Lutowane - Solder

Lutowane złącze używane do mocowania drutu do szpilki komponentu z tyłu płytki drukowanej
Szpula lutowia o średnicy 1,6 mm

Lutowniczej ( / s l d ər / , / e ɒ l d ər / lub w Ameryce Północnej / s ɒ d ər / ) jest topliwy metalowy stop używany do utworzenia trwałego wiązania między elementami metalowymi. Lutowie topi się w celu przylegania i łączenia elementów po ochłodzeniu, co wymaga, aby stop odpowiedni do stosowania jako lut miał niższą temperaturę topnienia niż elementy łączone. Lut powinien być również odporny na działanie utleniające i korozyjne, które z czasem doprowadziłoby do degradacji złącza. Lut używany do wykonywania połączeń elektrycznych również musi mieć korzystne właściwości elektryczne.

Lut miękki ma zazwyczaj temperaturę topnienia w zakresie od 90 do 450 °C (190 do 840 °F; 360 do 720 K) i jest powszechnie stosowany w elektronice , hydraulikach i obróbce blach. Najczęściej stosuje się stopy, które topią się w temperaturze od 180 do 190 °C (360 do 370 °F; 450 i 460 K). Lutowanie wykonywane przy użyciu stopów o temperaturze topnienia powyżej 450 °C (840 °F; 720 K) nazywane jest „lutowaniem twardym”, „lutowaniem srebrem” lub lutowaniem twardym .

W określonych proporcjach niektóre stopy są eutektyczne — tzn. temperatura topnienia stopu jest najniższa możliwa dla mieszaniny tych składników i pokrywa się z temperaturą zamarzania. Stopy nieeutektyczne mogą mieć wyraźnie różne temperatury solidusu i likwidusu , ponieważ mają wyraźne przejścia w stan ciekły i stały. Mieszaniny nieeutektyczne często występują jako pasta cząstek stałych w stopionej matrycy fazy o niższej temperaturze topnienia, gdy zbliżają się do wystarczająco wysokich temperatur. W pracach elektrycznych, jeśli połączenie zostanie naruszone w stanie "ciasta", zanim całkowicie się zestali, może to spowodować słabe połączenie elektryczne; zastosowanie lutu eutektycznego zmniejsza ten problem. Pastowaty stan lutowia nieeutektycznego może być wykorzystany w hydraulice, ponieważ pozwala na formowanie się lutowia podczas chłodzenia, np. w celu zapewnienia wodoszczelnego połączenia rur, w wyniku czego powstaje tzw.

Do prac elektrycznych i elektronicznych dostępny jest drut lutowniczy w różnych grubościach do lutowania ręcznego (lutowanie ręczne odbywa się za pomocą lutownicy lub lutownicy ) oraz z rdzeniami zawierającymi topnik . Jest również dostępny jako pasta do temperatury pokojowej, jako wstępnie uformowana folia dopasowana do przedmiotu obrabianego, która może być bardziej odpowiednia do zmechanizowanej produkcji masowej , lub w małych „wypustkach”, które można owinąć wokół złącza i stopić płomieniem, gdzie żelazo nie nadaje się do użytku ani nie jest dostępne, jak na przykład podczas napraw w terenie. W przeszłości powszechnie stosowano stopy ołowiu i cyny, które nadal są dostępne; są szczególnie wygodne do lutowania ręcznego. Spoiwa bezołowiowe są coraz częściej używane ze względu na wymagania prawne oraz korzyści zdrowotne i środowiskowe wynikające z unikania komponentów elektronicznych opartych na ołowiu. Są one obecnie używane prawie wyłącznie w elektronice użytkowej.

Hydraulicy często używają prętów lutowniczych, znacznie grubszych niż drut używany do zastosowań elektrycznych i nakładają topnik osobno; wiele topników do lutowania nadających się do instalacji wodociągowych jest zbyt żrących (lub przewodzących), aby można je było stosować w pracach elektrycznych lub elektronicznych. Jubilerzy często używają lutowia w cienkich arkuszach, które tną na skrawki.

Etymologia

Słowo solder pochodzi od średnioangielskiego słowa soudur , poprzez starofrancuskie solduree i soulder , od łacińskiego solidare , co oznacza " utrwalić ".

Kompozycja

Oparte na ołowiu

Sn
60
Pb
40
lutować

Luty cynowo - ołowiowe (Sn-Pb), zwane również lutami miękkimi, są dostępne w handlu przy stężeniu cyny od 5% do 70% wagowych. Im większe stężenie cyny, tym większa wytrzymałość lutowia na rozciąganie i ścinanie . Historycznie powszechnie uważano, że ołów łagodzi powstawanie wąsów cynowych , chociaż dokładny mechanizm tego nie jest znany. Obecnie w celu złagodzenia tego problemu stosuje się wiele technik, w tym zmiany w procesie wyżarzania (ogrzewanie i chłodzenie), dodawanie pierwiastków takich jak miedź i nikiel oraz nakładanie powłok konforemnych . Stopy powszechnie stosowane do lutowania elektrycznego to 60/40 Sn-Pb, który topi się w temperaturze 188°C (370 °F) oraz 63/37 Sn-Pb, stosowany głównie w pracach elektrycznych/elektronicznych. Ta mieszanina jest stopem eutektycznym tych metali, które:

  1. ma najniższą temperaturę topnienia (183°C lub 361°F) spośród wszystkich stopów cyna-ołów; oraz
  2. temperatura topnienia jest naprawdę punktem  — a nie zakresem.

W Stanach Zjednoczonych od 1974 roku ołów jest zabroniony w stopach lutowniczych i topnikach stosowanych w instalacjach wodno-kanalizacyjnych zgodnie z ustawą o bezpiecznej wodzie pitnej . Historycznie stosowano większy udział ołowiu, zwykle 50/50. Miało to tę zaletę, że stop krzepnął wolniej. Po fizycznym dopasowaniu rur przed lutowaniem, lut można przetrzeć przez złącze, aby zapewnić wodoszczelność. Chociaż ołowiane rury wodne zostały wyparte przez miedź, gdy znaczenie zatrucia ołowiem zaczęło być w pełni doceniane, lut ołowiowy był nadal używany do lat 80. XX wieku, ponieważ uważano, że ilość ołowiu, która może wypłukać się do wody z lutowia, była znikoma. złącze lutowane. Elektrochemiczny pary miedzi i ołowiu sprzyja korozji ołowiu i cyny. Cyna jest jednak chroniona nierozpuszczalnym tlenkiem. Ponieważ nawet niewielkie ilości ołowiu okazały się szkodliwe dla zdrowia jako silna neurotoksyna , ołów w lutowiu w instalacjach hydraulicznych został zastąpiony srebrem (zastosowania spożywcze) lub antymonem , z często dodawaną miedzią , a udział cyny został zwiększony (patrz Ołów- darmowe lutowanie .)

Dodatek cyny – droższej niż ołowiu – poprawia właściwości zwilżające stopu; sam ołów ma słabe właściwości zwilżające. Stopy o wysokiej zawartości cyny i ołowiu mają ograniczone zastosowanie, ponieważ zakres urabialności może zapewnić tańszy stop o wysokiej zawartości ołowiu.

Lutowanie ołów-cyna łatwo rozpuszczają złota poszycia, tworząc łamliwe związki międzymetaliczne. Lut 60/40 Sn-Pb utlenia się na powierzchni, tworząc złożoną czterowarstwową strukturę: na powierzchni tlenek cyny(IV) , poniżej warstwa tlenku cyny(II) z drobno rozproszonym ołowiem, a następnie warstwa cyny (II) tlenek z drobno rozproszoną cyną i ołowiem oraz sam stop lutowniczy pod spodem.

Ołów i do pewnego stopnia cyna stosowane w stopie lutowniczym zawierają niewielkie, ale znaczne ilości zanieczyszczeń radioizotopowych . Radioizotopy ulegające rozpadowi alfa stanowią problem ze względu na ich tendencję do powodowania miękkich błędów . Szczególnie kłopotliwy jest polon-210 ; Ołów-210 beta rozpada się na bizmut-210, który następnie beta rozpada się na polon-210, intensywny emiter cząstek alfa . Uran-238 i tor-232 to inne znaczące zanieczyszczenia stopów ołowiu.

Bezołowiowe

Drut lutowniczy z czystej cyny
Lutowanie rur miedzianych za pomocą palnika propanowego i lutu bezołowiowego

Unia Europejska WEEE i Restriction of Hazardous Substances dyrektywy zostały przyjęte na początku 2003 roku i wszedł w życie z dniem 1 lipca 2006 roku, ograniczając włączenie ołowiu w większości urządzeń elektronicznych sprzedawanych w UE, posiadające szeroki wpływ na elektronikę użytkową sprzedawaną na całym świecie. W Stanach Zjednoczonych producenci mogą uzyskać ulgi podatkowe, zmniejszając użycie lutu na bazie ołowiu. Luty bezołowiowe w zastosowaniach komercyjnych mogą zawierać cynę, miedź, srebro, bizmut , ind , cynk , antymon oraz śladowe ilości innych metali. Większość bezołowiowych zamienników konwencjonalnego lutu 60/40 i 63/37 Sn-Pb ma temperaturę topnienia wyższą od 50 do 200 °C, chociaż istnieją również luty o znacznie niższych temperaturach topnienia. Lut bezołowiowy zazwyczaj wymaga około 2% masy topnika, aby zapewnić odpowiednią zdolność zwilżania.

Gdy do lutowania na fali stosuje się lut bezołowiowy , może być pożądane nieznacznie zmodyfikowane tygiel lutowniczy (np. tytanowe wkładki lub wirniki), aby zmniejszyć koszty konserwacji ze względu na zwiększone usuwanie cyny z lutu o wysokiej zawartości cyny.

Lut bezołowiowy może być mniej pożądany w zastosowaniach krytycznych, takich jak projekty lotnicze i medyczne, ponieważ jego właściwości są mniej dokładnie poznane.

Luty cynowo -srebrno-miedziane (Sn-Ag-Cu lub SAC ) są używane przez dwie trzecie japońskich producentów do lutowania rozpływowego i na fali , a przez około 75% firm do lutowania ręcznego. Powszechne stosowanie tej popularnej rodziny stopów lutowniczych bezołowiowych opiera się na obniżonej temperaturze topnienia eutektycznego zachowania trójskładnikowego Sn-Ag-Cu (217 °C, 423 °F), która jest niższa niż 22/78 Sn-Ag ( % wag.) eutektyka 221 °C (430 °F) i eutektyka 59/41 Sn-Cu 227 °C (441 °F). Trójskładnikowe zachowanie eutektyczne Sn-Ag-Cu i jego zastosowanie do montażu elektroniki zostało odkryte (i opatentowane) przez zespół naukowców z Ames Laboratory , Iowa State University oraz Sandia National Laboratories - Albuquerque.

Wiele ostatnich badań skupiało się na dodaniu czwartego pierwiastka do lutowia Sn-Ag-Cu, aby zapewnić kompatybilność ze zmniejszoną szybkością chłodzenia rozpływu kuli lutowniczej przy montażu matryc siatki kulowej . Przykładami tych czteroelementowych kompozycji są 18/64/14/4 cyna-srebro-miedź-cynk (Sn-Ag-Cu-Zn) (zakres topnienia 217-220°C) i 18/64/16/2 cyna- srebro-miedź- mangan (Sn-Ag-Cu-Mn; zakres topnienia 211–215 °C).

Luty na bazie cyny łatwo rozpuszczają złoto, tworząc kruche połączenia międzymetaliczne; dla stopów Sn-Pb krytyczne stężenie złota powodujące kruchość złącza wynosi około 4%. Luty bogate w ind (zwykle ind-ołów) są bardziej odpowiednie do lutowania grubszej warstwy złota, ponieważ szybkość rozpuszczania złota w indzie jest znacznie wolniejsza. Luty bogate w cynę również łatwo rozpuszczają srebro; do lutowania metalizacji srebrnej lub powierzchni odpowiednie są stopy z dodatkiem srebra; Do wyboru są również stopy bezcynowe, choć ich zwilżalność jest gorsza. Jeśli czas lutowania jest wystarczająco długi, aby utworzyć intermetale, cynowa powierzchnia złącza lutowanego do złota jest bardzo matowa.

Lut twardy

Do lutowania twardego używa się lutów twardych, które topią się w wyższych temperaturach. Najczęściej spotykane są stopy miedzi z cynkiem lub srebrem.

W złotnictwie lub jubilerstwie stosuje się specjalne twarde luty, które przejdą próbę . Zawierają duży udział lutowanego metalu, a ołów nie jest używany w tych stopach. Luty te różnią się twardością, określane jako „emaliowane”, „twarde”, „średnie” i „łatwe”. Lut do emaliowania ma wysoką temperaturę topnienia, zbliżoną do samego materiału, aby zapobiec rozlutowaniu połączenia podczas wypalania w procesie emaliowania. Pozostałe typy lutów są używane w malejącej kolejności twardości podczas procesu tworzenia elementu, aby zapobiec wcześniej lutowanej spoinie lub rozlutowaniu złącza podczas lutowania dodatkowych miejsc. Z tego samego powodu do napraw często stosuje się również łatwe lutowanie. Topnik służy również do zapobiegania rozlutowaniu połączeń.

Lut srebrny jest również używany w produkcji do łączenia części metalowych, które nie mogą być spawane . Stopy używane do tych celów zawierają wysoki udział srebra (do 40%), a także mogą zawierać kadm .

Stopy

Różne pierwiastki pełnią różne role w stopie lutowniczym:

  • Antymon jest dodawany w celu zwiększenia wytrzymałości bez wpływu na zwilżalność. Zapobiega szkodnikom cynowym. Należy unikać w przypadku cynku, kadmu lub metali ocynkowanych, ponieważ powstałe połączenie jest kruche.
  • Bizmut znacznie obniża temperaturę topnienia i poprawia zwilżalność. W obecności wystarczającej ilości ołowiu i cyny bizmut tworzy kryształy Sn
    16
    Pb
    32
    Bi
    52
    o temperaturze topnienia tylko 95 °C, która dyfunduje wzdłuż granic ziaren i może powodować uszkodzenie połączenia w stosunkowo niskich temperaturach. Część o dużej mocy wstępnie pocynowana stopem ołowiu może zatem odlutowywać się pod obciążeniem, gdy jest lutowana lutem zawierającym bizmut. Takie połączenia są również podatne na pękanie. Stopy zawierające więcej niż 47% Bi rozszerzają się po schłodzeniu, co można wykorzystać do wyrównania naprężeń wynikających z niedopasowania rozszerzalności cieplnej. Opóźnia wzrost wąsów cynowych . Stosunkowo droga, ograniczona dostępność.
  • Miedź poprawia odporność na zmęczenie cyklem termicznym oraz poprawia właściwości zwilżające stopionego lutowia. Spowalnia również szybkość rozpuszczania miedzi z płytki i wyprowadzeń części w ciekłym lutowiu. Miedź w stopach lutowniczych tworzy związki międzymetaliczne. Przesycony (o około 1%) roztwór miedzi w cynie może być stosowany do hamowania rozpuszczania cienkowarstwowej metalizacji podgarbkowej chipów BGA , np. jako Sn
    94
    Ag
    3
    Cu
    3
    .
  • Nikiel można dodać do stopu lutowniczego w celu utworzenia przesyconego roztworu, który hamuje rozpuszczanie metalizacji cienkowarstwowej pod wypukłościami. W stopach cynowo-miedziowych niewielki dodatek Ni (<0,5% wag.) hamuje powstawanie pustych przestrzeni i wzajemną dyfuzję pierwiastków Cu i Sn. Hamuje rozpuszczanie miedzi, jeszcze bardziej w synergii z bizmutem. Obecność niklu stabilizuje związki międzymetaliczne miedź-cyna, hamuje wzrost proeutektycznych dendrytów β-cyny (a tym samym zwiększa płynność w pobliżu temperatury topnienia eutektyki miedź-cyna), promuje błyszczącą, jasną powierzchnię po zestaleniu, hamuje pękanie powierzchni podczas chłodzenia; takie stopy są nazywane „modyfikowanymi niklem” lub „stabilizowanymi niklem”. Małe ilości zwiększają płynność stopu, najbardziej na poziomie 0,06%. W celu uniknięcia problemów patentowych można wykorzystać kwoty nieoptymalne. Redukcja płynności zwiększa wypełnienie otworów i łagodzi mostki i sople.
  • Kobalt jest używany zamiast niklu, aby uniknąć problemów patentowych w poprawie płynności. Nie stabilizuje narostów międzymetalicznych w stopie stałym.
  • Ind obniża temperaturę topnienia i poprawia ciągliwość. W obecności ołowiu tworzy związek trójskładnikowy, który przechodzi przemianę fazową w 114°C. Bardzo wysoki koszt (kilkakrotność srebra), niska dostępność. Łatwo się utlenia, co powoduje problemy przy naprawach i przeróbkach, zwłaszcza gdy nie można zastosować topnika do usuwania tlenków, np. podczas mocowania matrycy GaAs. Stopy indu są używane do zastosowań kriogenicznych i do lutowania złota, ponieważ złoto rozpuszcza się w indzie znacznie mniej niż w cynie. Ind może również lutować wiele niemetali (np. szkło, mikę, tlenek glinu, magnezję, tlenek tytanu, cyrkon , porcelanę, cegłę, beton i marmur). Podatne na dyfuzję do półprzewodników i powodujące niepożądane domieszkowanie. W podwyższonych temperaturach łatwo dyfunduje przez metale. Niska prężność pary, odpowiednia do stosowania w systemach próżniowych. Tworzy kruche związki międzymetaliczne ze złotem; luty bogate w ind na grubym złocie są zawodne. Luty na bazie indu są podatne na korozję, zwłaszcza w obecności jonów chlorkowych .
  • Ołów jest tani i ma odpowiednie właściwości. Gorzej zwilża niż cyna. Toksyczny, wycofywany. Opóźnia wzrost wąsów cynowych, hamuje szkodniki cynowe. Obniża rozpuszczalność miedzi i innych metali w cynie.
  • Srebro zapewnia wytrzymałość mechaniczną, ale ma gorszą ciągliwość niż ołów. W przypadku braku ołowiu poprawia odporność na zmęczenie spowodowane cyklami termicznymi. Użycie lutów SnAg z przewodami pokrytymi HASL-SnPb tworzy SnPb
    36
    Ag
    2
    faza o temperaturze topnienia 179°C, która przemieszcza się na styk płytka-lutowie, krzepnie jako ostatni i oddziela się od płytki. Dodatek srebra do cyny znacznie obniża rozpuszczalność powłok srebrowych w fazie cyny. W eutektycznym stopie cyny ze srebrem (3,5% Ag) i podobnych stopach (np. SAC305) ma tendencję do tworzenia płytek Ag
    3
    Sn
    , który, jeśli zostanie utworzony w pobliżu miejsca o dużym naprężeniu, może służyć jako miejsca inicjowania pęknięć i powodować słabą odporność na wstrząsy i upadki; zawartość srebra musi być utrzymywana poniżej 3%, aby zahamować takie problemy. Wysoka ruchliwość jonów, ma tendencję do migracji i tworzenia zwarć przy wysokiej wilgotności pod wpływem prądu stałego. Wspomaga korozję tygli lutowniczych, zwiększa tworzenie się żużlu.
  • Cyna jest zwykle głównym metalem konstrukcyjnym stopu. Ma dobrą wytrzymałość i zwilżanie. Na własną rękę jest podatny na szkodnika cyny , cyna krzyk , i wzrost wąsów cynowych . Łatwo rozpuszcza srebro, złoto iw mniejszym, ale nadal znaczącym stopniu, wiele innych metali, np. miedź; jest to szczególnie niepokojące w przypadku stopów bogatych w cynę o wyższych temperaturach topnienia i temperaturach ponownego rozpływu.
  • Cynk obniża temperaturę topnienia i jest tani. Jest jednak bardzo podatny na korozję i utlenianie w powietrzu, dlatego stopy zawierające cynk nie nadają się do niektórych celów, np. lutowanie na fali, a pasty lutownicze zawierające cynk mają krótszy okres trwałości niż bezcynkowe. Może tworzyć kruche międzymetaliczne warstwy Cu-Zn w kontakcie z miedzią. Łatwo się utlenia co utrudnia zwilżanie, wymaga odpowiedniego topnika.
  • German w lutach bezołowiowych na bazie cyny wpływa na tworzenie się tlenków; poniżej 0,002% zwiększa powstawanie tlenków. Optymalne stężenie do hamowania utleniania wynosi 0,005%. Stosowany np. w stopie Sn100C. Patentowany.
  • Pierwiastki ziem rzadkich , dodawane w małych ilościach, uszlachetniają strukturę osnowy w stopach cynowo-miedziowych poprzez segregację zanieczyszczeń na granicach ziaren. Jednak nadmierne dodawanie powoduje powstawanie wąsów cynowych; powoduje to również powstawanie fałszywych faz ziem rzadkich, które łatwo utleniają się i pogarszają właściwości lutu.
  • Fosfor jest używany jako przeciwutleniacz, który hamuje tworzenie się żużlu. Zmniejsza płynność stopów cynowo-miedziowych.

Zanieczyszczenia

Zanieczyszczenia zwykle dostają się do zbiornika lutowia poprzez rozpuszczanie metali obecnych w lutowanych zespołach. Rozpuszczanie urządzeń procesowych nie jest powszechne, ponieważ materiały są zwykle wybierane tak, aby były nierozpuszczalne w lutowiu.

  • Aluminium  – słaba rozpuszczalność, powoduje ospałość lutowia i matowy, ziarnisty wygląd na skutek tworzenia się tlenków. Dodatek antymonu do lutowia tworzy związki międzymetaliczne Al-Sb, które są segregowane na kożuch żużlowy . Promuje kruchość.
  • Antymon  – dodany celowo, do 0,3% poprawia zwilżanie, większe ilości powoli degradują zwilżanie. Zwiększa temperaturę topnienia.
  • Arsen  – tworzy cienkie związki międzymetaliczne o niekorzystnym wpływie na właściwości mechaniczne, powoduje odwilżanie powierzchni mosiężnych
  • Kadm  – powoduje spowolnienie lutowania, tworzy tlenki i matowienie
  • Miedź  – najczęstsze zanieczyszczenie, tworzy igiełkowate międzymetale, powoduje spowolnienie lutów, ziarnistość stopów, zmniejszenie zwilżania
  • Złoto  – łatwo się rozpuszcza, tworzy kruche związki międzymetaliczne, zanieczyszczenie powyżej 0,5% powoduje spowolnienie i zmniejsza zwilżanie. Obniża temperaturę topnienia lutów cynowych. Stopy o wyższej zawartości cyny mogą wchłonąć więcej złota bez kruchości.
  • Żelazo  – tworzy związki międzymetaliczne, powoduje ziarnistość, ale szybkość rozpuszczania jest bardzo niska; łatwo rozpuszcza się w ołowiowo-cyny powyżej 427°C.
  • Ołów  – powoduje problemy ze zgodnością z Dyrektywą o Ograniczeniu Substancji Niebezpiecznych na poziomie powyżej 0,1%.
  • Nikiel  – powoduje ziarnistość, bardzo małą rozpuszczalność w Sn-Pb
  • Fosforu  - formy cyny i ołowiu fosforki powoduje chropowatość i zmniejszenie zwilżalności obecny w bezprądowego niklowania
  • Srebro  – często dodawane celowo, w dużych ilościach tworzy międzymetale, które powodują szorstkość i powstawanie wyprysków na powierzchni lutowia, potencjalnie powodujące kruchość
  • Siarka  – tworzy siarczki ołowiu i cyny , powoduje odwilżanie
  • Cynk  – w stopie tworzy nadmierny kożuch żużlowy, w zestalonych spoinach szybko utlenia się na powierzchni; tlenek cynku jest nierozpuszczalny w topnikach, co utrudnia naprawę; Podczas lutowania mosiądzu mogą być potrzebne warstwy barierowe z miedzi i niklu, aby zapobiec migracji cynku na powierzchnię; potencjał do kruchości

Wykończenie płyt a gromadzenie się zanieczyszczeń w kąpieli lutowniczej na fali:

  • HASL, bezołowiowy (Hot Air Level): zazwyczaj praktycznie czysta cyna. Nie zanieczyszcza kąpieli o wysokiej zawartości cyny.
  • HASL, ołów: trochę ołowiu rozpuszcza się w kąpieli
  • ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold): zazwyczaj 100-200 mikrocali niklu z 3-5 mikrocalami złota na wierzchu. Trochę złota rozpuszcza się w kąpieli, ale limity przekraczające nagromadzenie są rzadkie.
  • Srebro zanurzeniowe: zazwyczaj 10-15 mikrocale srebra. Niektóre rozpuszczają się w wannie, limity przekraczające nagromadzenie są rzadkie.
  • Cyna zanurzeniowa: nie zanieczyszcza kąpieli o wysokiej zawartości cyny.
  • OSP (Organiczny środek konserwujący lutowność): zwykle związki klasy imidazolowej tworzące cienką warstwę na powierzchni miedzi. Miedź łatwo rozpuszcza się w kąpielach o wysokiej zawartości cyny.

Strumień

Lut elektryczny ze zintegrowanym rdzeniem z żywicy, widoczny jako ciemna plama na przeciętym końcu drutu lutowniczego.

Topnik jest środkiem redukującym zaprojektowanym, aby pomóc w redukcji (przywróceniu utlenionych metali do ich stanu metalicznego) tlenków metali w punktach styku, aby poprawić połączenie elektryczne i wytrzymałość mechaniczną. Dwa główne typy topników to topniki kwasowe (czasami nazywane „topnikami aktywnymi”), zawierające silne kwasy, używane do naprawy metali i kanalizacji oraz topniki kalafonii (czasami nazywane „topnikami pasywnymi”), stosowane w elektronice. Topnik z kalafonii ma różne "aktywności", odpowiadające w przybliżeniu szybkości i skuteczności składników kwasów organicznych kalafonii w rozpuszczaniu tlenków powierzchni metalicznych, a w konsekwencji korozyjności pozostałości topnika.

Ze względu na obawy związane z zanieczyszczeniem atmosfery i usuwaniem niebezpiecznych odpadów , przemysł elektroniczny stopniowo przechodzi z topnika kalafonii na topnik rozpuszczalny w wodzie, który można usunąć za pomocą wody dejonizowanej i detergentu zamiast rozpuszczalników węglowodorowych . Topniki rozpuszczalne w wodzie są ogólnie bardziej przewodzące niż tradycyjnie stosowane topniki elektryczne / elektroniczne, a zatem mają większy potencjał interakcji elektrycznej z obwodem; generalnie ważne jest usunięcie ich śladów po lutowaniu. Z tego samego powodu należy również usunąć niektóre ślady topnika typu kalafonia.

W przeciwieństwie do tradycyjnych prętów lub zwiniętych drutów z całkowicie metalowego lutowia i ręcznego nakładania topnika na łączone części, od połowy XX wieku w lutowaniu ręcznym stosowano lut z rdzeniem topnikowym. Jest on wytwarzany jako zwinięty drut lutowniczy, z jednym lub kilkoma ciągłymi ciałami osadzonymi wzdłużnie w postaci topnika kwasu nieorganicznego lub kalafonii. Gdy lut topi się na złączu, uwalnia strumień i uwalnia go również na nim.

Operacja

Zachowanie krzepnięcia zależy od składu stopu. Czyste metale krzepną w określonej temperaturze, tworząc kryształy jednej fazy. Stopy eutektyczne również krzepną w jednej temperaturze, wszystkie składniki wytrącają się jednocześnie w tak zwanym sprzężonym wzroście . Kompozycje nieeutektyczne po ochłodzeniu zaczynają najpierw wytrącać fazę nieeutektyczną; dendryty, gdy jest metalem, duże kryształy, gdy jest to związek międzymetaliczny. Taka mieszanina cząstek stałych w stopionej eutektyce nazywana jest stanem papkowatym . Nawet stosunkowo niewielka ilość ciał stałych w cieczy może drastycznie obniżyć jej płynność.

Temperatura całkowitego krzepnięcia to solidus stopu, temperatura, w której topią się wszystkie składniki, to likwidus.

Stan papkowaty jest pożądany, gdy pewien stopień plastyczności jest korzystny dla tworzenia złącza, umożliwiając wypełnienie większych szczelin lub przetarcie złącza (np. podczas lutowania rur). Przy lutowaniu ręcznym elektroniki może to być szkodliwe, ponieważ złącze może wyglądać na zestalone, gdy jeszcze nie jest. Przedwczesne obchodzenie się z takim stawem zakłóca jego wewnętrzną strukturę i prowadzi do naruszenia integralności mechanicznej.

Międzymetaliczne

Podczas krzepnięcia lutów i ich reakcji z lutowanymi powierzchniami powstaje wiele różnych związków międzymetalicznych . Związki międzymetaliczne tworzą odrębne fazy, zwykle jako wtrącenia w osnowie z ciągliwego roztworu stałego, ale mogą również tworzyć samą osnowę z wtrąceniami metali lub tworzyć materię krystaliczną z różnymi składnikami międzymetalicznymi. Materiały międzymetaliczne są często twarde i kruche. Drobno rozmieszczone związki międzymetaliczne w plastycznej osnowie dają twardy stop, podczas gdy gruba struktura daje bardziej miękki stop. Pomiędzy metalem a lutowiem często tworzy się szereg związków międzymetalicznych ze wzrostem udziału metalu; np. tworzenie struktury Cu−Cu
3
Sn-Cu
6
Sn
5
−Sn
. Pomiędzy lutowiem a lutowanym materiałem mogą tworzyć się warstwy intermetali. Warstwy te mogą powodować osłabienie i kruchość niezawodności mechanicznej, zwiększoną oporność elektryczną lub elektromigrację i powstawanie pustych przestrzeni. Warstwa międzymetaliczna złota i cyny jest odpowiedzialna za słabą niezawodność mechaniczną powierzchni pozłacanych lutowanych cyną, gdzie złocenie nie rozpuściło się całkowicie w lutowiu.

W tworzeniu złącza lutowniczego rolę odgrywają dwa procesy: oddziaływanie między podłożem a stopionym lutowiem oraz wzrost w stanie stałym związków międzymetalicznych. Metal nieszlachetny rozpuszcza się w stopionym lutowiu w ilości zależnej od jego rozpuszczalności w lutowiu. Aktywny składnik lutu reaguje z metalem nieszlachetnym z szybkością zależną od rozpuszczalności aktywnych składników w metalu nieszlachetnym. Reakcje w ciele stałym są bardziej złożone – tworzenie się związków międzymetalicznych można zahamować poprzez zmianę składu metalu podstawowego lub stopu lutowniczego albo przez zastosowanie odpowiedniej warstwy barierowej hamującej dyfuzję metali.

Niektóre przykładowe interakcje obejmują:

  • Złoto i pallad łatwo rozpuszczają się w lutowiach. Miedź i nikiel mają tendencję do tworzenia warstw międzymetalicznych podczas normalnego lutowania profili. Ind również tworzy związki międzymetaliczne.
  • Intermetale indowo-złote są kruche i zajmują około 4 razy większą objętość niż oryginalne złoto. Druty spajające są szczególnie podatne na atak indu. Taki wzrost międzymetaliczny, wraz z cyklami termicznymi, może prowadzić do uszkodzenia drutów łączących.
  • Często używa się miedzi pokrytej niklem i złotem. Cienka warstwa złota ułatwia lutowanie niklu, ponieważ chroni go przed utlenianiem; warstwa musi być wystarczająco cienka, aby szybko i całkowicie się rozpuścić, więc czysty nikiel jest wystawiony na lut.
  • Warstwy lutowia ołowiowo-cynowego na przewodach miedzianych mogą tworzyć międzymetaliczne warstwy miedziowo-cynowe; stop lutowniczy jest następnie lokalnie zubożony w cynę i tworzy warstwę bogatą w ołów. Międzymetaliczne związki Sn-Cu mogą być wówczas narażone na utlenianie, co powoduje pogorszenie lutowności.
  • Cu
    6
    Sn
    5
     – powszechny na styku lut-miedź, tworzy się preferencyjnie, gdy dostępny jest nadmiar cyny; w obecności niklu (Cu,Ni)
    6
    Sn
    5
    można utworzyć związek
  • Cu
    3
    Sn
     – powszechny na styku lut-miedź, tworzy się preferencyjnie, gdy dostępny jest nadmiar miedzi, bardziej stabilny termicznie niż Cu
    6
    Sn
    5
    często występuje przy lutowaniu w wyższej temperaturze
  • Ni
    3
    Sn
    4
     – wspólne na interfejsie lut-nikiel
  • FeSn
    2
     – bardzo powolna formacja
  • Ag
    3
    Sn - przy wyższym stężeniu srebra (powyżej 3%) w cynie tworzy płytki, które mogą służyć jako miejsca inicjacji pęknięć.
  • AuSn
    4
     – faza β – krucha, tworzy się przy nadmiarze cyny. Szkodliwy dla właściwości lutów cynowych do warstw pozłacanych.
  • AuIn
    2
     – tworzy na granicy złota i lutowia indowo-ołowiowego, działa jak bariera przed dalszym rozpuszczaniem się złota
Matryca międzymetalicznych związków lutowniczych
Cyna Ołów Ind
Miedź Cu
4
Sn
, Cu
6
Sn
5
, Cu
3
Sn
, Cu
3
Sn
8
Cu
3
W
, Cu
9
w
4
Nikiel Ni
3
Sn
, Ni
3
Sn
2
, Ni
3
Sn
4
NiSn
3
Ni
3
W
, NiIn Ni
2
w
3
, Ni
3
w
7
Żelazo FeSn , FeSn
2
Ind w
3
Sn
, InSn
4
w
3
Pb
Antymon SbSn
Bizmut BiPb
3
Srebro Ag
6
Sn
, Ag
3
Sn
Ag
3
W
, AgIn
2
Złoto Au
5
Sn
, AuSn AuSn
2
, AuSn
4
Au
2
Pb
, AuPb
2
AuIn , AuIn
2
Paladium Pd
3
Sn
, Pd
2
Sn
, Pd
3
Sn
2
, PdSn , PdSn
2
, PdSn
4
Pd
3
W
, Pd
2
W
, PdIn , Pd
2
w
3
Platyna Pt
3
Sn
, Pt
2
Sn
, PtSn , Pt
2
Sn
3
, PtSn
2
, PtSn
4
Pt
3
Pb
, PtPb PtPb
4
Pt
2
w
3
, Ptn
2
, Pt
3
w
7

Preforma

Preforma to wstępnie przygotowany kształt lutowia specjalnie zaprojektowany do zastosowania, w którym ma być używany. Do produkcji preformy lutowniczej stosuje się wiele metod, z których najbardziej rozpowszechnione jest tłoczenie. Preforma lutownicza może zawierać topnik lutowniczy potrzebny do procesu lutowania. Może to być topnik wewnętrzny, wewnątrz preformy lutowniczej lub zewnętrzny, z powłoką preformy lutowniczej.

Podobne substancje

Lut szklany służy do łączenia szkła z innymi szkłami, ceramiką , metalami , półprzewodnikami , miką i innymi materiałami w procesie zwanym spajaniem fryty szklanej . Lut szklany musi płynąć i zwilżać lutowane powierzchnie znacznie poniżej temperatury, w której następuje odkształcenie lub degradacja jednego z łączonych materiałów lub pobliskich struktur (np. warstwy metalizacji na wiórach lub podłożach ceramicznych). Zwykle temperatura osiągania płynności i zwilżania wynosi od 450 do 550 °C (840 do 1020 °F).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki