor de reflow și aici colaborează fizica și chimia în moduri care încă mă fascinează.

Preîncălziți

Placa intră în jurul temperaturii camerei. Loviți un ansamblu rece cu 250 de grade și veți sparge componente, veți sparge bile de lipit peste tot, potențial să delaminați placa în sine. Nu e bun.

Deci în schimb: încălzire blândă. Aproximativ 1-3 grade pe secundă este tipic. Ținta este aducerea totul la aproximativ 150 de grade fără dramatism. Această fază începe, de asemenea, să volatilizeze solvenții în flux - doriți ca aceștia să dispară înainte de a atinge temperaturile de vârf sau veți avea goluri și stropi.

Înmuiați

Aceasta este faza de egalizare. Țineți totul la 150-200 de grade timp de 60-120 de secunde. Obiectivul? Omogenitate termică. Masa termică a unui BGA nu seamănă deloc cu cea a unui rezistor 0402. Lăsați-le timp să atingă aceeași temperatură înainte de a le arunca împreună în zona de reflux.

De asemenea, și asta contează-înmuiarea activează fluxul. Acei acizi organici devin activi corespunzător la temperaturi ridicate. O înmuiere prea scurtă și oxizii rămân. Prea mult timp și epuizați fluxul înainte ca refluxul să înceapă. Defectele „-in-pernă” apar adesea aici.

Zona de reflux

Acum gătim. Temperatura crește rapid peste punctul de topire al aliajului-numim 230-250 de grade pentru aliajele SAC. Acesta este Time Above Liquidus, sau TAL și, de obicei, este menținut la 30-60 de secunde.

Lipitura topită udă suprafețele expuse plăcuțelor și bornele componentelor. Tensiunea de suprafață trage metalul lichid în forma ideală de file. Legătura metalurgică are loc aici-atomii de staniu difuzează de fapt în suprafața plăcuței de cupru, formând un strat subțire de compus intermetalic (de obicei Cu6Sn5) care ancorează îmbinarea. Fără acest intermetalic, ai doar lipire așezată pe cupru, mai degrabă decât legată de el.

Temperatura de vârf contează enorm. Prea scăzut și umezirea este incompletă. Prea ridicat și deteriorați componentele, accelerați creșterea intermetalice, potențial ardeți reziduurile de flux în pete permanente urâte.

Răcire

Răcirea rapidă creează structuri de granulație fină în lipirea solidificată-în general preferată pentru rezistența mecanică. Dar „rapid” nu înseamnă „instant”. Ceva de genul 3-4 grade pe secundă este tipic. Mai repede de atât și riscați șoc termic la capătul de răcire.

Vreau să mă opresc asupra umezelii pentru că acesta este cu adevărat ideea.

Când lipirea se topește și fluxul și-a făcut treaba îndepărtând oxizii, metalul lichid trebuie să se răspândească pe suprafață, mai degrabă decât să se răspândească. Acest lucru se întâmplă din cauza atracției interatomice dintre lipit și metalul de bază. Suprafețele de metal pur elementar au o energie de suprafață mare-elevreaua se lega cu ceva. Suprafețele oxidate nu au acea energie disponibilă.

Udare bună înseamnă că unghiul de contact dintre lipitură și suprafața plăcuței este scăzut-lidura se întinde larg, formează un menisc blând, curge în sus pe cablul componentului. Udarea proastă arată ca o lipitură așezată acolo într-o pată, abia atingând ceva.

Industria evaluează de fapt aceste lucruri. Standardele IPC definesc cum arată „acceptabil” versus „țintă” versus „defect”. Este mai riguros decât te-ai aștepta.

Tombstone este un clasic. Un capăt al unei componente mici pasive are o umezire mai bună decât celălalt, astfel încât atunci când lipirea se topește, tensiunea superficială trage mai tare pe o parte. Componenta stă drept ca o piatră funerară. Se întâmplă în mod constant cu 0402s și 0201s dacă designul plăcuței sau volumul pastei nu este echilibrat.

Goluri. Aer prins în interiorul articulațiilor. Reduce conductivitatea termică și electrică, slăbește rezistența mecanică. Adesea urmărit la degajarea fluxului care nu poate scăpa înainte ca lipirea să se solidifice.

Bile de lipit. Mici sfere de lipit împrăștiate în jurul plăcii, neatașate de nimic. De obicei, din cauza stropirii pastei în timpul refluxării, dacă solvenții nu s-au evaporat complet la preîncălzire, sau din cauza volumului excesiv de pastă în timpul imprimării cu șablon.

Capul-în-pernă. Bila BGA se înmoaie, dar nu se unește complet cu depunerea de pastă. Obțineți ceea ce pare o conexiune, dar nu este. Oribil pentru fiabilitate.

De fapt, ar trebui să menționez tipărirea. Pasta trebuie să ajungă cumva pe tampoane, iar în producția SMT, aceasta este tipărirea cu șablon-o foaie de metal tăiată cu laser-cu deschideri corespunzătoare fiecărui tampon. Racleta împinge pasta prin deschideri. Simplu în concept, absolut pretențios în practică.

Designul deschiderii afectează modul în care pasta se eliberează de pe șablon. Deschiderile prea-în raport cu grosimea șablonului dau o eliberare slabă. Raporturile de aspect (lățimea la grosime) și raporturile de suprafață (zona de deschidere la zona peretelui lateral) sunt calculate cu atenție. 0.66 raportul de suprafață minim este o regulă generală obișnuită.

Reologia pastei contează și ea. Materialul trebuie să fie pseudoplastic-care curge atunci când este tăiat de racletă, dar își păstrează forma odată depus. Vâscozitate greșită și obțineți fie căderi (pasta se răspândește în tampoanele învecinate) fie depuneri insuficiente.

Aliaje SAC

Aliajele SAC sunt mai greu de lucrat decât plumbul-de staniu. Puncte de topire mai mari înseamnă mai mult stres termic asupra componentelor. Comportamentul de umezire este mai puțin îngăduitor. Straturile intermetalice cresc diferit. Modurile de defectare a fiabilității au fost schimbate.

Dar asta e lumea acum. RoHS nu dispare. Producătorii au petrecut două decenii optimizând procesele fără plumb-, iar formulările moderne SAC sunt rezonabil de robuste. Doar diferit.

Există alternative de-temperatură scăzută-aliaje pe bază de-bismut-care se topesc la aproximativ 138 de grade -utile pentru ansamblurile sensibile-la căldură sau pentru reducerea costurilor energetice. Ei își aduc propriile provocări cu fragilitate mecanică, dar aceasta este o cu totul altă conversație.

Continuitate electrică. Rezistență mecanică. Fiabilitate-pe termen lung sub cicluri termice, vibrații, expunere la umiditate.

Stratul intermetalic este suficient de gros pentru a dovedi că a avut loc lipirea, dar suficient de subțire pentru a nu deveni casant. Forma fileului distribuie eficient stresul. Fără goluri care să compromită căile termice. Fără contaminare care slăbește aderența.

Sincer, există și o componentă estetică, deși nimeni nu vrea să recunoască. O îmbinare de lipire frumoasă-strălucitoare (sau mată, cu SAC), consistentă, netedă-se corelează de obicei cu un proces bun. Articulațiile urâte indică adesea probleme chiar și atunci când trec din punct de vedere tehnic.

Unele linii de producție reflu sub azot, mai degrabă decât în aer. Nivelurile mai scăzute de oxigen înseamnă mai puțină oxidare în timpul procesului, ceea ce înseamnă că formulările de flux mai slabe pot obține o umezire bună. Mai puține reziduuri. Articulații mai strălucitoare.

Compensația este costul și complexitatea. Azotul nu este gratuit. Dar pentru ansambluri dificile sau atunci când se utilizează fluxuri ușoare fără-curate, atmosfera controlată poate face diferența.

Pasta de lipit funcționează deoarece furnizează lipire acolo unde este necesar, ține temporar componentele pe loc și-prin componenta sa de flux-creează condițiile chimice pentru ca legătura metal-la-să se producă efectiv. Pulberea furnizează materialul de îmbinare. Fluxul îndepărtează barierele în calea umezirii. Procesul de reflow furnizează energia termică pentru ca totul să se întâmple.

Este un proces chimic și fizic coordonat care are loc în aproximativ patru minute, de miliarde de ori pe zi, în industria electronică. Și când funcționează corect, nu o observi deloc-care este exact așa cum ar trebui să fie.

Uneori, cele mai critice materiale sunt cele la care nu te gândești niciodată. Pasta de lipit este așa. Își face treaba în mod invizibil, de nenumărate ori, în fiecare dispozitiv pe care îl deții.