Πάστα συγκόλλησης, ένα μείγμα σωματιδίων λεπτού κράματος μετάλλων που αιωρούνται σε μέσο ροής, εμφανίζει επιλεκτική μεταλλουργική συμβατότητα παρά καθολική εφαρμογή. Η υπόθεση ότι οποιοσδήποτε συγκολλήσιμος σύνδεσμος μπορεί να επιτευχθεί με τυπικές συνθέσεις Sn-Ag-Cu ή Sn-Pb ουσιαστικά παρεξηγεί τους ηλεκτροχημικούς και θερμοδυναμικούς περιορισμούς που διέπουν το σχηματισμό διαμεταλλικών δεσμών.
Η σύντομη απάντηση είναι όχι-αλλά αυτό μόλις και μετά βίας ξύνει την επιφάνεια
Εδώ είναι το θέμα. Όταν άρχισα να δουλεύω για πρώτη φορά με τη συναρμολόγηση ηλεκτρονικών, έκανα το αρχάριο λάθος να υποθέσω ότι η κόλλα συγκόλλησης ήταν κάποιο είδος μαγικής κόλλας για μέταλλα. Προσπάθησε να κολλήσει απευθείας ψύκτρες αλουμινίου. Πλήρης καταστροφή. Η πάστα απλά κόπηκε με χάντρες και κάθισε εκεί σαν νερό σε ένα κερωμένο αυτοκίνητο.
Η πραγματικότητα; Ίσως το 40% των κοινών μετάλλων λειτουργούν αρκετά καλά με την πάστα συγκόλλησης εκτός ραφιού. Τα υπόλοιπα; Πολεμάτε τη φυσική.
Τι συμβαίνει στην πραγματικότητα σε μοριακό επίπεδο
Η γωνία διαβροχής καθορίζει τα πάντα. Όταν η λιωμένη κόλληση έρχεται σε επαφή με μια μεταλλική επιφάνεια, τρία πράγματα μπορούν να συμβούν:
Η συγκόλληση απλώνεται επίπεδη και λεπτή (θ κάτω από 30 μοίρες )-έχετε να σχηματιστεί ένας συμπαγής σύνδεσμος. Ο χαλκός το κάνει αυτό υπέροχα. Το ίδιο και ο χρυσός, το ασήμι, τα περισσότερα κράματα ορείχαλκου.
Ή οι σφαίρες συγκόλλησης προς τα πάνω, αρνούνται να ρέουν (θ πάνω από 90 μοίρες). Αλουμίνιο. Κάθε φορά.
Αυτή η ενδιάμεση ζώνη γύρω στις 60-70 μοίρες είναι όπου τα πράγματα γίνονται απρόβλεπτα. Το νικέλιο ζει εδώ. Μερικές φορές λειτουργεί, μερικές φορές όχι. Εξαρτάται από την ημέρα, τη δραστηριότητα της ροής, αν ο Ερμής είναι ανάδρομος.
Ταινίες οξειδίου: ο αόρατος εχθρός
Το αλουμίνιο με τρελαίνει.
Το ίδιο το μέταλλο λιώνει στους 660 βαθμούς. Το στρώμα οξειδίου το επικαλύπτει; 2072 μοίρες. Έτσι, έχετε αυτό το μικροσκοπικά λεπτό κεραμικό κέλυφος που αναμορφώνεται κυριολεκτικά μέσα σε δευτερόλεπτα από την αφαίρεση. Η τυπική ροή κολοφωνίου δεν μπορεί να το αγγίξει. Οι επιθετικές ροές οξέος δεν μπορούν να το αγγίξουν. Το οξείδιο απλώς γελάει με τις προσπάθειές σου.
Το τιτάνιο κάνει το ίδιο κόλπο. Ο ανοξείδωτος χάλυβας επίσης, αν και το στρώμα οξειδίου του χρωμίου είναι ελαφρώς πιο διαχειρίσιμο με εξειδικευμένες ροές με ονομαστική τιμή H (υψηλή δραστηριότητα) σύμφωνα με το IPC J-STD-004.
| Μέταλλο | Φράγμα οξειδίου | Πρακτικό αποτέλεσμα |
|---|---|---|
| Χαλκός | Cu2O, ελάχιστο | Εξαιρετική διαβροχή |
| Αλουμίνιο | Al2O3, ανθεκτικό | Απαιτεί πρώτα επινικελίωση |
| Τιτάνιο | TiO2, αναγεννάται άμεσα | Μόνο συγκόλληση υπό κενό |
| Ανοξείδωτος | Παθητικό φιλμ Cr2O3 | Εξειδικευμένη ροή, ίσως |
Τα μέταλλα που απλώς λειτουργούν
Χαλκός. Κασσίτερος. Μόλυβδος. Ασήμι. Χρυσός (με επιφυλάξεις). Ορείχαλκος. Μπρούντζος.
Αυτοί είναι οι φίλοι σου. Τυπική πάστα SAC305, τυπικό προφίλ επαναροής, τυπικά αποτελέσματα. Οι επιφανειακές ενέργειες ευθυγραμμίζονται. Η ροή κάνει τη δουλειά της. Διαμεταλλικές ενώσεις σχηματίζονται στη διεπαφή-Cu₆Sn₅ και Cu₃Sn σε χάλκινους αρμούς-και έχετε αξιόπιστες μηχανικές και ηλεκτρικές συνδέσεις.
Ωστόσο, ο χρυσός είναι ενδιαφέρον. Ο πολύς χρυσός στην άρθρωση προκαλεί ευθραυστότητα. Ο κασσίτερος-χρυσός διαμεταλλικός AuSn₄ είναι εύθραυστος σαν γυαλί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα φινιρίσματα ENIG διατηρούν το στρώμα χρυσού λεπτό-συνήθως 0,05 έως 0,1 μικρόμετρα. Πηγαίνετε πιο χοντρές και οι αρθρώσεις σας ραγίζουν κάτω από τη θερμική ανακύκλωση.
Στη συνέχεια, υπάρχει η αδύνατο λίστα
Βολφράμιο. Μολυβδαίνιο. Ταντάλιο.
Σημεία τήξης τόσο υψηλά που η συμβατική πάστα συγκόλλησης είναι ουσιαστικά υλικό σε θερμοκρασία δωματίου-σε σύγκριση. Το βολφράμιο βρίσκεται στις 3422 μοίρες. Η τυπική σας υγρή πάστα χωρίς μόλυβδο είναι περίπου 220 μοίρες . Τα μαθηματικά δεν λειτουργούν. Θα χρειαστείτε ενεργά κράματα συγκόλλησης που περιέχουν τιτάνιο ή ζιρκόνιο, φούρνους κενού, ελεγχόμενες ατμόσφαιρες.
Δεν συμβαίνει σε μια τυπική γραμμή SMT.
Τα πυρίμαχα μέταλλα απαιτούν εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις
Δεν θα προσποιηθώ ότι είμαι ειδικός στη συγκόλληση υπό κενό-είναι εντελώς διαφορετικός κλάδος. Ωστόσο, η αρχή περιλαμβάνει ενεργά στοιχεία που μειώνουν χημικά το στρώμα οξειδίου-στη θέση, ενώ το κράμα χαλκού βρέχεται και ρέει. Η θερμοκρασία κυμαίνεται από 800 βαθμούς έως πολύ πάνω από 1000 βαθμούς. Το κόστος του εξοπλισμού είναι αστρονομικό.
Για λόγους χομπίστας, εάν συναντήσετε βολφράμιο ή μολυβδαίνιο σε ένα έργο, η μηχανική στερέωση ή οι αγώγιμες κόλλες είναι οι ρεαλιστικές επιλογές σας.
Μια σημείωση για το μαγνήσιο
Το μαγνήσιο αξίζει τη δική του προειδοποίηση. Πέρα από το πρόβλημα του οξειδίου (το οποίο είναι σοβαρό), το μαγνήσιο είναι εύφλεκτο. Η εφαρμογή θερμότητας παρουσία ενώσεων ροής που περιέχουν αλογόνα δημιουργεί πραγματικά επικίνδυνες συνθήκες. Οι περισσότερες εγκαταστάσεις απαγορεύουν τις προσπάθειες συγκόλλησης με μαγνήσιο.
Απλά μην το κάνεις.
Οι επιφανειακές επεξεργασίες αλλάζουν την εξίσωση
Εδώ γίνεται ενδιαφέρον για πρακτικές εφαρμογές. Το αλουμίνιο δεν μπορεί να συγκολληθεί απευθείας-αλλά το επιστρώστε με νικέλιο και ξαφνικά εργάζεστε με μια επιφάνεια νικελίου. Η τυπική πάστα λειτουργεί καλά.
Η βιομηχανία ημιαγωγών το εκμεταλλεύεται συνεχώς. Το πυρίτιο δεν μπορεί να συγκολληθεί. Ούτε τα κεραμικά υποστρώματα. Αλλά τοποθετήστε λεπτές-στρώσεις επιμετάλλωσης μεμβράνης-στρώμα πρόσφυσης τιτανίου, φράγμα νικελίου, χρυσό φινίρισμα-και δημιουργήσατε μια επιφάνεια με δυνατότητα συγκόλλησης σε ένα εγγενώς μη συγκολλήσιμο υλικό.
Κοινές επιστρώσεις που επιτρέπουν τη συγκόλληση:
- Electroless νικέλιο εμβαπτιζόμενο χρυσό (ENIG)
- Οργανικό συντηρητικό συγκολλητικότητας (OSP) πάνω από χαλκό
- Ισοπέδωση συγκόλλησης θερμού αέρα (HASL)
- Ασημί εμβάπτισης
- Κασσίτερο εμβάπτισης
Τα επίπεδα δραστηριότητας ροής έχουν μεγαλύτερη σημασία από όσο αντιλαμβάνονται οι άνθρωποι
Το σύστημα ταξινόμησης IPC J-STD-004 χωρίζει τη ροή σε τρία επίπεδα δραστηριότητας. Οι περισσότεροι άνθρωποι αρπάζουν ό,τι υπάρχει στο συρτάρι χωρίς να το σκέφτονται.
Χαμηλή δραστηριότητα (ονομασία L) λειτουργεί για καθαρό χαλκό με φρέσκες επιφάνειες. Το Medium (M) χειρίζεται την ελαφριά οξείδωση και τα περισσότερα σενάρια παραγωγής. Το υψηλό (H) προσβάλλει βαρύτερα οξείδια αλλά αφήνει διαβρωτικά υπολείμματα που απαιτούν σχολαστικό καθαρισμό.
Για οριακά συγκολλήσιμα μέταλλα-νικέλιο, ορισμένες ποιότητες ανοξείδωτου, ο παλαιωμένος χαλκός-το άλμα σε υψηλή- ροή δραστηριότητας κάνει μερικές φορές τη διαφορά μεταξύ επιτυχίας και αποτυχίας. Αλλά πρέπει οπωσδήποτε να καθαρίσετε μετά. Αυτά τα υπολείμματα είναι υγροσκοπικά. Θα απορροφήσουν την υγρασία και θα διαβρώσουν αργά την άρθρωση από μέσα.
Η θερμοκρασία δημιουργεί τους δικούς της περιορισμούς
Η πάστα χωρίς μόλυβδο-χρειάζεται υψηλότερες θερμοκρασίες επαναροής από τον παραδοσιακό κασσίτερο-μόλυβδο. Οι μέγιστες θερμοκρασίες συνήθως αγγίζουν τους 240-250 βαθμούς, μερικές φορές υψηλότερες για τα κράματα SAC.
Αυτό προκαλεί προβλήματα με:
Ψευδάργυρος (λιώνει στους 419 βαθμούς, αλλά παραμορφώνεται άσχημα σε θερμοκρασίες συγκόλλησης)
Ορισμένα πολυμερή υποστρώματα
Στοιχεία ευαίσθητα στη θερμοκρασία-κοντά
Και στο άλλο άκρο, υπάρχουν-μετάλλα χαμηλής τήξης όπως κολλήσεις με βάση το ίνδιο-για αυτά ακριβώς τα σενάρια-αλλά θυσιάζουν τη μηχανική αντοχή και δεν είναι συμβατά με όλα τα βασικά μέταλλα.
Η ειλικρινής μου εκτίμηση για την πρακτική δουλειά
Εάν κάνετε συναρμολόγηση PCB με τυπικά ίχνη χαλκού και κοινές απολήξεις εξαρτημάτων, η πάστα συγκόλλησης λειτουργεί ακριβώς όπως αναμένεται. Μην το πολυσκέφτεσαι.
Εάν σκοπεύετε να ασχοληθείτε με δομικούς αρμούς αλουμινίου, συγκροτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα ή εξωτικά κράματα-σταματήστε και ερευνήστε πρώτα τον συγκεκριμένο μεταλλουργικό συνδυασμό. Το φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή της πάστας δεν θα σας πει τα πάντα. Μπορεί να χρειαστείτε προ-κασσιτεροποίηση, εξειδικευμένες ροές, επιμεταλλώσεις φραγμού ή εντελώς διαφορετικές διαδικασίες σύνδεσης.
Και αν κάποιος σας δώσει ένα ηλεκτρόδιο βολφραμίου ζητώντας να το κολλήσετε σε μια χάλκινη ράβδο διαύλου, απλά πείτε όχι.
Η ευρύτερη αρχή
Η συγκόλληση είναι βασικά μια διαδικασία μεταλλουργικής συγκόλλησης χαμηλής-θερμοκρασίας βελτιστοποιημένη για ένα στενό φάσμα συμβατών υλικών. Εξελίχτηκε παράλληλα με την κατασκευή ηλεκτρονικών ειδών, η οποία χρησιμοποιούσε ιστορικά σχεδόν αποκλειστικά χαλκό, κασσίτερο, μόλυβδο και σχετικά κράματα. Η διαδικασία δεν χρειάστηκε ποτέ να φιλοξενήσει πυρίμαχα μέταλλα ή αντιδρώντα μέταλλα ή μέταλλα με ανθεκτικά φράγματα οξειδίων.
Αυτά τα υλικά απαιτούν εντελώς διαφορετικές διαδικασίες: συγκόλληση, συγκόλληση, συγκόλληση διάχυσης, μηχανική στερέωση. Το καθένα έχει τη θέση του. Η πάστα συγκόλλησης έχει επίσης τη θέση της-απλώς πιο περιορισμένη από ό,τι μπορεί να προτείνουν τα υλικά μάρκετινγκ.
