Flux non è affascinante. Non ottiene il credito che merita nelle conversazioni sulla produzione elettronica, messo in ombra dalle discussioni sulle leghe di saldatura, sui profili di rifusione e sulla precisione del posizionamento dei componenti. Tuttavia, senza flusso, nessuna di queste conversazioni avrebbe importanza-la tua saldatura non si attaccherebbe a nulla.
La chimica è semplice sulla carta: il flusso rimuove gli ossidi metallici attraverso la riduzione chimica, consentendo alla saldatura fusa di entrare effettivamente in contatto con il metallo di base sottostante. Il rame si ossida nell'aria. Lo stesso vale per lo stagno. Lo stesso vale per l'argento. Quello strato di ossido invisibile-a volte spesso solo nanometri-è sufficiente per impedire completamente il legame metallurgico. Il flusso lo dissolve.
Il problema della bagnatura di cui nessuno parla
Ecco cosa spesso i libri di testo saltano.
La tensione superficiale nella saldatura fusa è notevolmente elevata. Circa 400-500 mN/m per la maggior parte delle leghe senza piombo-. Senza l'intervento del flusso, una goccia di saldatura si formerà su una piastra di rame come l'acqua su un angolo di contatto di un'auto cerata superiore a 90 gradi, zero diffusione, zero legame.
Flux cambia questo in due modi. Quello ovvio: rimozione dell'ossido. Quello meno ovvio: modifica effettivamente la tensione interfacciale tra saldatura e substrato durante la breve finestra in cui tutto è fuso. Questo è il motivo per cui la tempistica dell’attività del flusso è così importante. Applicare troppo presto, brucia. Troppo tardi, gli ossidi si sono già riformati.
Ho visto ingegneri ossessionarsi sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle della pasta saldante ignorando completamente la reologia del flusso. Priorità all'indietro.
Una breve storia (più o meno)
Gli antichi metalmeccanici usavano il sale ammoniacale. I gioiellieri medievali preferivano il borace. Entrambi funzionavano, entrambi lasciavano residui corrosivi che avrebbero distrutto l'elettronica in pochi giorni.
L'era della colofonia ha cambiato tutto per quanto riguarda i lavori elettrici. La resina del pino-chimicamente, una miscela di acido abietico e relativi acidi diterpenici-ha fornito un'attività appena sufficiente per rimuovere gli ossidi leggeri senza la corrosione aggressiva degli acidi inorganici. Il flusso RMA (colofonia leggermente attivata) è diventato lo standard del settore per decenni.
Poi è arrivata la RoHS.
La transizione-libera di Lead ha reso più difficile la chimica dei flussi
L'eutettico di stagno-piombo fonde a 183 gradi. SAC305 (l'alternativa dominante senza piombo-) fonde a 217-220 gradi. Quella differenza di 35 gradi non sembra drammatica finché non ti rendi conto che l'attivazione del flusso dipende dalla temperatura. L'intera finestra termica si sposta.
Temperature più elevate significano:
Degradazione del flusso più rapida
Formazione di ossido più aggressiva durante il riflusso
Finestre di processo più ristrette
I chimici del flusso hanno dovuto riformulare tutto. Attivatori più forti. Migliore stabilità termica. Modificatori reologici più sofisticati per mantenere le prestazioni di stampa.
Alcune aziende hanno sbagliato questa transizione e hanno trascorso anni a rincorrere difetti irreversibili e fallimenti-headin-pillow. Il problema raramente era la saldatura-era la scelta del flusso.
No-Pulito: ha vinto l'economia
La moderna produzione elettronica si basa quasi interamente su sistemi non-a flusso pulito. La logica è semplice: la pulizia post-saldatura costa denaro, utilizza solventi (problemi ambientali), rischia di danneggiare i componenti a causa dell'ingresso di umidità e aggiunge fasi del processo.
Nessun-flussante pulito lascia residui benigni. "Benigno" significa non-corrosivo, non-conduttivo ed esteticamente accettabile. Se questi residui siano veramente inerti per una durata di vita del prodotto di 20-anni in condizioni di umidità e cicli termici, il discorso è più lungo.
Il settore militare e quello aerospaziale sono ancora puliti. Dispositivi medici, soprattutto. Elettronica di consumo? Nessuno pulisce più.
I residui di flusso che vedi sulla scheda madre del tuo laptop non sono un difetto. E' intenzionale.
Flusso solubile in acqua-: quando è davvero necessaria l'aggressività
Alcune applicazioni richiedono una chimica più forte. Forte contaminazione da ossido. Superfici difficili da saldare--. Componenti più vecchi con saldabilità degradata.
I flussi-solubili in acqua (OA) utilizzano acidi organici-adipico, succinico e citrico-che corroderebbero le tracce di rame in poche settimane se lasciati sul gruppo. La pulizia non è facoltativa qui. È obbligatorio.
La pulizia stessa introduce variabili. Qualità dell'acqua DI. Temperatura di lavaggio. Concentrazione di saponificatore. Completezza dell'asciugatura. Ho visto linee di produzione superare i test elettrici ma fallire sul campo perché la contaminazione ionica non è stata completamente rimossa. Le specifiche di pulizia dicevano<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.
Le specifiche esistono per ragioni.
Sistemi di classificazione dei flussi (la parte confusa)
IPC J-STD-004 definisce la classificazione del flusso. La convenzione di denominazione ha senso una volta decodificata:
ROL0= Colofonia, bassa attività, senza alogenuriREL1= Resina, Bassa attività, contiene alogenuriORH0= Organico, ad alta attività, senza alogenuri
Il sistema classifica in base al flusso base (RO/RE/OR/IN), al livello di attività (L/M/H) e al contenuto di alogenuri (0/1).
Gli alogenuri aumentano significativamente l'attività. Soprattutto i cloruri. Ma i residui di alogenuri sollevano problemi di corrosione-da qui la distinzione 0/1 che conta per l'affidabilità-delle applicazioni critiche.
La maggior parte delle paste non-pulite sono ROL0 o REL0. Solubile in acqua-tipicamente ORH1. La classificazione guida i criteri di ispezione e i requisiti di pulizia IPC-A-610.
Saldatura selettiva e onda: diverse esigenze di flusso
Il flusso di saldatura ad onda subisce sollecitazioni diverse rispetto al riflusso. Esposizione termica più lunga. Contatto diretto con l'onda di saldatura fusa. Requisiti di rifornimento continuo.
I flussanti spray depositano rivestimenti sottili e uniformi. I flussanti in schiuma creano bolle che entrano in contatto con la parte inferiore del pannello. Ciascun approccio richiede viscosità del flusso, contenuto di solidi e caratteristiche di schiuma diverse.
La saldatura selettiva aggiunge complessità-il riscaldamento localizzato implica gradienti di temperatura nell'assieme. Il flusso pre-applicato ad aree specifiche deve sopravvivere al transitorio termico ai componenti vicini saldati in sequenza.
Il punto: il "flusso" non è monolitico. Il flusso d'onda e il flusso di pasta SMT potrebbero condividere principi chimici ma sono prodotti diversi per processi diversi.
Cosa succede realmente a livello molecolare
Quando l'acido abietico entra in contatto con l'ossido di rame a temperatura elevata, riduce Cu²⁺ a rame metallico formando abietato di rame. Questo prodotto di reazione è solubile nel veicolo del flusso, portando via l'ossido dall'interfaccia.
Allo stesso tempo, il flusso abbassa l'energia superficiale sia della saldatura che del substrato, riducendo l'angolo di contatto. Procede la bagnatura. Inizialmente inizia la formazione del composto intermetallico-Cu₆Sn₅, Cu₃Sn si sviluppa nel tempo attraverso la diffusione allo stato solido-.
Lo strato IMC è il legame vero e proprio. Non interblocco meccanico. Non adesione. Legame metallurgico mediante formazione intermetallica. Il flusso consente ciò fornendo una superficie di rame pulita affinché la reazione possa iniziare.
Flusso troppo debole: rimozione incompleta dell'ossido, dewetting, difetti di non bagnatura. Flusso troppo forte: residuo in eccesso, potenziale corrosione, sottosquadro della maschera di saldatura.
Azoto e perché non sostituisce il flusso
L'inertizzazione dell'azoto riduce l'ossidazione durante il riflusso. Alcuni produttori ritengono che ciò significhi poter ridurre l'attività del flusso.
Tecnicamente possibile. Praticamente pericoloso.
L'azoto rallenta la formazione di ossido. Non rimuove gli ossidi esistenti. Componenti e schede arrivano con strati di ossido già presenti. La pasta saldante si trova negli stampini, esposta all'aria durante la stampa. La coltre di azoto durante il riflusso è troppo tardi per quegli ossidi.
Bassi-flussi residui nelle atmosfere di azoto possono funzionare magnificamente-o fallire in modo catastrofico. La finestra del processo si restringe. Il margine evapora.
Nella maggior parte degli ambienti di produzione l'azoto viene utilizzato come ulteriore fattore di sicurezza e non come sostituto del flusso.
Formazione del vuoto e flussi volatili
Grandi vuoti sotto le sfere BGA o i cuscinetti centrali QFN spesso risalgono a sostanze volatili del flusso che rimangono intrappolate.
Il fondente contiene solventi. I solventi evaporano durante il preriscaldamento. Se il profilo di rifusione aumenta troppo rapidamente, il vapore del solvente non ha alcuna via di fuga prima che la saldatura si solidifichi. Vuoto.
Se l'attivazione del flusso genera sottoprodotti gassosi (alcune formulazioni lo fanno), stesso problema. Vuoto.
La relazione tra la chimica del flusso, la distribuzione delle dimensioni delle particelle, il profilo di riflusso e i tassi di vuoto è abbastanza complessa da richiedere ai produttori mesi di ottimizzazione. Non esiste una soluzione universale-è specifica per l'incollaggio-specifica per la scheda-specifica per il componente-specifica.
Quando qualcuno ti dice che il suo "profilo ottimizzato" realizza<10% voiding, ask what paste they're using. The profile is half the equation.
La linea di fondo
La saldatura a flusso "cambia tutto" perché senza di essa, la produzione elettronica assomiglierebbe ancora al lavoro manuale di gioielleria-artigiani qualificati-che puliscono a mano le superfici con acidi,-applicano manualmente la saldatura un giunto alla volta, quindi-puliscono manualmente i residui.
La moderna tecnologia a montaggio superficiale elabora migliaia di giunti al minuto perché il flusso è formulato con precisione, depositato in modo coerente e attivato termicamente in modi prevedibili. La chimica è matura ma non semplice. Le interazioni tra flusso, lega, substrato, atmosfera e profilo termico sono problemi di ottimizzazione a più-variabili.
Gli ingegneri che trattano il flusso come un ripensamento si bruciano. A volte letteralmente, quando i guasti sul campo-indotti dalla corrosione fanno salire alle stelle i costi di garanzia.
Il flusso non è entusiasmante. È essenziale. Questo è diverso.
