Technologia Wyrobów Elektronicznych TWE
- laboratorium
Ćwiczenie 4
 Lutowanie
Instrukcja laboratoryjna
 Człowiek - najlepsza inwestycja
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2011
2 Ćwiczenie 4
 Lutowanie
1. WST
P
1.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z procesem wykonywania połączeń lu-
towanych w procesie lutowania ręcznego, wykonanie testowej serii połączeń elementów prze-
wlekanych, wyznaczenie profilu temperaturowego procesu i na jego podstawie określenie ja-
kości wykonanego połączenia.
1.2. Zakres wymaganych wiadomości
Poprawne przygotowanie do ćwiczenia wymaga zapoznania się z niniejszą instrukcją,
przypomnienia odpowiednich treści wykładów z Technologii Wyrobów Elektronicznych oraz
uzupełnienia wiadomości dodatkowych o informacje zawarte w literaturze uzupełniającej. Peł-
ny zakres wymaganych wiadomości jest następujący:
 znajomość podstaw teoretycznych i parametrów procesu lutowania;
 znajomość stosowanych materiałów w tym stopów lutowia, topnika i metalizacji pól
kontaktowych;
 znajomość teoretycznego profilu temperaturowego procesu lutowania ręcznego;
 budowa i zasada działania lutownicy.
2. WPROWADZENIE
2.1. Informacje ogólne
Lutowanie jest procesem mającym na celu zamontowanie elementów do płytki podło-
żowej obwodu elektronicznego przy pomocy stopu lutowniczego, zawierającego dodatkowo
aktywne zwiÄ…zki chemiczne zwane topnikami usprawniajÄ…ce proces lutowania. Tego rodzaju
montaż różni się od klejenia, zastosowaniem metalicznych stopów lutowniczych o temperatu-
rze topnienia ok 200°C. Stopione lutowie zwilża powierzchniÄ™ pól kontaktowych i wyprowa-
dzeń elektrycznych elementów a następnie łączy je trwale zastygając na etapie chłodzenia luto-
wia. Ze względu na występowanie wysokich temperatur w procesie montażu konieczne jest
dostosowanie parametrów procesu tak aby elementy zastosowane do wytworzenia układu nie
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE
Ćwiczenie 4 3
 Lutowanie
uległy uszkodzeniu lub zniszczeniu. Można temu zapobiegać regulując prędkości wzrostu i
spadku temperatur oraz czasy cyklów w których elementy narażone są na wysoką temperaturę.
Montaż może być wykonywany ręcznie lub automatycznie. W przypadku montażu
ręcznego lutowanie wykonuje się z zastosowaniem lutownicy. W montażu automatycznym
rozróżniamy kilka sposobów przetapiania lutowia. Najbardziej popularnym jest lutowanie na
fali w którym płytka z elementami ma chwilowy kontakt ze stopionym lutowiem które przy-
wiera do pól kontaktowych i wyprowadzeń elementów. Równie często stosowana jest techni-
ka lutowania rozpływowego w piecach konwekcyjnych w której na pola kontaktowe aplikuje
się pastę lutowniczą a następnie cały układ jest wprowadzany do pieca gdzie następuje przeto-
pienie lutowia w podwyższonej temperaturze. Pasta lutownicza może być aplikowana sitodru-
kiem lub nanoszona aplikatorem igłowym. Ta technika jest najczęściej stosowana w przypadku
układów wysokiej skali integracji BGA lub Flip-Chip.
Po zamontowaniu elementów konieczne jest usunięcie pozostałości materiałów lutow-
niczych które występują na płytce układu elektronicznego, a które często mają odczyn agre-
sywny i mogą powodować uszkodzenia układu w jego normalnej pracy, powodując zwarcia
lub korozje elementów lub obwodu. Mycie wykonuje się w zbiornikach z natryskiem roztwo-
rów wody z detergentami. Po procesie mycia układy muszą zostać osuszone aby pozbyć się
pozostałości wody które mogą prowadzić do korozji.
2.2. Parametry procesu
Na jakość spoin lutowanych mają wpływ:
 sposób przygotowania powierzchni elementów łączonych w tym oczyszczanie (mecha-
niczne lub chemiczne), pokrycie warstwą pośrednią (srebrem, złotem, lutowiem) i nałożenie
topnika,
 dobór rodzaju spoiwa zapewniającego odpowiednie zwilżenia podłoża, temperaturę lu-
towania oraz wytrzymałość mechaniczną,
 dobór topnika ułatwiającego oczyszczenie powierzchni i poprawne zwilżenie lutowiem,
 czas i temperatura procesu.
W procesie lutowania bezpośredni wpływ mamy na czas i temperaturę lutowania. Aby
spoina mogła powstać konieczne jest wywołanie powierzchniowych procesów dyfuzyjnych
między spoiwem a elementami łączonymi. Jest to warunek konieczny dla uzyskania odpowied-
niej wartości przewodnictwa elektrycznego i wytrzymałości mechanicznej spoiny.
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE
4 Ćwiczenie 4
 Lutowanie
W przypadku zbyt niskiej temperatury, poniżej temp. topnienia spoiwa, procesy te nie
zachodzą na wystarczającą skalę aby mogły pozwalać na wytworzenie połączenia. Zwiększenie
czasu procesu przy niskiej temperaturze pozwoliło by na częściowe wytworzenie połączenia,
jednak kosztem uszkodzenia materiałów podłożowych oraz utlenienia spoiny i ścieżek.
Zbyt wysoka temperatura, nawet w krótkim czasie procesu, będzie powodowała znacz-
ne uszkodzenia termiczne materiałów podłożowych, obudowy i spoiny, ale także uszkodzenia
strukturalne układów półprzewodnikowych.
Profil temperaturowy procesu lutowania powinien składać się z czterech podstawo-
wych etapów:
 podgrzania do temperatury wygrzewania (< t ). Proces powinien zachodzić wystarcza-
P
jąco szybko aby nie wpływać negatywnie na efektywność procesu, ale odpowiednio wolno aby
nie wywoływać zbyt dużych szoków termicznych,
 przetopienia w temperaturze powyżej temperatury topnienia lutowia (t ),
P
 wygrzania (t ÷ t ) , w celu odpowiedniego nagrzania Å‚Ä…czonych elementów, co ma za-
P U
pewnić odpowiednią zwilżalność lutowia. Ponieważ wartości temperatur topnienia lutowia są z
reguły znacznie wyższe niż temperatury jakie wytrzymują elementy elektroniczne i materiały
podłożowe oraz obudowy, proces ten powinien przebiegać możliwie jak najkrócej,
 schładzania do temperatury otoczenia (> t ) z przejściem przez krzepnięcie spoiny (t ).
U K
Podobnie jak proces podgrzewania powinien on zachodzić wystarczająco szybko aby nie wpły-
wać negatywnie na efektywność procesu, ale odpowiednio wolno aby nie wywoływać zbyt du-
żych szoków termicznych.
T
TMAX
TEUT
20°C
tP tU tK t
Profil temperaturowy procesu lutowania ręcznego
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE
Ćwiczenie 4 5
 Lutowanie
3. STANOWISKO LABORATORYJNE
Stanowisko składa się ze stacji lutowniczej oraz z rejestratora temperatury. Stacja lu-
townicza wyposażona jest w kontaktową lutownicę ręczną z grotem metalowym oraz bezkon-
taktowÄ…  lutownicÄ™ powietrznÄ… z nadmuchem gorÄ…cego powietrza. W obu wypadkach tempe-
ratura regulowana jest automatyczne przez sterownik z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do 1°C. Rejestrator tem-
peratury składa się z plotera wyposażonego w pisak i taśmę przesuwną. DO rejestratora dołą-
czony jest drut wolframowy lub konstantanowy który w procesie lutowania tworzy z lutowiem
i elementami lutowanymi termoparę. Zmiany potencjałów wywołanych w powstającej termo-
parze w procesie lutowania są rejestrowane zapisem na taśmie papierowej.
4. REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH
4.1. Uwagi bhp
Podczas wykonywania w tym ćwiczeniu prac laboratoryjnych istnieje zagrożenie prądo-
we  lutownica i przyrządy pomiarowe są zasilane prądem przemiennym o napięciu 230 V. Po-
nieważ w trakcie procesu stosowane sÄ… narzÄ™dzie nagrzane do temperatur powyżej 100°C ist-
nieje zagrożenie oparzenia powierzchni ciała. Lutownicę należy trzymać za elementy odizolo-
wane termicznie, a grot należy trzymać z dala od odkrytych części ciała. Opary powstające w
trakcie procesu lutowania mogą wywoływać podrażnienia śluzówki górnych i dolnych dróg
oddechowych, a także oczu. Sposób przeprowadzania procesu lutowania demonstruje prowa-
dzący ćwiczenie.
4.2. Program ćwiczenia
Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych:
1. Zapoznać się z budową stanowiska do lutowania oraz zasadami BHP,
2. Przygotować próbki podłoża oraz lutowia,
3. Wytworzyć połączenie przez przylutowanie elementu termopary do płytki podłożowej,
4. W trakcie wykonywania połączenia zarejestrować zmiany temperatury lutowia,
5. Przeprowadzić analizę profilu temperaturowego,
6. Na podstawie profilu temperaturowego określić jakość wykonanego połączenia,
7. Zanotować przebieg ćwiczenia, spostrzeżenia i wnioski.
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE
6 Ćwiczenie 4
 Lutowanie
4.3. Wykonanie zadań
Proces lutowania należy przeprowadzić wg instrukcji przekazanych przez prowadzące-
go ćwiczenie z zachowaniem wytycznych BHP.
Pierwszym etapem jest mechaniczny montaż sprężysty drutu termopary w płytkę podło-
żową. Należy upewnić się czy drut nie wysunie się w czasie procesu lutowania po dotknięciu
lutownicą. Należy włączyć rejestrator temperatury. Następnie należy wziąć lutownicę w jedną
dłoń a drut lutowniczy w drugą (nie ma tu rozróżnienia w której dłoni trzymamy lutownicę).
Lutowanie przebiega we wspomnianych wcześniej etapach:
 podgrzania  przez przyłożenie grotu lutownicy do płytki w miejscu montażu.
Na tym etapie widoczny będzie powolny wzrost temperatury obserwowany na rejestratorze. W
tych warunkach etap ten powinien trwać 2÷4 s. Poprawne przeprowadzenie tego procesu po-
zwala uniknąć wytworzenia tzw.  zimnego lutu .
 przetopienia lutowia  przez przyłożenie drutu lutowia w miejsce montażu.
Ilość lutowia która będzie w spoinie regulowana jest czasem trzymania drutu przy grocie lu-
townicy (ok 1÷2 s). Na wykresie zmian temperatury można zarejestrować nagÅ‚y wzrost tempe-
ratury wywołany lepszym transportem ciepła przez przetopione lutowie.
 wygrzania  przez dalsze trzymanie grotu lutownicy w miejscu lutowania bez przyłożo-
nego drutu lutowia (ok 2÷4 s).
Na wykresie temperatury nie powinna być rejestrowana znacząca zmiana temperatury. Po-
prawne przeprowadzenie tego procesu pozwala uniknąć wytworzenia tzw.  zimnego lutu .
 schładzania  przez odjęcie grotu lutownicy od miejsca montażu.
Na tym etapie powinien być rejestrowany znaczący spadek temperatury do temp. otoczenia z
charakterystycznym punktem  eutektycznym w który zmiana temperatury ustaje lub następuje
nieznaczny jej wzrost. Nie należy dodatkowo schładzać spoiny dmuchając na nią, gdyż zbyt
szybkie schłodzenie może powodować występowanie zbyt dużych naprężeń w spoinie, a także
powietrze wydychane z płuc będzie dostarczać wilgoć niekorzystną dla powstawania i dalszej
pracy połączenia.
Po zakończeniu procesu należy wyłączyć rejestrator, oderwać wydruk z profilem tem-
peraturowym i odlutować drut termopary od płytki.
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE
Ćwiczenie 4 7
 Lutowanie
5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi bhp, program ćwiczenia, opraco-
wanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parametrów i warunków
technologicznych eksperymentów, opisany wykres zmian temperatury otrzymany w trakcie
ćwiczenia oraz wnioski dotyczące przeprowadzonych doświadczeń.
W szczególności istotne jest poprawne opisanie wykresu. Na otrzymanym wykresie
zmian temperatury należy zaznaczyć charakterystyczne punkty i podać ich wartości:
 temperatura otoczenia,
 temperatura eutektyczna (183°C),
 temperatura maksymalna procesu,
 czas podgrzania,
 punkt przetopienia,
 czas wygrzewania,
 czas schładzania wraz z punktem eutektycznym.
Należy również określić całkowity czas procesu lutowania, który wyznacza się na podstawie
czasu trwania przebiegu prostokątnego wpisanego w otrzymany wykres. Oszacowany współ-
czynnik wypełnienia przebiegu prostokątnego świadczy o jakości wykonanego połączenia.
6. LITERATURA
1. Grzesiak B. (praca zbiorowa ), Technologia Sprzętu Elektronicznego, WPW, 1984,
2. Kisiel R., Podstawy technologii dla elektroników, BTC, 2005,
Technologia Wyrobów Elektronicznych
TWE