POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Im. Ignacego Łukasiewicza

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

KATEDRA AWIONIKI I STEROWANIA

PODSTAWY ELEKTRONIKI

Laboratorium

Temat: Lutowanie

Wykonali:

Nycz Elżbieta

Pająk Sławomir

1.Lutowanie. Co to takiego ?

Lutowanie jest to metoda łączenia elementów metalowych za pomocą spoiny wypełnionej metalem
o temperaturze topnienia niższej niż metali łączonych elementów, gdzie spoina jest nakładana w postaci stopionej, podczas gdy łączone elementy pozostają cały czas w stanie stałym.

Podczas lutowania powierzchnia łączonych metali nie zostaje w żaden sposób stopiona, trwałe połączenie następuje dzięki wystąpieniu zjawiska kohezji i płytkiej dyfuzji, która ma bardzo kapilarny charakter, spoiwo lutownicze wnika w mikropory materiału lutowanego.

Zależnie od temperatury topnienia lutu rozróżnia się:

• lutowanie miękkie (poniżej 300 °C)

• lutowanie twarde (powyżej 550 °C).

Materiałem wypełniającym spoinę jest lut (lutowie). Narzędzie ręczne służące do lutowania to lutownica lub palnik. Czynność lutowania jest również wykonywana w specjalnych piecach.

Lutowanie współcześnie stosowanych układów elektronicznych realizuje się również techniką rozgrzewania przy pomocy gorącego powietrza lub podczerwieni. Jest to tak zwane lutowanie bezdotykowe.

Hotair to nowoczesne stacje lutownicze na gorące powietrze. Gorące powietrze jest otrzymywane za pomocą pompy, następnie elementem grzejnym podgrzewane jest do żądanej temperatury. Nad utrzymywaniem zadanej temperatury czuwa mikroprocesor, który reguluje temperaturę, przepływ powietrza, czas pracy i inne parametry. Strumień powietrza możemy dowolnie regulować za pomocą dysz.

2. Lutowanie miękkie

Lutowanie miękkie stosuje się do łączenia części o niedużych naprężeniach w złączu i niewysokiej temperaturze pracy, jak również do uszczelniania połączeń zawalcowanych i innych (np. cienkościennych zbiorników, pojemników, rynien, rurociągów).

Luty miękkie są wykonywane w postaci prętów, drutu, płytek, proszków, a najczęściej pałeczek. Zakres temperatur topliwości od 183^o do 270^o (stal, miedź, cynk itp. i ich stopy). Stosowane są spoiwa ołowiowo-cynowe niektóre z nich zawierają ponadto drobne domieszki antymonu, srebra i miedzi, a prawie wszystkie zanieczyszczenia w postaci śladowej zawartości żelaza, bizmutu, arsenu, aluminium , cynku i kadmu. Zawartość poszczególnych składników stopowych spoiwa wynika z jego znaku, i tak na przykład spoiwo:

• PbAg 1,5 Sn 1,5 zawiera ok. 1,5% Sn, ok. 1,5% Ag i ok. 97% Pb i jest stosowane do lutowania przewodów w źródłach światła.

• SnPb37Sb zawiera ok. 63% Sn, 0,2 do 0,5% Sb i ok. 37% Pb. To spoiwo ze względu na małą zawartość ołowiu jest używane dolutowanie i pobielania wewnętrznych części opakowań na produkty spożywcze.

• Do lutowania potrzebne są również topniki, bez których lut się utlenia i źle wypełnia szczeliny między łączonymi powierzchniami. Jako topników do lutowania miękkiego stali, miedzi i mosiądzu używa się najczęściej wody lutowniczej, którą tworzy chlorek cynku rozpuszczony w wodzie (np. 300 gramów stopionego technicznego chlorku cynku na 1 litr wody).

Jako topników do oczyszczania chemicznego powierzchni łączonych części używa się także salmiaku, kalafonii, stearyny i specjalnie przyrządzonych past. Oczyszczania mechanicznego powierzchni łączonych dokonuje się piłowaniem, skrobaniem, ścieraniem itp.

Lutowanie wykonuje się za pomocą narzędzia zwanego lutownicą. Najważniejszą częścią lutownicy jest końcówka miedziana, która po nagrzaniu służy do roztopienia cyny i przeniesienia jej na miejsce lutowania.

Przebieg lutowania jest następujący: po nagrzaniu lutownicy szybko pociera się jej ostrze
o salmiak i przykłada do lutu, który roztapia się i przylepia do ostrza lutownicy. Następnie lutownicy przykłada się do miejsca lutowanego i pociąga ostrzem wzdłuż szwu. Lutując większe połączenia należy lut trzymać lewą ręką nad spoiną. Lutownica trzymana prawą ręką rozgrzewa materiał łączony

i jednocześnie topi lut. Roztopiony lut ścieka i łączy powierzchnie, zastygając między nimi. Gdy zachodzi potrzeba, to lutownicę kilkakrotnie przesuwa się wzdłuż szczeliny łączącej. W czasie lutowania należy tak prowadzić lutownicę, żeby nie rozpływał się po wierzchu, lecz spływał w głąb szwu. Po zalutowaniu usuwa się nadmiar lutu za pomocą skrobaka lub pilnika i przemywa się szew letnią wodą.

3. Sprawdzanie połączeń lutowanych.

Połączenie lutowane należy poddać sprawdzeniu zwracając uwagę na równomierne rozłożenie lutu i estetyczne wykonanie spoiny. Następnie należy sprawdzić połączenie na szczelność. Wstępnego sprawdzenia szczelności dokonuje się próbą wodną obserwując, czy nie ma przecieku przez spoinę. Dokładne sprawdzenie szczelności spoiny wykonuje się w następujący sposób: jedną stronę spoiny pokrywa się warstwą kredy, a na drugą stronę wlewa się niewielką ilość nafty obserwując, czy na warstwie kredy nie pojawiają się tłuste plamy. W przypadku lutowania zbiorników szczelność należy sprawdzać pod ciśnieniem powietrza lub wody - wyższym od ciśnienia pracy.

Do sprawdzania bardziej odpowiedzialnych połączeń lutowanych stosuje się badania defektoskopowe, rentgenowskie, wytrzymałościowe, metalograficzne, oporności elektrycznej i inne, jak np. próby na odrywanie, które umożliwiają określenie stopnia wypełnienia szczeliny lutem.

4. Wlutowywanie.

Położyć moduł na stole i sprawdzić, czy wszystkie nóżki są równo ułożone. Żadnej nóżki nie może brakować, ani żadna nie może być wygięta. Następnie dopasować do płytki. Na module i na płytce montażowej znajdują się oznaczenia wskazujące na pierwszą nóżkę. Zaczynamy od przylutowania jednej nóżki na rogu, potem układamy precyzyjnie cały moduł. Następnie lutujemy przeciwległą nóżkę. Ostatecznie dolutowywujemy wszystkie nóżki oraz sprawdzamy dokładność lutowania. Żadna nóżka nie może mieć zwarcia ani przerwy. Nadmiar cyny można spić taśmą spijającą.

5. Wylutowywanie modułu ADXL

Najpierw należy zalać rozgrzaną cyną wszystkie nóżki jednocześnie podważając je nożykiem, dopóki nie odejdą od płytki. Następnie taśmą spijającą spić cynę z nóżek i płytki. Przemyć płytkę spirytusem.

Mamy również wylutowywanie ciepłym powietrzem.

Należy nagrzać element przeznaczony do wylutowania aż odlutuje się od płytki.

6. Technologia BGA

Ball Grid Array, jak sama nazwa wskazuje to kulki ułożone w matryce.
Nowy ( nie tak juz bardzo ) sposób łączenia układów scalonych z płytką drukowana. Klasycznie układy scalone miały wyprowadzenia w postaci nóżek po 2 lub 4 bokach i za ich pomocą łączyło się je do PCB. Z powodu na oszczędność miejsca, zmniejszenie emisji radiowej i polepszenie chłodzenia układów scalonych obecnie dużo układów montuje się poprzez BGA. W praktyce technologia nieamatorska ze względu na skomplikowane narzędzia do lutowania i odlutowania takich układów. Alternatywa dla bezpośredniego montażu krzemowych struktur na PCB. Stosuje się taki montaż głównie w kościach mających kilka setek wyprowadzeń, ale spotyka się już nawet tranzystorki montowane za pomocą BGA.

Główną zaletą tej technologii jest ograniczenie miejsca zajmowanego przez układ scalony - dzięki lepszemu stosunkowi ilości wyprowadzeń do wymiarów obudowy. Do zalet tej technologii można zaliczyć też mniejszą liczbę wad występujących podczas procesu lutowania (dochodzącą obecnie do 2-5 defektów na milion połączeń), lepsze właściwości elektryczne - dzięki skróceniu doprowadzeń oraz samonastawność układów podczas procesu montażu - wskutek zjawiska napięcia powierzchniowego.

Do wad tej metody należy zaliczyć:

• niewielką odporność spoiny lutowniczej na wstrząsy i uderzenia

• brak możliwości inspekcji optycznej - konieczność wykorzystania automatycznej inspekcji rentgenowskiej

• generowanie naprężeń w układzie scalonym w trakcie lutowania

• do naprawy wymaga odpowiednich urządzeń (lutownica infrared, stacja hot-air, preheater)

Protoplastą obudów tego typu były obudowy PGA (Pin grid array) stosowane powszechnie

w procesorach komputerów osobistych, w których wyprowadzenia miały formę szpilek, czyli tzw. pinów

Montaż układów BGA różni się istotnie od lutowania pozostałych elementów SMD. Punkty lutownicze w ilości nawet kilkuset są w nich rozmieszczone pod obudowę i stają się niewidoczne po położeniu układu na płytkę drukowaną. Wymaga to stosowania technologii lutowania, zbliżonej do wielostrefowego procesu w piecu lutowniczym. Nie mniej ważne jest właściwe wypozycjonowanie układu przed montażem, by uniknąć zwarć i zapewnić dokładne połączenia.
Pozycjonowanie
Ustawienie montowanego elementu z dokładnością 25 µm w prezentowanych systemach, zapewnia wysokiej rozdzielczości układ wizyjny, który na ekranie monitora daje powiększone, nakładające się obrazy punktów lutowniczych płytki i układu do wlutowania. Regulując położenie układu pokrętłami X, Y, Z można doprowadzić do precyzyjnego zgrania punktów lutowniczych montowanego BGA z odpowiadającymi im punktami na płytce.
Proces lutowania

Odbywa się metodą bezkontaktową poprzez nadmuch gorącym powietrzem o ustalonej i stabilizowanej temperaturze. Proces odbywa się w czterech fazach: podgrzewanie, nagrzewanie,  grzanie właściwe
i wystudzanie. Parametry każdego z etapów (czas, temperatura i ilość powietrza) są dobierane indywidualnie w zależności od rodzaju i wielkości elementu. Parametry te, zebrane są w tzw. profil
i zapisywane w pamięci, następnie mogą być wielokrotnie wykorzystywane bez konieczności ich ponownego wprowadzania. Rzeczywisty przebieg procesu zobrazowany jest w postaci wykresu na ekranie monitora, co daje operatorowi pełną kontrolę i umożliwia ewentualną bieżącą modyfikację parametrów.

---