Utilizarea atmosferei inerte in tehnologiile de lipire

Utilizarea atmosferei inerte in tehnologiile de lipire

Tehnologia fara plumb este mai agresiva decat cea clasica din punct de vedere al reactiilor fizico-chimice, deoarece pastele sunt mai active chimic si necesita lucrul la o temperatura mai mare cu varfuri putand ajunge pana la 260 ˚C. Acasti factori specifici afecteaza nu numai placile de cablaj imprimat si componentele electronice, ci si structura insasi a lipiturii.

Oxigenul reactioneaza chimic cu metalele cu atat mai puternic cu cat temperatura este mai mare. In urma reactiei rezulta oxizi ai metalelor implicate in packagingul electronic (Cu, Sn, Ag), care au un efect negativ asupra procesului de lipire prin faptul ca favorizeaza oxidarea. Stratul superficial de oxizi care apare la suprafata aliajului de lipit in stare topita duce la cresterea tensiunii superficiale si la amplificarea consecintelor negative determinate de temperatura de lipire si activarea chimica crescuta. Spre deosebire pastele utilizate la tehnologia cu plumb, pastele utilizate pentru tehnologia fara plumb au ca efect cresterea tensiunii superficiale, produsele gazoase rezultate in urma aplicarii temperaturii ridicate asupra fluxului nu mai pot sparge usor invelisul metalic lichid pentru a se degaja in atmosfera incintei. Rezultatul este ca lipiturile efectuate in tehnologia fara plumb prezinta mai multe voiduri decat tehnologia clasica, iar dintre aliaje, SAC produce voiduri mai multe decat alte aliaje fara plumb.

Potrivit unor studii [2], fenomenul de aparitie a unor discontinuitati / incluziuni in structura lipiturilor (voiding) este un defect potential care apare in special la procesarea BGA - urilor. Din acest motiv a fost adoptata specificatia ca la inspectia cu raze X voidul sa ocupe o suprafata de maximum 25% din imaginea ball-ului. In general, voidurile par a avea au impact mai mare asupra echipamentelor portabile sau cu destinatie speciala, unde este ceruta rezistenta deosebita la socuri si vibratii.

Oxizii formati la suprafata metalelor din care sunt confectionate terminalele componentelor si padurile cablajului imprimat actioneaza ca un scut si nu permit aderarea aliajului de lipit. Aceasta se repercuteaza asupra fiabilitatii lipiturii, a rezistentei electrice a conexiunii.

In scopul indepartarii oxigenului din mediul in care are loc procesul de lipire au fost luate in considerare mai multe solutii:

- lipirea intr-un mediu cu un gaz inert;

- lipirea intr-un mediu cu azot;

- lipirea intr-un mediu cu vapori.

Gazele inerte sau nobile sunt numeroase, si costul lor este mare. Azotul este un nemetal care se gaseste sub forma de gaz in stare libera in atmosfera, unde reprezinta 78% dintr-un volum de aer. In vederea posibilei utilizari a azotului in procesul de lipire au fost luate in consideratie proprietatile fizice si chimice ale sale. In conditiile obisnuite de temperatura si presiune, azotul este un gaz incolor, inodor si insipid; un litru de azot care cantareste 1,2506 g. La racire puternica si persiune inalta, azotul trece mai intai intr-un lichid incolor, cu punctul de fierbere -195,8 ˚C, iar apoi intr-o substanta solida ce cristalizeaza in sistemul cubic si se topeste la -210,1˚C. Densitatea azotului lichid este 0,88g/cm³. Aceste proprietati sunt importante pentru proiectarea rezervoarelor de azot lichid si a vaporizatoarelor. Azotul gazos are o conductivitate termica mai mica decat cel lichid. Datorita legaturii puternice dintre atomii din molecula azotului, la temperaturi joase azotul molecular este putin activ, iar compusii azotului sint putin stabili termic si la temperatura se descompun. La temperaturi mai mari azotul reactioneaza cu multe metale si nemetale. Litiul, calciul, strontiul, bariul, magneziul, borul, aluminiul, pamanturile rare, siliciul, titanul, zirconiul, ceriul, toriul si manganul se combina direct cu azotul. Unele din aceste metale intra in componenta unor subansamble (radiatoare, ecrane, parti mecanice) din structura cuptorului de lipire care sunt sub influienta atmosferei de azot la temperaturi ce pot ajunge la 260 ˚C. Dupa o experienta de un an de zile, in INTRAROM nu s-au constatat modificari fizico-chimice ale componentelor respective.

Comparativ, pretul mai mic al azotului fata de gazele inerte l-au impus. Pentru o productie de serie costurile trebuie bine evaluate deoarece costurile necesitate de utilizarea atmosferi de azot sunt ridicate.

1. Instalatia de azot

Instalatia industriala de azot consta dintr-un rezervor de azot lichid si un vaporizator (Fig. 1). Incarcarea rezervorului se face prin pomparea azotului lichid din cisterne autopurtate intr-un vaporizator unde se evapora la temperatura de -195 ˚C devenind gaz.

Fig. 1. Instalatia de azot

Pentru utilizarea sa in procesul tehnologic de lipire, azotul lichid este introdus Mai departe azotul sub forma de gaz este adus prin conducte de cupru la incintele unde are loc lipirea. In general, azotul “rece” (10-15 ˚C) este aplicat direct in zona unde are loc procesul de lipire prin retopire si unde temperatura atinge valori de 250 – 270 ˚C. Diferenta de temperatura este astfel foarte mare. Aceasta poate produce anumite probleme de transfer termic in unele zone ducand la variatii mari ale temperaturii de lipire. In timpul iernii, dat fiind ca rezervorul de azot este situat in afara cladirii, acest fenomen este si mai pregnant. Pentru evitarea acestui lucru e necesara o preincalzire a gazului prin parcurgerea prin conducte pe o lungime de circa 50 m prin interiorul cladirii.

Cantitatea de azot utilizata este dependenta de tipul de cuptor folosit. In cazul unui cuptor tip deschis consumul de azot este foarte mare ( 30-40 m³ /h). In cazul INTRAROM SA cuptoarele sunt de tip inchis, la care accesul este pemis numai cand placa de cablaj imprimat este introdusa in interior. Consumul estimat de azot la punerea in functiune a instalatiei de catre producator (Messer) era de 34 m³/h (18 m³/h la retopire, 16 m³/h la val). Cu timpul, procesele au fost optimizate si s-a ajuns la o medie de 24 m³/h (14, la retopire, respectiv 10 la val). Pentru optimizarea costurilor trebuie facuta o apreciere a consumului de azot, a costurilor determinate de utilizarea azotului si a veniturilor rezultate din proces. Pentru aprecierea consumului de azot se considera doua linii smt si una de val, cazul unei luni de incarcare medie, lucru in 2 schimburi, 22 de zile lucratoare. Consumul de azot total la procesele de lipire din INTRAROM este:

2x14x2x8x22 + 1x10x2x8x22 = 13376 m³ (1)

Mentenanta instalatiei de azot este destul de critica ea trebuind sa fie efectuata zilnic. Pe de o parte, se  verifica starea de curatenie a rezervorului, a vaporizatoarelor, a conductelor de gaz lichefiat si a armaturilor; se inlatura excesul de gheata si se verifica aparitia eventualelor zone de condens pe corpul rezervorului criogenic. De asemenea, se verifica aparitia de neetaiensietati vizibile cu ochiul liber la toate punctele supuse la tensiuni mecanice (flanse, imbinari filetate, presetupe,ventile, etc.). Daca este nevoie se schimba vaporizatorul in functiune. Pe de alta parte, se verifica parametrii instalatiei: presiunea de lucru in rezervor (11 bar), indicatorul de volum. Volumul minim absolut pentru mentinerea temperaturii scazute este de 450 m³. Veniturile rezultate din utilizarea sunt determinate de cresterea calitatii produselor si optimizarea proceselor de lipire.

2. Utilizarea azotului in procesul de lipire prin retopire (reflow / double reflow soldering)

Rezultatele studiilor efectuate pe plan international privind utilizarea azotului au evidentiat ca o pasta cu rezultate slabe in cazul atmosferei cu oxigen da rezultate mai bune prin folosirea azotului si pot imbunatati performantele celei mai bune paste intr-o gama larga de conditii. Utilizarea azotului drept mediu de transport al caldurii a fost impusa de folosirea pastelor de lipit cu granulatii din ce in ce mai mici ale pulberilor solide si ingloband fluxuri fara spalare.

Azotul reduce oxigenul din incinta pentru a diminua reactia de oxidare atat a particulelor din aliaj, cat si a terminalelor componentelor si padurilor de pe cablajul imprimat.

La lipirea prin retopire folosirea azotului are un dublu scop: eliminarea fluxurilor acide si procesarea capsulelor cu terminale foarte apropiate, consecinta a scaderii dimensiunilor granulelor metalice din pasta. In literatura de specialitate au aparut informatii referitoare la influenta pe care o are azotul aupra reducerii defectelor, in special celor datorate umezirii proaste, in procesul de lipire prin retopire in cazul tehnologiei fara plumb.

Necesitatea implementarii unei tehnologii ecologice la procesele de lipire a obligat luarea in considerare tuturor implicatiilor noii tehnologii fara plumb: calitate, fiabilitate, cost.

2.1. Rezultate experimentale privind utilizarea tehnologiei de lipire prin retopire in mediu de azot

• Experimente privitoare la calitatea lipiturilor

In cadrul INTRAROM SA au facut efectuate mai multe experimentari legate de alegerea pastei de lipit optime [5]. Cu aceasta ocazie s-a experimentat si influenta azotului asupra calitatii lipiturii, in special din punctul de vedere al defectelor (dezaliniere, tombstoning) datorate udarii (wetting). Experimentul s-a efectuat asupra a 20 de placi de test (NCAB) avand patru tipuri de acoperiri ale padurilor: Electroless Nickel Immersion Gold :(Chemical Ni/Au), Hot Air Surface Leveling - SnCuNi (Leadfree HASL), Organic Solderability Preservative (OSP), Immersion Tin (Chemical Tin). S-au utilizat cinci tipuri de paste de la cinci producatori (trei tipuri SAC305 si doua tipuri SAC387, de mentionat ca una din paste era expirata). Aliajele SAC305 (Sn95 Ag3.0 Cu0.5) respectiv SAC387 (Sn95.5 Ag3.8 Cu0.7) au aproximativ aceleasi cerinte pentru profilul de temperatura:

- temperatura de topire a aliajului: 217-­221 ˚C;

- panta <2.5 ˚C/sec;

- 130-160  ˚C : 20-50 sec;

- 160-217  ˚C : 30-60 sec;

- TAL (217˚C) 60-­80sec, (221˚C) 50­-70sec ;

- DeltaT<10 ˚C ;

- Peak 235-­240˚C ;

- panta la racire 2­4 ˚C/sec.

S-a folosit acelasi profil la toate tipurile de pasta.

Au fost plantate pe toate placile cateva rezistente fara plumb, capsula 1206, cu un offset de rotatie de 15˚ (Fig. 2.1. a.) constatandu-se la iesirea din cuptor ca au capatat un offset foarte mic (Fig. 2.1. b.). Intr-o alta zona au fost plantate capsule SOIC8 cu un offset pe axa X de –0.3 mm (Fig. 2.1. c.). Si la acestea s-a constatat alinierea (Fig. 2.1. d.). Rezultatele au fost bune indiferent de pasta folosita si finisarea padurilor. Desi se recunoaste ca tehnologia fara plumb implica o umectare mai redusa, s-a constatat ca utilizarea azotului e favorabila alinierii componentelor. S-a dovedit astfel ca procesul de lipire prin retopire in atmosfera de azot este mai putin sensibil la unii factori caum ar fi paste mai slabe, finisarea padurilor.

a. b. c. d.

Fig. 2.1. Alinierea componentelor

S-a observat la cele mai mici componente (0805, 0603) ca nu a aparut fenomenul de tombstoning, care apare mai frecvent la componentele mici in procesele de topire in atmosfera de azot si in faza de vapori [3]. Tombstoning-ul este tot o defectiune datorata udarii, si anume diferentei de umectare intre cele doua lipituri (joints) care determina tensiuni superficiale diferite. Un alt factor determinant este masa termala a celor doua lipituri, care e la randul ei determinata tolerantele dimensiunilor padurilor, al metalizarii componentelor,al volumului pastei de lipit depuse. Azotul, prin actiunea sa antioxidanta, contribuie la micsorarea timpului initial de umectare si, in consecinta, suprafetele curate de oxizi se vor uda mai repede. Lipsa defectelor de acest tip e o consecinta cumulata a utilizarii azotului, a alegerii unui profil termic al procesului de lipire care asigura un ∆T minim, cat si a alegerii volumului de pasta depus.

• Experimente privitoare la lipirea BGA-urilor

A fost analizata influenta azotului in cazul lipirii prin retopire asupra capsulelor tip BGA.

Capsula BGA (Ball Grid Array) (Fig. 2.2.) este un patrulater (dreptunghi, patrat) cu o inaltime de 1.0, 1.27 sau 1.5 mm si avand o arie de bile metalice (ball) pe partea de dedesubt. Partea principala a capsulei are un cablaj metalizat aplicat pe un material dielectric. Pe aceasta structura cipul semiconductor este aplicat fie pe fata superioara, fie pe cea inferioara. Pentru a fi protejat materialul semiconductor poate fi incapsulat prin diverse tehnici (acoperiri ceramice, plastic). Pe partea inferioara a dielectricului exista o arie de bile metalizate care constituie conexiunea mecanica si electrica intre corpul acestei structuri si suprafata de contact a cablajului imprimat. Matricea de balluri poate fi completa sau pot fi omise. In prezent se produc sapte familii majore de capsule BGA.

Tab. 2.1. Denumire BGA

Lipirea acestui tip de capsula este foarte dificila. Pot exista diferente intre inaltimile ballurilor (standardele dau valorile maxime admisibile). Autoalinierea datorata fortelor de coeziune dintre balluri si paduri este esentiala, dar verificarea corectitudinii lipiturilor nu se mai poate face vizual, ci doar prin inspectie cu raze X. De aceea este foarte important sa se cunoasca compozitia metalurgica a ballurilor. Din acest punct de vedere exista balluri din materiale de lipit cu temperatura joasa de topire, care la 230 ˚C devin lichide si balluri cu materiale cu temperatura inalta de topire, care la 230 ˚C nu trec in starea lichida. De asemenea, exista BGA-uri realizate in tehnologia cu plumb si BGA-uri fara plumb.

Fig. 2.2. Capsule BGA  Tab. 2.2. Denumirea circuitelor BGA lipite pe placa

Studiul s-a efectuat asupra unui tip de cablaj (Fig. 2.3.) aflat in productia curenta a companiei. Cablajul cuprinde 12 capsule BGA de cinci tipuri diferite si are padurile finiate NiAu. Denumirea circuitelor si tipul capsulelor sunt prezentate in tabelul 2.2.

Fig. 2.3. Placa supusa testarii

Au fost utilizate opt cartele de cablaj imprimat: la patru dintre ele componentele au fost lipite in mediul ambiant, in timp ce la celelalte patru s-a utilizat mediul cu azot. S-a folosit acelasi tip de pasta, SAC305, de la acelasi producator. Profilul procesului de lipire prin retopire adoptat (fig. 2.4. ) a fost acelasi pentru toate cablajele asamblate.

Fig. 2.4. Profilul procesului de lipire pentru placile cu BGA

Verificarea a constat in aplicarea procedurii de acceptanta pentru solderabilitatea capsulelor de tip BGA utilizata in cadrul companiei prin inspectia cu raze X, in conformitate cu Standardul IPC-610-A. Inspectia s-a efectuat asupra tuturor capsulelor de pe placile supuse testarii.

a) U1A pcb01_N U1A pcb01+N

b) U1A pcb02_N U1A pcb02+N

c) U1A pcb03_N U1A pcb03+N

d) U1A pcb04_N U1A pcb04+N

e) U113 pcb01_N U113 pcb01+N

f) U113 pcb02_N U113 pcb02+N

g) U113 pcb03_N U113 pcb03+N

h) U113 pcb04_N U113 pcb04+N

 

i) UFRM1 pcb01_N    UFRM1 pcb01+N

j) UFRM1 pcb02_N    UFRM1 pcb02+N

 

k) UFRM1 pcb03_N   UFRM1 pcb03+N

 

l) UFRM1 pcb04_N    UFRM1 pcb04+N

 

m) UFRM3 pcb01_N  UFRM3 pcb01+N

 

n) UFRM3 pcb02_N   UFRM3 pcb02+N

o) UFRM3 pcb03_N   UFRM3 pcb03+N

p) UFRM3 pcb04_N   UFRM3 pcb04+N

Fig. 2.5. Imagini cu raze X ale ballurilor BGA-urilor, fara azot (stanga) si cu azot (dreapta)

La inspectia vizuala, la nici o capsula nu s-a observat dezalinierea, indiferent de mediul folosit.

Toate capsulele BGA au fost apoi inspectate cu raze X. In figura 2.5. a/p se prezinta imaginile mai reprezentative ale acestor inspectii, pe coloana din stanga fiind ilustrata situatia la lipirea in mediul ambiant, pe coloana din dreapta fiind prezentate aceleasi BGA-uri in cazul utilizarii azotului. Analiza imaginilor a fost facuta cu ajutorul programului rezident pe calculatorul ce deserveste echipamentul Analizor cu raze X.

S-a constatat ca in mediul fara azot un numar de patru BGA-uri, dar toate de acelasi tip (FPGA-144), prezinta un procent mai mare de balluri cu voiduri (Fig.8, k/p). Analizand imaginea prelucrata din Fig.8p, a unuia din aceste BGA-uri (UFRM3, pus pe cablajul al patrulea) suprafata voidurilor pare destul de mare. Din totalul ballurilor inspectate la aceasta capsula 84% dintre ele prezinta voiduri; cu toate acestea suprafata totala a voidurilor nu reprezinta decat 8.82% din totalul suprafetei voidurilor, iar cel mai mare void dintr-un ball ocupa doar 17.6% din el. Conform normelor lipitura este corecta.

De altfel, s-a constatat ca la toate BGA-urile lipite in atmosfera fara azot, nici un ball nu a avut vreun void a carui suprafata sa fie mai mare de 25% din suprafata imaginii ballului. Cele mai mari au reprezentat 18.9%, 18.6% si doua 18.0%, iar aceste valori au fost obtinute la acelasi tip de BGA. In figura 12.a se prezinta un exemplu de multivoid, voiduri mai mici dar numeroase dispuse in tot volumul bilei, precum bulele de sampanie,  iar in figura 12.b se prezinta un void singular, avand un volum mare.

Fig. 2.a. Multivoid (void tip “Champagne”)  b. Void singular

Voidurile se observa in toata masa lipiturii, nu numai la jonctiunea dintre pad si lipitura, fiind volume de incluziuni. Analiza cu raze X, prezinta in fpt proiectia volumului respectiv conform directiei de analiza. Exista posiilitatea unei analize tip tomografie  lipiturii, ceea ce ar da avantajul e a analiza voidurile volumeric.

In Fig. 2.7, se prezinta grafurile procentului de balluri cu voiduri in cazul lipirii fara azot pentru cele 12 BGA-uri, pentru fiecare din cele patru cablaje.

Fig. 2.7. Procente balluri cu voiduri

Trecand la analiza imaginilor in cazul lipirii in atmosfera cu azot s-a constatat in cazul aceluiasi tip de BGA-uri (UFRM1/4) de mai sus, o imbunatatire evidenta (Fig.8,k/p). Spre exemplu, UFRM2 de pe cablajul al doilea, care a avut cel mai mare procent de balluri cu voiduri la lipirea fara azot (95.2%), a scazut la 415% in cazul utilizarii azotului.

 

Toate celelalte tipuri de BGA, prezinta mai multe voiduri in cazul lipirii in atmosfera de azot. Situatia este ilustrata in grafurile din fig. Fig. 2.7.

Fig. 2.8. Graful distributiei procentului de balluri cu voiduri in cazul fara azot si cu azot

Tab. 2.3. Rezultatele inspectiilor X-Ray

Din figurile 2.5 j/p, se observa ca exista voiduri importante si la o componenta care este plantata pe fata opusa BGA-ului, mai ales in atmosfera de azot.

Nu s-au gasit insa balluri care sa aiba voiduri in suprafata mai mare de 25%. Cel mai mare void in cazul lipirii in atmosfera de azot a avut 17.5%, urmatorul ca marime avand 14.8%.

Rezultatele acestor inspectii sunt trecute in urmatorul tabel:

• Concluzii privind utilizarea azotului in procesul de lipire prin retopire

Placa pe care s-au facut studiile este una deosebit de complexa datorita diversitatii tipurilor de capsule BGA. In cele doua situatii, cu azot si fara azot, materialele diferite ale ballurilor se comporta diferit cu un acelasi tip de pasta. Este evidenta influenta azotului asupra numarului de voiduri, dar in timp ce la unele BGA-uri acesta a scazut, la altele a crescut. Pasta de lipit fiind aceeasi, conditiile de lucru fiind similare, produsele gazoase rezultate in urma procesului se presupun a fi aceleasi. Singura necunoscuta o constituie materialul ballului. Dar despre materialul ballurilor nu toti producatorii diferitelor BGA-uri ofera suficiente informatii. BGA-urile declarate lead-free au ballurile din aliaj SAC305, fata de cele ne-ecologice, la care sunt din 63Sn/37Pb. Dintre potentialele cauze ale producerii multi-voidurilor, oxidarea fiind exclusa in cazul utilizarii azotului, mai raman únele forme de reactii intermetalice si probleme de constructie a cablajului imprimat.

In cazul unui cablaj care a fost introdus in productie la inceputul acestui an, au fost lipite cinci tipuri diferite de BGA realizate in tehnologie fara plumb si patru BGA identice realizate in tehnologie cu plumb. Rezultatele au fost foarte proaste: la un lot de 50 de cablaje si 200 BGA cu plumb inspectate 25% din cablaje si 10.6% din BGA-urile cu plumb prezentau defecte, defectul principal fiind voiduri cu procent de peste 25%. Rezultatele atat de contradictorii obtinute in cazul celor 12 BGA-uri de pe placile care au facut obiectul acestui studiu conduc la privirea cu rezerva a informatiilor puse la dispozitie de unii producatori. Pe de alta parte, potrivit unei comunicari [4] facuta in anul 2003, tipul de finisare a padurilor afecteaza aparitia voidurilor, iar din acest punct de vedere acoperirea cu aur (Electro-less Nickel/Immersion Gold –ENIG), cazul placii pe care s-a efectuat studiul nostru, este una din cele mai favorizante, conform grafului din figura 2.9, atat pentru procentul total de voiduri, cat si pentru cele mai mari voiduri singulare. O companie specializata in asamblarea placilor de cablaj imprimat, nu totdeauna poate actiona asupra tuturor parametrilor pentru a obtine un proces tehnologic ideal; unii clieneti aduc ei insisi placile si componentele electronice, proiectarea cablajelor nu este totdeauna in spiritul Design For Manufacturing; ea trebuie totusi sa-si ia toate masurile pentru a realiza un proces optim.

Fig.2.9. Influenta finisarii asupra formarii voidurilor

O alta concluzie rezultata din cele doua experiente descrise mai sus este aceea ca voidurile nu sunt specifice tehnologiei fara plumb, a aliajului SAC, ci si celorlalte tipuri de materiale de lipire (SnPb), din moment ce ele sunt produse de reactiile ingredientelor din fluxuri si paste si de timpul redus pe care il au ca sa se degaje. Dar pot fi favorizate de parametri ai cablajului si al componentelor (finisarea suprafetelor, dimensiunea padurilor, oxizidarea si contaminarea suprafetelor).

Asertiunea ca la lipirea BGA in atmosfera de azot este mai sigura nu poate fi sustinuta decat poate pe termen lung, pe baza unor studii de fiabilitate.

In consecinta, utilizarea azotului la lipirea prin retopire a capsulelor BGA nu este indispensabila. Pentru reducerea voidurilor trebuie actionat in trei directii: pasta de lipit (aici este sarcina chimistilor), materialul de baza al cablajului imprimat (aici este sarcina producatorilor de cablaje) si profilul de lipire (aici este sarcina utilizatorilor de tehnologii de lipire).

In situatia placii de cablaj cu cele 12 BGA-uri consumul estimat de azot lichefiat este de 1.17m³/cartela. Luand in considerare un pret de 0.21 €/m³ de azot lichefiat, rezulta 0.246 € cost suplimentar pentru acest tip de placa datorat lipirii in atmosfera de azot.

Utilizarea azotului se justifica atunci cand pe placa mai exista si alte componente SMD, pentru ca indepartand oxigenul din incinta se reducere oxidarea padurilor, a particulelor de aliaj si a terminalelor componentelor. Aceste beneficii sunt masurabile prin reducerea defectelor detectate la inspectia vizuala si electrica.

3. Utilizarea azotului in procesul de lipire la val (wave soldering)

3.1. Analiza optiunilor de dotare cu echipamente

Exista mai multe optiuni pentru echipamente de lipire la val in atmosfera de azot.

Prima a fost achizitionarea unui echipament de noua generatie fabricat special pentru a lucra cu azot. Traseul pe care il parcurge ansamblul placa de cablaj imprimat echipata cu componente este aproape complet izolat de mediul inconjurator printr-un tunel. Astfel se pot atinge nivele de oxigen rezidual (residual oxygen level - ROL) de pana la 200ppm. Masinile incapsulate prevazute cu elemente de blocare a aerului la intrare si iesire pot atinge ROL sub 20ppm in mod curent si chiar 5ppm. Schema tunelului cu azot este prezentata in figura 3.1.

A doua optiune, mai ieftina, a fost adaptarea masinilor existente cu tunele sau hornuri. INTRAROM a optat pentru aceasta solutie. La intrarea si iesirea de pe masina au fost prevazute cortine flexibile care impiedica schimbul de gaze intre interior si mediu. Azotul sub forma de gaz adus prin conducte la un cadru plasat la baia de aliaj este injectat sub placa de cablaj imprimat echipata. Totusi, la o astfel de masina, este foarte dificil de a stabiliza procesul de lipire, deoarece cantitati importante de oxigen pot ajunge la valul de aliaj incins cand placile de cablaj sunt admise in incinta sau cand sunt scoase dupa trecerea la val. In figura 3.2, se prezinta schematic metoda de injectie a azotului observandu-se ca sub placile de cablaj se formeaza o atmosfera de azot, astfel ca lipirea se executa fara prezenta oxigenului.

Fig. 3.1. Schema tunelului cu azot la un echipament de lipire la val de noua generatie

In timpul fazei de preincazire azotul previne oxidarea suprafetei metalelor. Ca o regula general acceptata, oxidarea se dubleaza pentru fiecare 10 ˚K de crestere a temperaturii. La lipirea in val folosirea gazului inert permite folosirea de fluxuri mai putin active, in particular a celor pe baza de CFC.

Fig. 3.2. Schema metodei de injectie a azotului

Desi se previziona de mai multa vreme ca procesul de lipire la val va fi eliminat, aceasta tehnica continua sa-si gaseasca aplicabilitate. Nu numai continua existenta a componentelor prin gaura (thru-hole), in special a conectorilor si componentelor de putere, dar chiar componente SMD plantate pe partea inferioara a placilor de cablaj imprimat, precum si costurile de productie mai scazute ale tehnologiei, fac din lipirea la val un proces inca viabil. Procesul insusi a beneficiat de multe inovari care au imbunatatit considerabil vechiul procedeu inventat de R.S. Strauss (Marea Britanie) in 1952. INTRAROM SA are o productie permanenta de echipamente din domeniul telecomunicatiilor in care cererea de produse este in continua crestere. Dispunand de linii de asamblare SMT, are in dotare si doua echipamente de lipire la val si un personal implicat in procesul de productie de peste 200 de angajati. Orientarea catre piata externa unde competitia intensa a dus la scaderea preturilor pentru echipamentele de telecomunicatii a determinat compania sa ia masuri de reducere a timpului de livrare pe piata a produsului si de reducere a costurilor de productie. Acest lucru s-a realizat printr-o permanenta activitate inovativa.

In cadrul instalatiei de lipire la val inovarile au vizat aplicarea fluxului prin pulverizare, introducerea unor zone de preincalzire, care au fost prezentate in cadrul fazei anterioare a proiectului si introducerea azotului, care este prezentata in continuare.

Desi se previziona de mai multa vreme ca procesul de lipire la val va fi eliminat, aceasta tehnica continua sa-si gaseasca aplicabilitate. Nu numai continua existenta a componentelor prin gaura (thru-hole), in special a conectorilor si componentelor de putere, dar chiar componente SMD plantate pe partea inferioara a placilor de cablaj imprimat, precum si costurile de productie mai scazute ale tehnologiei, fac din lipirea la val un proces inca viabil. Procesul insusi a beneficiat de multe inovari care au imbunatatit considerabil vechiul procedeu inventat de R.S. Strauss (Marea Britanie) in 1952. INTRAROM SA are o productie permanenta de echipamente din domeniul telecomunicatiilor in care cererea de produse este in continua crestere. Dispunand de linii de asamblare SMT, are in dotare si doua echipamente de lipire la val si un personal implicat in procesul de productie de peste 200 de angajati. Orientarea catre piata externa unde competitia intensa a dus la scaderea preturilor pentru echipamentele de telecomunicatii a determinat compania sa ia masuri de reducere a timpului de livrare pe piata a produsului si de reducere a costurilor de productie. Acest lucru s-a realizat printr-o permanenta activitate inovativa.

In cadrul instalatiei de lipire la val inovarile au vizat aplicarea fluxului prin pulverizare, introducerea unor zone de preincalzire, care au fost prezentate in cadrul fazei anterioare a proiectului si introducerea azotului, care este prezentata in continuare.

3.2. Rezultate experimentale privind utilizarea azotului in procesul de lipire la val

In ultimii ani dependenta ratei de defectari datorate nivelului ridicat de oxigen existent in mediul ambiant a facut obiectul a numeroase studii. Reducerea numarului de defecte prin utilizarea azotului depinde de un mare numar de parametri: profil, finisarea cablajului, nivel ROL, s.a..

Dupa un an de experienta in asamblarea cablajelor imprimate prin lipire la val s-a constatat ca trecerea de la lipirea in mediul ambiant la mediul cu azot a fost benéfica, iar operatorii de la linie sunt mai putin expusi bolilor profesionale cauzate de expunerea la materiale continand plumb.

• Efectul asupra formarii zgurei

Zgura (fig.3.3.) este constituita in rezidurile care se aduna la suprafata baii de lipit. Ea consta in principal din aliaj, oxizi ai metalelor utilizate si substante rezultate prin arderea fluxului. Zgura se formeaza atunci cand aliajul de lipit topit aflat la suprafata baii vine in contact cu oxigenul din mediul ambiant. Desi o pelicula fina de zgura este chiar benefica deoarece protejeaza aliajul topit din baie prin incetinirea oxidarii, o acumulare mai mare de zgura este in detrimentul procesului. Formarea zgurei este mai greu de cuantizat, deoarece sunt mai multi factori care contribuie la cantitatea de zgura formata: numarul de valuri, inaltimea valului, turbulenta valurilor, numarul de cablaje trecute prin val, numarul de componente lipite, tipul de flux utilizat, temperatura de lipire, calitatea aliajului de lipit. Pe de alta parte, exista diferentieri in determinarea cantitatii de zgura in functie de tehnica de separare a acesteia de metalul propriu-zis - mecanica, chimica, sau fara separare. In acest ultim caz zgura poate contine pana la 90% metal reutilizabil. Atmosfera de azot permite reducerea cantitatii de zgura rezultata din proces in princial.

Fig. 3.3. Zgura colectata de la lipirea la val Fig. 3.4. Productia medie de zgura

Cel mai important rezultat la lipirea la val in atmosfera de azot, este scaderea producerii de zgura. Acest lucru a fost evident la liniile de lipire la val din INTRAROM atunci cand s-a facut analiza cantitatii de zgura predata in ultimile 7 luni (Tabel 3.). In cadrul companiei nu exista o tehnologie de separare a zgurei de metal.

Tabel 3: Cantitatea de zgura predata

Dupa mai mult de 2000 de ore de functionare s-a ajuns la o productie medie de zgura de circa 0.36 Kg/h la utilizarea azotului la lipirea la val cu aliaje fara plumb, respectiv 0.44 Kg/h pentru aliaj SnPb (figura 3.4.). Reducerea cantitatii de zgura inseamna o folosire mai eficienta a aliajului de lipit.

Desigur ca aceste valori sunt dependente de incarcarea productiei, de dimensiunile cablajelor care au fost lipite si daca a fost folosit val turbulent. Intreruperea intermitenta a valului are si ea un efect semnificativ. Datele de mai sus sunt o masura a cantitatii de zgura colectate in timpul procesului de curatire. Daca se compara cu datele pentru lipire la val in mediul ambiant (2.08 kg/h) rezulta ca formarea zgurei a fost redusa cu circa 79% (aceste valori sunt pentru lipirea cu aliaj SnPb, deoarece lipirea fara plumb la INTRAROM s-a facut intotdeauna numai cu azot, nu avem termeni de comparatie pentru situatia lipirii in mediul ambiant). Desi este o analiza bruta a fenomenului el confirma efectul pozitiv al utilizarii azotului la lipirea la val.

• Efectul asupra mentenantei echipamentului

Mentenanta unei bai de lipire la val este foarte consumatoare de timp. Zgura trebuie indepartata frecvent pentru a asigura buna functionare a pompelor si performanta valurilor pentru un proces de lipire eficient. O reducere a productiei de zgura necesita o mentenanta mai redusa si intreruperea functionarii liniei de mai putine ori, ceea ce duce la un volum al productiei mai mare.

Inainte de introducerea azotului operatia de curatire se facea de 4-5 ori pe zi, in ore insemnand circa 2-2.5 ore dintr-o zi. Dupa introducerea azotului s-a constatat ca este suficienta o singura interventie pe zi (circa 30 de minute). Rezulta un important castig in ore pentru productie. Introducerea tuburilor (nozzle) de la capatul conductelor pentru azot nu au crea probleme deosebite pentru echipa de intretinere. Ele pot fi indepartate si reinstalate rapid cand e necesar. In concluzie, costurile pentru mentenanta echipamentului s-au redus.

Efectul asupra calitatii lipiturilor

Dupa cum studiile au aratat, lipirea in atmosfera de azot modifica doi parametrii importanti care afecteaza calitatea lipiturilor la val:

- eliminarea oxidarea metalelor, care se confirma, precum s-a aratat mai sus, prin drastica reducere a zgurei si reducerea cheltuielilor de intretinere. Zgura poate induce defecte iar oxizii pot face ca lipiturile sa fie proaste.

- cresterea tensiunii superficiale a valului de aliaj topit si cresterea fortelor de umezire. Acest lucru se confirma prin  faptul ca defectele datorate problemelor de umezire au scazut considerabil. Echipele de test au raportat ca forma lipiturilor s-a imbunatatit, scurtcircuitele intre lipituri au scazut, ceea ce a dus la o activitate de reparare mai scazuta. In concluzie, costurile pentru reparatii s-au diminuat.

Efectul asupra fluxului

Fluxul este folosit pentru a indeparta particulele contaminante (in principal oxizi) de pe pinii componentelor si de pe paduri, precum si de a reduce tensiunea superficiala a aliajului de lipit. Dupa lipire fluxul trebuie indepartat. Utilizarea azotului a eliminat necesitatea folosirii fluxurilor agresive precum si a fazelor de curatare. Tendinta este de utilizare a fluxurilor mai putin active. Un astfel de produs este Alpha NR330 VOC-Free No-Clean Flux, care contine 4.0% solide si este destinat aplicarii sub forma de spray. Prezinta o tendinta foarte mica de formare a bilelor de aliaj comparativ cu produse similare care nu contin compusi organici volatili (VOC).

• Concluzii privind utilizarea azotului in procesul de lipire la val

Efectul introducerii azotului la procesul tehnologic de lipire la val este, pe de o parte,  acela de obtinere a unei tehnologii ecologice, de reducere a reziduurilor agresive pentru mediul inconjurator, iar pe de alta parte, de obtinere a unor economii prin reducerea unor costuri (materiale, manopera), care insa se balanseaza cu cheltuielile pentru azot.

Tehnologie ecologica inseamna insa si acordarea unei atentii sporite produselor gazoase rezultate in urma proceselor de lipire. Scaderea reziduurilor solide se face pe seama cresterii reziduurilor gazoase. Toate masinile de asamblare din INTRAROM, fie ca sunt linii de lipire la val, in atmosfera de vapori sau IR, sunt dótate cu echipamente de captare a gazelor (hornuri, ventilatoare, tuburi) si filtre.