Forraszts A forrasztsok olyan kzvetett anyaggal zr felttelesen

Forrasztás

A forrasztások olyan közvetett, anyaggal záró, feltételesen oldható kötések, amelyeket fémes vagy nemfémes, de ebben az esetben felületükön fémmel bevont alkatrészekhez alkalmazunk. A kötés fémes adalékanyag (forrasz) segítségével jön létre, felületi ötvöző, adhéziós és diffúziós folyamat következtében.

Két fém összekötése egy harmadik alacsonyabb olvadáspontú forraszfém segítségével, a megolvadt forraszfém oldja az összekötendő fémek felületét, megindul egy ötvözési folyamat, melynek során kialakul egy vékony fémközi elegy, amely jó elektromos és mechanikus kötést biztosít.

A forrasztás csoportosítása a forrasz szilárdsága alapján: 1. A lágyforrasztás hőmérséklete 450 o. C alatti (általában 260… 300 o. C). Csekély szilárdság jellemzi, a kötéseket bizonyos esetekben tehermentesíteni kell. 2. A keményforrasztás hőmérséklete már 450 o. C fölött van (rendszerint 720 o. C, vagy annál magasabb) A keményforrasztási varrat szilárdsága megközelíti a hasonló jellegű hegesztési varrat szilárdságát. Forraszanyag: Cu, Ag, Zn Folyasztószer: borax

A fémközi elegy (intermetallikus réteg) A fémközi elegy kialakulásának menete: n forraszfém (hőközlés) olvadása na forrasztandó fémek oldódása, atomi kötés kialakulása n fémek megszilárdulása (hűtés - hőelvonás)

Az intermetallikus réteg Tulajdonságai: A forrasztás minősége a fémközi elegy vastagságának függvénye. A vastagság függ: – bronzos, – kemény, jó mechanikai tűrőképesség, – az oldódás időtartamától a lehető legrövidebb idő – vékony rétegben rugalmas, alatt kell létrehozni, – megvastagodva rideg – a forrasztás törékeny, hőmérsékletétől - a lehető – jó villamos vezetőképesség. legalacsonyabb hőmérsékleten kell létrehozni.

A forraszanyag nedvesíti a felületet Csak a kémiailag FÉMTISZTA és FORRASZTHATÓ fém NEDVESÍTHETŐ és KÖTHETŐ össze forraszanyaggal! A nedvesítés minősége a nedvesítés szögéből meghatározható.

A nedvesítés minősége rossz nedvesítés: • a nedvesítési szög nagy, • a felület szennyezett, oxidos, • a nagy felületi feszültség a folyadékot golyóvá formálja. A felületi feszültség miatt feltöltődik a furat jó nedvesítés: • a nedvesítési szög kicsi, • a felület tiszta, • a folyadék elterül.

Technológiai segédanyagok: 1. Folyasztószer v. folyósítóanyag fluxok): – oldja a fémoxidokat, – megakadályozza a fémek újraoxidációját, – teret ad a forraszanyagnak, – elősegíti a nedvesítést, – maradványai vannak, – kémiai közömbösség a forrasztandó fémmel és a forraszanyaggal, – jó villamos szigetelő, – egészségre nem ártalmas, nem környezetszennyező.

Folyasztószerek típusai: a. gyantaalapúak: gyantaalapúak Víztiszta gyanta: fenyőfa mézgájának lepárlási terméke, elektromos ellenállás szempontjából megbízható, maradványa nem okoz korróziót, de idővel ragacsossá válik. Mérsékelten aktivált gyanta (RMA= Rosin Mildly Activated): az aktiválószer hatására jobban tisztít. Erősen aktivált gyanta: csak töltött forraszanyagba, melegen az aktiválószer elpárolog.

b. szerves, nem-gyantaalapúak: Aktívabbak – pl. : nikkel (más, nehezen forrasztható fém) is forrasztható vele, vízzel mosható – kevés maradvány – de teljesen ki kell mosni! c. szervetlen folyósítóanyagok: Ammónium és horganyklorid (cinkklorid)– elektromos berendezésekben nem használható, mert elektromosan vezető és erősen korrodáló; kloridos folyasztószerek – előónozáshoz használható, de utána le kell mosni!

2. Forraszanyagok: Alapötvözet: 63% Sn, 37% Pb eutektikus ötvözet Alacsony olvadáspont (173 o. C), olcsó, biztonságos, jól nedvesít, fényes; de az ólomtartalom miatt 2006 július 1. óta az alkalmazását betiltották! Gyártási alak: • huzal (tömör vagy 2 -3% folyasztószerrel töltött) – pákásf. , • forrasztópálca, • forrasztótuskó – merülő-, hullám forrasztás, • fólia, lemez, csík, • forrasztópaszta, forrasztókrém – újrahevítéses forrasztás, • zsugorcső.

Forrasztási technológiák 1. Kézi forrasztás (pákás forrasztás): Pákacsúcs: • jó hővezetőképesség, • kis hőmennyiség a felmelegítéshez (kis fajhő), • ne oxidálódjék, • a forrasz jól nedvesítse, de abban ne oldódjék, • nagy hőmennyiséget tároljon – hőkapacitás. Legjobb rézből, de óntartalmú forraszban oldódik – ötvözni tellúrral vagy bevonni 0, 1 -0, 2 mm Fe-Ni ötvözettel!

A szükséges teljesítmény függ: • forrasztott kötés nagyságától, • alkatrészek méreteitől. Hőmérséklet szabályozása szükséges: • hálózati feszültségingadozás, • gyors egymás utáni forrasztás a csúcs hőmérséklet csökkenéséhez vezet. Lehetséges módszerei: • elektronikus szabályozás, • Curie-hőmérséklet beállítás (Weller-páka) – viszonylag lassú! Pillanat-páka!

2. Merülő forrasztás: A mechanikusan rögzített elemekkel beültetett nyomtatott lapot egy forraszfürdőbe merítik, tömeggyártás, Konvejor folyamatos mozgással kb. 15 o-os szögben bemeríti és kiemeli a fürdőből a lapokat, A szennyeződés, salak a fürdő felszínén úszik, rontja a kötés minőségét!

3. Hullámforrasztás: Hagyományos hullámforrasztásnál az áramköri lapka teljes felülete érintkezik a folyékony forraszanyaggal. Ahol a forraszanyag találkozik forrasztható felülettel (alkatrész kivezetés, forrasztási pont) ott létrejön a forrasztott kötés.

alakú hullám (oxidmentes) 80… 120 ºC előmelegítés szivattyú habosított folyasztószer szivattyú forrasz hullám 240… 260 ºC A nyomtatott huzalozású lemezeket egy szállítószalag vontatja át a hullámforrasztó berendezésen (szállítási sebesség: 1, 3. . 1, 5 m/min).

Kettős hullámú hullámforrasztó működési elve Az "A" hullám egy forraszsugár: rálövi a forraszt a felületre, hogy a forrasz biztosan mindenhova odakerüljön, ahol arra szükség lehet. A "B" hullám λ alakú, két irányban áramló, lassú hullám, amelynek van ideje a forraszt és a felületeket átmelegítenie, a forraszt kellően megfolyatni, így lesimítja, eltávolítja a forraszmaradványokat

4. Újraömlesztéses (reflow) forrasztás: • felületszerelési technológiában alkalmazzák, • forraszanyag paszta alakban szita - v. stencilnyomtatással (paszta: szuszpenzió, folyasztószerben forraszgolyók). A forrasztást (reflow-forr. ) infravörös sugárzásos, meleglevegős (konvekciós) vagy védőgázas (N 2) szállítószalagos kemencében, ill. gőzfázisban végzik. A forraszgolyók összetétele: 62 Sn 36 Pb 2 Ag, vagy 63 Sn 37 Pb, vagy 95, 5 Sn 3, 8 Ag 0, 7 Cu (ólommentes, op = 217 ºC) oxidtartalom 80 ppm

Egy-gőzteres, inline gőzfázisú forrasztás

Két gőzteret alkalmazó gőzfázisú forrasztás

Szelektív minihullám-forrasztás: Szelektív, vagyis helyileg forrasztó eszköz. Egy szivattyú a megömlesztett forraszanyagot egy fúvókán keresztül kinyomja, így a fúvóka tetején egy félgömb alakú miniatűr forraszhullám keletkezik. A forraszhullámot az oxidációtól a fúvókát körülvevő hengerből kiáramló nitrogén gáz védi meg. A szelektív forrasztási technológia alkalmas arra, hogy a felületszerelt lemezekre a hiányzó néhány furatszerelt, nagytömegű vagy hőre érzékeny alkatrészt (érzékelőt, csatlakozót, foglalatot, relét, tekercset, transzformátort, stb. ) beforrasszuk.

A nyomtatott huzalozású lemez áll, a szükséges mozgásokat a forrasztó-fej végzi.

Ólommentes forrasztás

EU direktívák • WEEE: (HEEB) Waste Electrical and Electronic Equipment • Minden elhasznált E termék kötelező visszavételéről és újrahasznosításáról • 1. Határidő: 2005. aug 13. • Ro. HS: Restriction of certain Hazardous Substances • Tilos használni E termékekben: Pb, Hg, Cd, Cr(VI), brómozott lánggátlók • Határidő: 2006. juli 1. • Kivétel….

2006 július 1. -től az Európai Uniós jogszabály tiltja bizonyos termékekben egyes veszélyes anyagok – köztük az ólom – alkalmazását. Ennek egyértelmű oka a környezetvédelem! Az elektronikai készülékek hulladékként a talajba, majd a talajvízbe kerülnek és innen a szervezetünkbe kerülhetnek, könnyen felszívódnak.

Az ólommentes forraszanyaggal szemben támasztott követelmények: Tulajdonságai minél jobban hasonlítsanak az eddig használt forraszanyagokéra! • közel eutektikus összetétel –határozott olvadáspont, • elektromos vezetési tulajdonságai, • mechanikai tulajdonságai, • megbízhatóság – élettartam, • jó nedvesítés a megszokott forrasztandó felületeken, elektronikai felhasználásra alkalmas folyasztószerek alkalmazása mellett, • a megszokott forrasztási technológiákkal jó minőségű kötés létrehozására alkalmas legyen.

Ólommentes forraszötvözetek: forraszötvözetek Sn-67 Bi Sn-42 In Sn-50 In Sn-52 In Sn-8 Zn-3 Bi Sn-Zn-Bi-In Sn-ZSb n-P Sn-8. 8 In-27. 6 Zn Sn-20 In-2. 8 Ag Sn-9. 5 Bi-0. 5 Cu Sn-10. 5 In-2 Ag-0. 5 Sb Sn-0. 7 Cu Sn-3. 4 Ag-1. 2 Cu-3. 3. Bi Sn-1 Cu Sn-3. 5 Ag-0. 7 Cu Sn-4. 7 Ag-1. 7 Cu Sn-2. 5 Ag Sn-4 Ag-0. 5 Cu Sn-Ag-Cu-Ge Sn-3. 5 Ag Sn-Ag-Bi Sn-2. 5 Ag-0. 8 Cu-0. 5 Sb Sn-1 Sb Sn-5 Sb Sn-1. 5 Ag-2 Bi-0. 5 Cu Sn-3 Cu Sn-25 Ag-10 80 Au-20 Sn Sn=ón, Ag=ezüst, Au=arany, Cu=réz, Zn=cink, Bi=bizmut, In=indium, Sb=antimon, P=foszfor, Ge=germánium.

Forraszanyagok • Régi: Sn 63 Pb 37 • • Helyettesítők: Sn. Ag(3 -4)Cu(0, 5– 0, 7) Sn 9 Zn Sn 0, 7 Cu stb. • Mind magasabb olvadáspont, drágább, más nedvesítés, felületi feszültség • Magasabb forrasztási hőmérséklet: • Más beállítás • Nyhl hordozó, tokozás már sérülhet Pontosabb hőmérséklet beállítás, rövidebb műveleti idő, mert a műanyag részek hőállóságának határán mozgunk

Elektrolit kondenzátor Hőre lágyuló műanyag tokozás Rétegkondenzátor Alkatrészek károsodása a magasabb forrasztási hőmérsékleten

Alkalmas ólommentes forraszötvözetek: • Ón-réz ötvözetek Tipikus: 99, 3% Sn, 0, 7% Cu Olvadáspont: 227 o. C • Ón-ezüst ötvözetek Tipikus: 96, 5% Sn, 3, 5% Ag Olvadáspont: 221 o. C • Ón-ezüst-réz (TSC, SAC) Tipikus: 95, 5% Sn, 3, 8 % Ag, 0, 7% Cu Olvadáspont: 217 o. C

A forrasztási technológia fontos paraméterei: • hőmérséklet, • idő. – Túl alacsony/túl kevés: az intermetallikus réteg nem vagy alig jön létre → hideg forrasztás, – Megfelelő: 0, 3 -1 μm vastagságú intermetallikus réteg, – Túl magas/túl hosszú: túl vastag intermetallikus réteg → alacsony kötésszilárdság, a forraszréteg ledobása (dewetting).

Különbség az ólommentes -ólomtartalmú forraszok között: • olvadáspontja magasabb → magasabb megömlesztési hőmérséklet, • nedvesítési sebessége a forrasztás hőmérsékletén kisebb → hosszabb idő, • felületi feszültsége nagyobb → rosszabb terülés, • sűrűsége kisebb (kb. 7, 5 kg/dm 3, ólomtartalmúé 8, 4 kg/dm 3) → valamivel jobb fajlagos anyagfelhasználás, • viszkozitása nagyobb → gázzárványok, • a forrasztás felszíne matt → eltérő elfogadási kritériumok, • ára magasabb, • környezeti hatása vitatott.

Követelmények az alkatrészek felületi bevonatával szemben: • • • ólommentesség, jó forraszthatóság, hosszú tárolhatóság, stabilitás magasabb hőmérsékleten is, gazdaságosság.

Áramköri kártyák bevonatai (ismert eljárások megfelelőek): • kémiai ón, • kémiai ezüst, • aranyozott nikkel, • HASL (tűzi ón) – ólommentes forrasszal, • OSP (szerves védőbevonat). Alkatrészek felületi kikészítései: • tiszta (esetleg matt) ón bevonat, • ón-réz ötvözet bevonat, • ón-bizmut ötvözet → ólom környezetében veszélyes, • Ni-Pd vagy Ni-Pd-Au bevonat → nehezen forrasztható. Az alkatrészek tokozásának is magasabb hőmérsékletet kell elviselnie!

Ólommentes forrasztási technológiák

1. Ólommentes kézi forrasztás Alkalmazása: kísérleti gyártás, kis széria, javítás esetén. Előnye: kis beruházás, a forrasztás minősége azonnal javítható. Hátránya: személyfüggő minőség, nem illeszkedik a korszerű minőségirányítási rendszerekhez. Ólommentes forraszötvözetek: - ón-réz (Sn. Cu 1): Sn 99, 3 Cu 0, 7 – legolcsóbb, legmagasabb (op. 227 o. C), - ón-ezüst (Sn. Ag 4): Sn 96, 5 Ag 3, 5 – legnagyobb mechanikai szilárdság (op. 221 o. C), - ón-ezüst-réz (Sn. Ag 4 Cu 1): Sn 95, 5 Ag 3, 8 Cu 0, 7 vagy hasonló – a forraszpaszták ötvözete a legalacsonyabb op. 217 o. C.

Pákás forrasztás anyagai: • Forraszhuzalok: általában folyasztószerrel töltött, egy vagy több csatornás. • Folyasztószerek: – Huzaltöltet: az ismert választéknál aktívabbak, – Folyékony, – Zselé. A forrasztás hőmérséklete: a forrasztandó felület 40 o. Ckal a forraszanyag olvadáspontja fölé kell melegíteni, 1 -5 másodpercig hőn tartani!

A pákacsúcs hőmérséklete: az a hőmérséklet, amely az adott idő alatt, az adott hőátadási viszonyok mellett, a fentiek szerinti felmelegítést biztosítja. • általában kb. 100 o. C-kal a felület kívánatos hőmérséklete felett – függ a pákacsúcs alakjától és a forrasztandó felülethez csatlakozó hőelvonó tömegtől, • a létező kézi forrasztó berendezések 400 - 450 o. Cig beállíthatók, tehát alkalmasak ólommentes forrasztásra.

Módosítások az ólommentes forrasztásra való áttérésnél: • Kézi forrasztás: – más eszközök, – gyorsabb kopás, – betanulás • Reflow: – berendezés csere, – infra mellett légkeverés, – más flux anyag • Hullámforrasztás: – – – a tiszta Sn agresszívebb, a kádon védőbevonat, több salak, Cu beoldás, gyakoribb fürdőcsere Ón whiskerek