Temperatura topnienia lutu: Przewodnik po temperaturach stopu

Temperatura topnienia lutu zależy całkowicie od jego stopu. Eutektyczny lut cynowo-ołowiowy (Sn63/Pb37) topi się w pojedynczej, ostrej temperaturze 183 °C (361 °F) , podczas gdy najpopularniejszy stop bezołowiowy, SAC305, topi się w zakresie około 217–220 °C (423–428 °F) . Dla całej rodziny stopów lutowniczych wartości wahają się od około 138 °C dla niskotemperaturowego lutu cynowo-bizmutowego do 300 °C i więcej dla lutów o wysokiej zawartości ołowiu. Ten przewodnik podaje dokładne wartości dla każdego stopu, wyjaśnia różnicę między temperaturą topnienia a zakresem topnienia i pokazuje, dlaczego te kilka stopni decyduje o tym, czy połączenie PCB jest dobre, czy wadliwe.

Jaka jest temperatura topnienia lutu?

Temperatura topnienia to temperatura, w której lutowie zmienia stan skupienia ze stałego na ciekły, umożliwiając zwilżenie powierzchni metalu i utworzenie połączenia. Problem polega na tym, że tylko stopy eutektyczne mają prawdziwie jednolitą temperaturę topnienia. Mieszanina eutektyczna – Sn63/Pb37 jest klasycznym przykładem – topi się i krzepnie w dokładnie tej samej temperaturze, bez stanu pośredniego, który byłby płynny. Ta ostra zmiana temperatury sprawia, że ​​lut eutektyczny tworzy czyste połączenia i jest łatwy w obróbce.

Większość stopów nieeutektycznych topi się w zakresie ograniczonym dwiema temperaturami:

• Solidus — temperatura, w której stop zaczyna się topnieć. Poniżej jest całkowicie stały.
• Likwidusz — temperatura, w której stop jest w pełni ciecz. Powyżej tej wartości swobodnie przepływa.

Pomiędzy solidusem a likwidusem lut jest częściowo stały, a częściowo ciekły – ma konsystencję „pasty” lub „plastyczną”. Spoiny naruszone w tym zakresie mają tendencję do ziarnistości i osłabienia (klasyczna przyczyna naruszonego lub zimnego połączenia), co jest jednym z powodów, dla których stopy eutektyczne bez zakresu plastycznego są preferowane do lutowania ręcznego.

Temperatura topnienia lutu ołowiowego (cynowo-ołowiowego)

Lut cynowo-ołowiowy (SnPb) dominował w elektronice przez dekady i nadal jest stosowany w przemyśle lotniczym, obronnym i medycznym, gdzie jego niezawodność i brak wąsów cynowych mają znaczenie. Jego topliwość zależy od stosunku cyny do ołowiu, a wszystkie stopy SnPb mają tę samą temperaturę solidusu (eutektyczną) wynoszącą 183°C:

W praktyce oznacza to, że stop Sn63/Pb37 należy wybrać, jeśli zależy nam na jak najczystszych spoinach, ponieważ nie zawiera on pastowatej konsystencji, przez którą przechodzą inne stopy.

Temperatura topnienia lutu bezołowiowego

RoHS i podobne przepisy zmusiły większość komercyjnych urządzeń elektronicznych do stosowania lutów bezołowiowych, które są zbudowane głównie z cyny z dodatkiem srebra, miedzi, a czasami bizmutu lub niklu. Stopy bezołowiowe topią się o 30–45°C cieplej niż stopy cynowo-ołowiowe, co jest największą praktyczną konsekwencją tego przejścia – podnosi szczytowe temperatury lutowania rozpływowego i naprężenia termiczne płytek i podzespołów.

SAC305 to stop, na którym buduje się większość bezołowiowych płytek PCB. Dostępne są warianty o niższej zawartości srebra i domieszkowane, które pozwalają obniżyć koszty lub poprawić odporność na wstrząsy i cykle termiczne, ale ich temperatura topnienia pozostaje bliska temperaturze 217°C w strefie SAC.

Luty niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe

Oprócz stopów powszechnie stosowanych istnieją dwie grupy specjalistyczne, które plasują się na krańcach skali temperatur.

Luty niskotemperaturowe

Stop cyny i bizmutu (Sn42/Bi58) topi się w temperaturze zaledwie 138°C (281°F) , a indu i cyny (In52/Sn48) w temperaturze około 118°C (244°F) . Stosuje się je, gdy komponenty lub podłoża nie tolerują standardowego ciepła rozpływowego – w przypadku diod LED wrażliwych na ciepło, niektórych czujników, elastycznych podłoży oraz lutowania krokowego, gdzie konieczne jest wykonanie drugiego połączenia bez przetapiania pierwszego. Wadą jest to, że stopy bizmutu są zazwyczaj bardziej kruche.

Luty wysokotemperaturowe

Stopy o wysokiej zawartości ołowiu, takie jak Sn10/Pb88/Ag2 (około 268–290°C) i Sn5/Pb95 (około 308–312°C), pozostają stałe w temperaturach, w których stopiłby się zwykły lut. Są one stosowane wewnątrz układów scalonych półprzewodników mocy, w otworach wiertniczych w przemyśle naftowo-gazowym oraz w innych gorących środowiskach. Dla porównania, czysta cyna topi się w temperaturze 232°C, a czysty ołów w 327°C.

Tabela porównawcza temperatury topnienia lutu

Na tym skonsolidowanym wykresie porównano powszechnie stosowane stopy, od tych o najniższej temperaturze topnienia do tych o najwyższej.

Temperatura topnienia a temperatura lutowania i rozpływu

Częstym źródłem nieporozumień jest traktowanie temperatury topnienia jako temperatury ustawionej na lutownicy lub piekarniku. Tak nie jest. Temperatura topnienia wskazuje, kiedy lut staje się płynny; aby faktycznie zwilżyć pady i zapewnić prawidłowy przepływ, należy pracować nieco powyżej temperatury likwidus.

• Temperatura grotu lutownicy jest ustawiony znacznie powyżej temperatury topnienia, aby szybko wprowadzić ciepło do złącza, zanim końcówka ostygnie. Typowe ustawienia to około 315–370 °C (600–700 °F) do lutowania ołowiowego i 350–400 °C (660–750 °F) bezołowiowe, dostosowane do rozmiaru końcówki i masy stawowej.
• Temperatura szczytowa reflow jest ustawiona na około 20–40 °C powyżej likwidusu stopu. Dla SAC305 (likwidus ~220 °C) typowy pik wynosi 235–250 °C; dla ołowiowego Sn63/Pb37 pik wokół 210–225 °C jest normalne.

Różnica między temperaturą topnienia a temperaturą roboczą jest celowa: zbyt mała różnica oznacza, że ​​lut prawie nie płynie (zimne złącza, słabe zwilżanie); zbyt duża oznacza ryzyko podniesienia padów, uszkodzenia części wrażliwych na ciepło lub przekroczenia temperatury zeszklenia płytki.

Dlaczego temperatura topnienia lutu ma znaczenie w montażu PCB

W produkcji temperatura topnienia to wartość, wokół której opiera się każdy proces termiczny. Pomyłka oznacza spadek wydajności. Miejsca, w których ma to największe znaczenie:

• Profilowanie rozpływowe. Czterostrefowy profil lutowania rozpływowego (podgrzewanie wstępne, wygrzewanie, lutowanie rozpływowe, chłodzenie) jest ustalany na podstawie solidusu i likwidusu stopu pasty. Szczyt musi przekraczać likwidus z bezpiecznym marginesem, nie doprowadzając do wygotowania elementów – dlatego profil dostosowany do SAC305 różni się od profilu dla procesu ołowiowego.
• Materiał płytki (Tg). Wyższe temperatury w przypadku materiałów bezołowiowych zbliżają się do temperatury zeszklenia laminatu, dlatego też wysoka temperatura zeszklenia (Tg) FR-4 jest często stosowany w konstrukcjach bezołowiowych, aby zapobiec rozwarstwianiu się i odkształcaniu.
• Stopy mieszane. Przepuszczanie kulek ołowianych przez profil bezołowiowy (lub odwrotnie) powoduje powstawanie zawodnych połączeń. Kompatybilność stopów musi być kontrolowana w całym zestawieniu materiałów, szczególnie w przypadku BGA.
• Pasta lutownicza i szablony. Pastę dobiera się do stopu, a właściwą objętość osadu uzyskuje się z szablon wycinany laserowo zapewnia, że ​​złącze będzie miało wystarczającą ilość metalu po wypaleniu się topnika.
• Opcje niskotemperaturowe. Jeśli płytka drukowana zawiera elementy, które nie są w stanie przetrwać szczytowej temperatury 245°C, zamiast tego wybiera się stop niskotemperaturowy lub proces selektywny.

Highleap Electronics , chiński producent płytek PCB i PCBA, stosuje zarówno procesy ołowiowe, jak i bezołowiowe, z profilami lutowania rozpływowego dopasowanymi do stopu pasty i masy termicznej płytki, weryfikowanymi metodą AOI i rentgenowską na elementach typu Area Array. Jeśli nie masz pewności, który stop lub wykończenie pasuje do Twojego projektu, analiza DFM obejmuje stop lutowniczy, wykończenie powierzchni i kwestie termiczne przed zbudowaniem płytki – jest to część standardowego montażu PCB pod klucz i prac SMT .

Temperatura topnienia lutu – FAQ

Jaka jest temperatura topnienia lutu w stopniach Celsjusza i Fahrenheita?

Zależy to od stopu. Najpopularniejszy lut ołowiowy, Sn63/Pb37, topi się w temperaturze 183°C (361°F). Najpopularniejszy lut bezołowiowy, SAC305, topi się w temperaturze około 217–220°C (423–428°F).

Jaka jest temperatura topnienia lutu bezołowiowego?

Większość bezołowiowych lutów elektronicznych topi się w temperaturze od około 217°C do 227°C. Temperatura lutu SAC305 wynosi 217–220°C, eutektycznego lutu cynowo-srebrowego 221°C, a lutu cynowo-miedzianego (Sn99.3/Cu0.7) 227°C — jest to temperatura wyższa o około 30–45°C niż w przypadku lutu cynowo-ołowiowego.

Dlaczego lut eutektyczny ma jedną temperaturę topnienia?

Stop eutektyczny, taki jak Sn63/Pb37, to stop o specyficznym składzie, który topi się i krzepnie w dokładnie określonej temperaturze, bez pośrednich, pastowatych przejść. To ostre przejście zapewnia czyste połączenia i ułatwia lutowanie ręczne.

Jaką temperaturę powinienem ustawić lutownicę?

Powyżej temperatury topnienia lutu, co zapewnia szybki transfer ciepła: około 315–370°C (600–700°F) dla lutu ołowiowego i 350–400°C (660–750°F) dla lutu bezołowiowego, po uwzględnieniu rozmiaru grotu i masy spoiny. Dokładna wartość to temperatura robocza, a nie sama temperatura topnienia.

Czy temperatura lutowania jest taka sama jak temperatura topnienia?

Nie. Temperatura topnienia to moment, w którym lut staje się ciekły; temperatura lutowania lub lutowania rozpływowego jest wyższa od tej temperatury. Szczyty temperatury lutowania rozpływowego są zazwyczaj o 20–40°C wyższe od temperatury likwidusu stopu, aby lut prawidłowo się zwilżał.

Czy mogę mieszać lutowanie ołowiowe i bezołowiowe?

Najlepiej tego unikać. Mieszanie stopów – na przykład przepuszczanie bezołowiowych kulek BGA przez profil z ołowiem – powoduje niedopasowanie międzymetaliczne i temperatury topnienia, co skutkuje zawodnością połączeń. Podczas produkcji zgodność stopów jest kontrolowana w całym zespole.

Jaki lut ma najniższą temperaturę topnienia?

Wśród popularnych stopów, ind-cyna (In52/Sn48) topi się w temperaturze około 118°C, a cyna-bizmut (Sn42/Bi58) w temperaturze 138°C. Te niskotemperaturowe luty są stosowane do elementów wrażliwych na ciepło i lutowania krokowego, chociaż stopy bizmutu są bardziej kruche.