Flux nije glamurozan. Ne dobija zasluge koje zaslužuje u razgovorima o proizvodnji elektronike, zasjenjene diskusijama o legurama lemljenja, profilima prelijevanja i preciznosti postavljanja komponenti. Ipak, bez fluksa, nijedan od tih razgovora ne bi bio bitan-vaš lem se ne bi držao ničega.
Hemija je jednostavna na papiru: fluks uklanja metalne okside kroz hemijsku redukciju, omogućavajući rastopljenom lemu da stvarno kontaktira osnovni metal ispod. Bakar oksidira na vazduhu. Kao i lim. Kao i srebro. Taj nevidljivi oksidni sloj-ponekad debeo samo nanometar-je dovoljan da u potpunosti spriječi metalurško vezivanje. Fluks ga rastvara.
Problem vlaženja o kojem niko ne govori
Evo šta udžbenici često preskaču.
Površinski napon u rastopljenom lemu je izuzetno visok. Oko 400-500 mN/m za većinu legura{4}}bez olova. Bez intervencije fluksa, kapljica lemljenja će se natopiti na bakrenu podlogu poput vode na voskom kontaktnog ugla sa automobilom koji prelazi 90 stepeni, nula širenja, nula veza.
Flux to mijenja na dva načina. Očigledno: uklanjanje oksida. Onaj manje očigledan: zapravo modifikuje međufaznu napetost između lema i podloge tokom kratkog perioda kada je sve otopljeno. Zbog toga je tajming aktivnosti fluksa toliko važan. Nanesite prerano, izgori. Prekasno, oksidi su se već reformisali.
Vidio sam kako inženjeri opsjedaju distribucijom veličine čestica paste za lemljenje dok potpuno ignorišu reologiju fluksa. Prioriteti unazad.
Kratka istorija (nekako)
Drevni metalci su koristili sal amonijak. Srednjovjekovni draguljari preferirali su boraks. Oba su radila, oba su ostavila korozivne ostatke koji bi uništili elektroniku za nekoliko dana.
Era kolofonija promijenila je sve što se tiče električnih radova. Smola bora-hemijski, mješavina abietinske kiseline i srodnih diterpenskih kiselina-pružala je dovoljno aktivnosti za uklanjanje svjetlosnih oksida bez agresivne korozije neorganskih kiselina. RMA fluks (kolofonijski blago aktiviran) je decenijama postao industrijski standard.
Onda se dogodio RoHS.
Prijelaz{0}}bez olova otežao je hemiju fluksa
Kal-eutektik olova se topi na 183 stepena. SAC305 (dominantna alternativa{4}}bez olova) se topi na 217-220 stepeni. Ta razlika od 35 stepeni ne zvuči dramatično dok ne shvatite da aktivacija fluksa zavisi od temperature. Cijeli termalni prozor se pomjera.
Više temperature znače:
Brža degradacija fluksa
Agresivnije stvaranje oksida tokom reflow
Uži procesni prozori
Hemičari fluksa morali su sve preformulisati. Jači aktivatori. Bolja termička stabilnost. Sofisticiraniji modifikatori reologije za održavanje performansi štampe.
Neke kompanije su pogriješile u ovoj tranziciji i provele su godine u potrazi za defektima nadgrobnih spomenika i kvarovima-u-jastucima. Problem je rijetko bio lem-već odabir fluksa.
Ne-Čisto: Ekonomija je pobijedila
Moderna proizvodnja elektronike se skoro u potpunosti odvija na bez-sistemima čistog protoka. Logika je jednostavna: čišćenje nakon-lemljenja košta novac, koristi rastvarače (zaštita životne sredine), rizikuje oštećenje komponenti usled prodora vlage i dodaje korake procesa.
Nijedan-čisti fluks ne ostavlja benigne ostatke. "Benigno" znači ne-korozivno, ne-provodljivo i kozmetički prihvatljivo. Da li su ti ostaci zaista inertni tokom 20-ogodišnjeg životnog vijeka proizvoda pod vlagom i termičkim ciklusom - to je duži razgovor.
Vojska i vazduhoplovstvo su i dalje čisti. Medicinski uređaji, uglavnom. Potrošačka elektronika? Više niko ne čisti.
Ostatak toka koji vidite na matičnoj ploči vašeg laptopa nije kvar. To je namjerno.
Voda{0}}Rastvorljivi fluks: kada vam je zapravo potrebna agresija
Neke aplikacije zahtijevaju jaču hemiju. Teška kontaminacija oksidima. Teške-za-površine. Starije komponente sa smanjenom sposobnošću lemljenja.
Tokovi{0}}topivi u vodi (OA) koriste organske kiseline-adipinsku, jantarnu, limunsku-koje bi korodirale tragove bakra u roku od nekoliko sedmica ako bi ostale na sklopu. Ovdje čišćenje nije obavezno. To je obavezno.
Samo čišćenje uvodi varijable. DI kvaliteta vode. Temperatura pranja. Koncentracija saponifikatora. Potpuno sušenje. Vidio sam kako proizvodne linije prolaze električni test, ali ne uspijevaju na terenu jer ionska kontaminacija nije u potpunosti uklonjena. Specifikacija čistoće je rekla<1.56 μg/cm² NaCl equivalent. They hit 1.4. Marginal pass. Product returned eighteen months later with dendritic growth between fine-pitch QFP leads.
Specifikacije postoje iz razloga.
Sistemi klasifikacije fluksa (zbunjujući dio)
IPC J-STD-004 definira klasifikaciju fluksa. Konvencija imenovanja ima smisla kada je dešifrirate:
ROL0= Rosin, niska aktivnost, bez halogenidaREL1= Smola, niske aktivnosti, sadrži halogenideORH0= Organski, visoka aktivnost, bez halogenida
Sistem kategoriše prema bazi fluksa (RO/RE/OR/IN), nivou aktivnosti (L/M/H) i sadržaju halida (0/1).
Halogenidi značajno pojačavaju aktivnost. Posebno hloridi. Ali ostaci halogenida izazivaju zabrinutost zbog korozije-otuda razlika 0/1 koja je važna za pouzdanost{5}}kritičnih aplikacija.
Većina bez{0}}čistih pasta su ROL0 ili REL0. U vodi -rastvorljiv tipično ORH1. Klasifikacija određuje kriterijume inspekcije vašeg IPC-A-610 i zahtjeve za čišćenjem.
Selektivno lemljenje i talasanje: različiti zahtjevi za fluksom
Talasni fluks za lemljenje ima različite napone od povratnog toka. Duža termička izloženost. Direktan kontakt sa talasom rastaljenog lemljenja. Zahtjevi za kontinuirano dopunjavanje.
Flukseri u spreju nanose tanke, ujednačene premaze. Fluxeri za pjenu stvaraju mjehuriće koji dodiruju donju stranu ploče. Svaki pristup zahtijeva različitu viskoznost fluksa, sadržaj čvrste tvari i karakteristike pjene.
Selektivno lemljenje dodaje složenost-lokalizirano grijanje znači temperaturne gradijente u cijelom sklopu. Fluks prethodno-primijenjen na određena područja mora preživjeti termalni prijelaz na obližnje komponente koje se lemljuju uzastopno.
Poenta: "fluks" nije monolitan. Talasni fluks i fluks SMT paste možda dijele kemijske principe, ali to su različiti proizvodi za različite procese.
Šta se zapravo dešava na molekularnom nivou
Kada abijetinska kiselina dođe u kontakt sa bakrenim oksidom na povišenoj temperaturi, ona redukuje Cu²⁺ u metalni bakar dok formira abietat bakra. Ovaj proizvod reakcije je rastvorljiv u fluksnom nosaču, odvodeći oksid dalje od interfejsa.
Istovremeno, fluks smanjuje površinsku energiju i lema i podloge, smanjujući kontaktni ugao. Vlaženje se nastavlja. Formiranje intermetalnih jedinjenja počinje-Cu₆Sn₅ u početku, Cu₃Sn se razvija tokom vremena kroz difuziju u čvrstom stanju-.
IMC sloj je stvarna veza. Nije mehaničko blokiranje. Ne adhezija. Metalurško vezivanje kroz intermetalnu formaciju. Flux to omogućava pružanjem čiste bakrene površine za pokretanje reakcije.
Fluks koji je preslab: nepotpuno uklanjanje oksida, odvlaživanje, nedostaci -močenja. Prejak fluks: višak ostataka, potencijalna korozija, podrezivanje maske za lemljenje.
Azot i zašto ne zamjenjuje fluks
Inertiranje dušikom smanjuje oksidaciju tokom reflow. Neki proizvođači pretpostavljaju da to znači da mogu smanjiti aktivnost fluksa.
Tehnički moguće. Praktično opasno.
Dušik usporava stvaranje oksida. Ne uklanja postojeće okside. Komponente i ploče stižu sa već prisutnim oksidnim slojevima. Lemna pasta leži u šablonima, izložena vazduhu tokom štampanja. Pokrivač azota tokom reflow je prekasno za te okside.
Niski-tokovi ostatka u atmosferi dušika mogu raditi lijepo-ili katastrofalno propasti. Prozor procesa se smanjuje. Margina ispari.
Većina proizvodnih okruženja koristi dušik kao dodatni sigurnosni faktor, a ne kao zamjenu fluksa.
Formiranje praznina i isparljivi fluks
Velike šupljine ispod BGA kuglica ili QFN centralnih jastučića često potiču do zarobljavanja hlapljivih fluksa.
Flux sadrži rastvarače. Rastvarači isparavaju tokom predgrijavanja. Ako se profil reflow prebrzo povećava, para rastvarača nema izlazni put prije nego što se lem očvrsne. Void.
Ako aktivacija fluksa stvara plinovite nusproizvode (neke formulacije to čine), isti problem. Void.
Odnos između kemije fluksa, raspodjele veličine čestica, profila povratnog toka i brzine šupljina dovoljno je složen da proizvođači provedu mjesece na optimizaciji. Ne postoji univerzalno rješenje-to je specifično za pastu-specifično, za ploču-specifično, za komponente-specifično.
Kada vam neko kaže da njegov "optimizovani profil" postiže<10% voiding, ask what paste they're using. The profile is half the equation.
Bottom Line
Lemljenje fluksom "mijenja sve" jer bi bez njega proizvodnja elektronike i dalje ličila na ručni rad sa nakitom-vješti majstori koji ručno-čiste površine kiselinama, ručno-nanose jedan po jedan lem, a zatim ručno-čiste ostatke.
Moderna tehnologija površinske montaže obrađuje hiljade spojeva u minuti jer je fluks precizno formuliran, dosljedno taložen i termički aktiviran na predvidljive načine. Hemija je zrela, ali nije jednostavna. Interakcije između fluksa, legure, supstrata, atmosfere i termičkog profila predstavljaju više-promjenjive probleme optimizacije.
Inženjeri koji fluks tretiraju kao naknadnu misao dobijaju opekotine. Ponekad bukvalno, kada kvarovi izazvani korozijom-na terenu uzrokuju troškove garancije preko krova.
Flux nije uzbudljiv. To je bitno. To je drugačije.
