Cyna do lutowania - czym jest i jaką wybrać?

Lutowanie miękkie – czyli proces trwałego łączenia dwóch elementów metalowych za pomocą specjalnego stopu na bazie cyny, rozgrzanego do płynnej postaci – został z powodzeniem zaadaptowany do branży elektronicznej i to już na samym początku jej istnienia. Obecnie nie znamy żadnej innej techniki montażu układów elektronicznych (rzecz jasna z wyjątkiem budowy „tymczasowych” prototypów przy użyciu płytek stykowych), która nie wykorzystywałaby którejś z odmian lutowania miękkiego. Niezależnie od zastosowanej technologii, dobór właściwego lutowia ma fundamentalne znaczenie dla niezawodności urządzenia – źle dobrany stop może nie tylko utrudnić lub wręcz uniemożliwić montaż, ale także narazić wrażliwe elementy elektroniczne (np. czujniki, podzespoły optoelektroniczne czy też wszelkiego rodzaju układy scalone) na przegrzanie. Dziś przyjrzymy się dostępnym na rynku rodzajom lutowia i podamy garść praktycznych porad dotyczących ich zastosowania w codziennej pracy elektronika.

Cyna lutownicza – skład i właściwości fizyczne na przykładzie stopu ołowiowego

Poznanie i dogłębne zrozumienie składu oraz parametrów cyny lutowniczej, a więc także wynikających z nich właściwości fizycznych, jest w istocie kluczem do nabycia umiejętności prawidłowego montażu i demontażu dowolnych układów elektronicznych. I choć praktyczne doświadczenie oraz zdolności manualne elektronika są także niezwykle ważne, to bez wiedzy na temat technicznych aspektów lutowania, nawet najbardziej precyzyjni monterzy mogą polec z kretesem w najmniej oczekiwanym momencie.

Pojęcie „cyna” w odniesieniu do lutowia, stosowanego w elektronice, jest rzecz jasna pewnym uproszczeniem. W rzeczywistości każde lutowie to stop cyny oraz domieszek innych metali, modyfikujących parametry termiczne oraz inne właściwości fizyczne wynikowego materiału. Dawniej cyna lutownicza bazowała niemal wyłącznie na stopie Sn60Pb40, który składał się w 60% z cyny (Sn) i w 40% z ołowiu (Pb). Ten rodzaj lutowia był niegdyś standardem we wszystkich branżach elektroniki, a o jego szerokich zastosowaniach decydowały bardzo korzystne właściwości, takie jak przewidywalny, stabilny punkt topnienia (w zakresie 183...190^oC), łatwość lutowania oraz – co także niezwykle ważne – odporność na dość szeroki zakres temperatur pracy (zwłaszcza w dolnym zakresie, tj. w temperaturach poniżej zera, co predestynowało “cynę ołowiową” do zastosowań militarnych, kosmicznych czy też kriogenicznych). Stop Sn60Pb40 ma jeszcze jedną, ogromną zaletę – poprawnie wykonane luty prezentują piękną, błyszczącą (wręcz lustrzaną) powierzchnię, zaś luty przegrzane lub uszkodzone z innego powodu (np. utworzone przy braku lub niewystarczającej ilości topnika) wyglądają zupełnie inaczej – są matowe (bądź chropowate), a co za tym idzie – łatwe do zauważenia nawet gołym okiem. Ta cecha sprawiała, że układy montowane seryjnie na płytkach drukowanych mogły być poddawane szybkiej inspekcji wizualnej podczas kontroli jakości, choć nie da się ukryć, że możliwość łatwej oceny jakości punktów lutowniczych była nieocenionym ułatwieniem także podczas nauki montażu elementów THT i SMD.

Cyna bezołowiowa – ważny krok w stronę ekologii i zdrowia publicznego

Mimo że cyna ołowiowa typu Sn60Pb40 jest nadal szeroko stosowana (m.in. w serwisie czy też konstrukcjach amatorskich), konieczność zmniejszenia ekspozycji na ołów (ze względów zdrowotnych i środowiskowych, dyrektywą unijną RoHS wprowadzono istotne ograniczenia co do zawartości szkodliwych substancji w komponentach i stopach lutowniczych dla elektroniki) doprowadziła do rosnącego zainteresowania stopami bezołowiowymi. Przykładowo, stop SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5) - będący jednym z najpopularniejszych zamienników SN60Pb40 - ma punkt topnienia w zakresie pomiędzy 217 a 220 ^oC, a zatem wymaga ustawienia temperatury grota stacji lutowniczej przynajmniej o 30..40 ^oC wyżej w porównaniu do sytuacji, gdy pracujemy ze stopem ołowiowym. Wyższy punkt topnienia lutowia bezołowiowego wiąże się z koniecznością dostarczenia większej ilości energii cieplnej podczas procesu lutowania, co powinno być brane pod uwagę także podczas wyboru sprzętu – wszystkie produkowane obecnie stacje lutownicze oferują temperatury w zakresie do 350...400^oC, co wynika z faktu, iż praktyczna nastawa temperatury grota musi być znacznie wyższa od punktu topnienia stopu (w grę wchodzą bowiem straty ciepła, spowodowane przewodzeniem oraz - częściowo – promieniowaniem i konwekcją). Niestety, istotną wadą stopów bezołowiowych jest ich matowa powierzchnia, nawet w przypadku idealnie prawidłowych lutów. Z tego względu przy lutowaniu materiałami Pb-free tak ważne okazuje się dopilnowanie samego procesu montażu, tym bardziej, że wyższe temperatury grota utrudniają utrzymanie właściwej ilości topnika przez cały czas podgrzewania punktów lutowniczych.

Topnik w drucie, czyli… ukryta broń cyny lutowniczej

Każdy, kto choć raz próbował użyć cyny odzyskanej z wylutowywania do ponownego montażu elementów, doskonale zdaje sobie sprawę, że samo lutowie to jeszcze nie wszystko, czego potrzebujemy do “szczęścia” podczas pracy. Ogromne znaczenie ma jeszcze zastosowanie odpowiedniego topnika. Substancje takie działają w oparciu o redukcję tlenków, powstających na powierzchniach lutowanych podczas podgrzewania ich do wysokiej temperatury – zmniejszenie grubości niepożądanej powłoki utlenionego metalu umożliwia nie tylko lepszy przepływ ciepła, ale przede wszystkim poprawia przyczepność cyny. Topnik może być produkowany na bazie żywic roślinnych, takich jak kalafonia, a także rozmaitych kwasów organicznych lub innych substancji chemicznych (w tym tzw. aktywatorów).

Wybór rodzaju i postaci fizycznej topnika (płyn, żel, spray, pisak) zależy od rodzaju montowanych elementów, powierzchni, wybranej technologii montażu, a także jakości końcówek elementów elektronicznych oraz pokrycia padów na PCB. W niektórych sytuacjach konieczna jest także rezygnacja z procesu mycia płytek po procesie lutowania, co wynika chociażby z zastosowania czujników z niezabezpieczonymi otworami (jak ma to miejsce np. w przypadku sensorów ciśnienia, wilgotności, czy też niektórych czujników laserowych). Na szczęście, niemal każda cyna dostępna obecnie na rynku w postaci szpuli z nawiniętym drutem, posiada wewnętrzny rdzeń - cienki kanał, wypełniony topnikiem na bazie kalafonii. Dzięki temu lutowanie jest często możliwe nawet bez użycia dodatkowego topnika nakładanego “z zewnątrz” (np. w postaci żelu), choć w praktyce zwykle i tak stosujemy go aby poprawić lutowność i zapewnić wygodny montaż elementów o zróżnicowanej pojemności cieplnej (wpływającej bezpośrednio na czas, potrzeby do zlutowania danego punktu).

Nie tylko stop ma znaczenie – przegląd dostępnych wykonań lutowia dla elektroniki

Druty cynowe są dostępne w szerokim zakresie średnic, od bardzo cienkich (poniżej 0,5 mm) do grubych (1,5 mm, a nawet więcej). Wybór średnicy drutu jest podyktowany przede wszystkim rozmiarem montowanych elementów – grubsza cyna ułatwia montaż dużych złączy, przewodów czy też elementów przewlekanych, podczas gdy mniejsze średnice mogą zapewnić lepszą precyzję i kontrolę nad dozowaniem lutowia w przypadku ręcznego montażu drobnych elementów SMD (o rozmiarach poniżej 0805).

Cyna lutownicza jest również dostępna w postaci pasty lutowniczej i sztabek. Ta pierwsza składa się z drobnych cząstek cyny, zawieszonych w topniku o zwiększonej gęstości (żel) i znajduje zastosowanie w technologii montażu powierzchniowego (SMT), gdzie precyzyjne dozowanie i aplikacja cyny są krytyczne dla uzyskania poprawnych lutów, w szczególności w przypadku tak wymagających elementów, jak układy scalone w obudowach BGA, WLCSP czy QFN. Natomiast sztabki cyny, ze względu na swój większy rozmiar, są używane w lutowaniu na fali (stosowanym do seryjnego lutowania elementów THT, np. złączy na płytach głównych komputerów). Cyna w sztabkach może też być użyta do pobielania końcówek przewodów przy użyciu tygla lutowniczego.