Lehimin elek ömrü ve ideal ısıl profilini tahmin etmek

İleri termo-gravimetrik analiz sonuçları (Kasım2009 IPC awarded)

Krem lehim metal parçacıkları ve çoklu polimer biyollerin (basit değiştirilmiş ağaç reçinesiden iri moloküllü ağır reçinelere ve çözücülere kadar değişik malzemeler içerebilen) karmaşık bir birleşimidir. Ayrıca akışkanlığı artırıcı ilaveleri de içerir.

Tüm eklentiler özetle aşağıdaki işlevler içindir:

Karışımın homojenliğini sağlamak,

Oksidasyonu önlemek,

Serigrafi işleminde akışkanlığı temin etmek,

Serigrafi sonrası lehim tozcuklarını elek üzerinde uygulanmış noktalarda tutmak,

SMD dizgide yerleştirilen malzemeleri fırın öncesinde yerinde tutmak,

Reflow aşamasında malzemenin kendiliğinden merkezlenmesine olanak tanımak,

Yüzey ve malzemenin re-okside olmasını engelleyerek reflow sürecinde iyi yapışmasını sağlamak,

Reflow sonrası eklem noktalarının konrollü soğumasına yardımcı olmak.

Yukarıdaki gereksinim listesi birtakım çelişkili özelliklerin de birarada olmasını getirmektedir.

Katılan çözücülerin oda sıcaklığında bile buharlaşması nedeniyle -ki bu krem lehimin yapısını bozmakta ve lehim başarımını düşürmektedir-; en iyi başarım, ancak birtakım değişik eklentilerin belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilebilmektedir.

Serigrafi öncesi krem lehim ömrü

Lehim serigrafi makinesine konmadan önce onun ömür sürecinin kritik bir çevrim olduğu bilinmelidir. Üretiminden itibaren saklanma ve taşınma işlemleri gereken sıcaklık ve nem koşullarında yapılmalıdır. Bu dokümanda lehimin serigrafi makinesine gelinceye kadarki koşullarının, üreticinin önerdiğine uygun olduğu varsayılmaktadır.

Lehim üretim için kullanılacağından 24 saat önce buzdolabından çıkartılmalı ve çalışma ortamına getirilmelidir.

Lehim, eğer elek üzerinde 8 saatten fazla kalabilecek ve ortam koşulları normalin üzerindeyse ( sıcak ve esintili ), seçilen krem lehimin çözücülerinin çok zor buharlaşan cinsten olması aşırı önem kazanır. Ne yazık ki flux yapımı için ideal bir evrensel çözücü/solvent yoktur.

Kremin akışkanlığına etkenler

Krem lehimin elek üzerinde kurumasının çeşitli nedenleri vardır.

Uçucu çözücülerin buharlaşması,

Aşırı ortam koşulları, örneğin;

sıcaklık, nem, hava akımı ve oda sıcaklığında flux etkinliğinin artışıdır.

Sözedilen koşulların parametrik alınarak yapılan termo-gravimetrik analizler sonucu;

0.05P'den küçük buharlaşma etkisi için;

esintisiz ortam,

25 derece C sıcaklık ( her halukarda sıcaklık 32 C'i geçmemelidir)

krem lehimin 100mm/sn ortalama süpürme hızı ile yuvarlanması

koşulların sağlanması gerekmiştir.

Piyasada mevcut krem lehimler arasında yapılan karşılaştırmalı analizlerde; normal çalışma ortamında 48 saate kadar uzatılan testlerde, test sınırının 4 kat üstünde (en düşük en yüksek arasındaki farkın da 8 kat olduğu) sonuçlar ölçümlenmiştir.

Serigrafi işlemi etkenleri

Krem lehim karışımında elastik ve akışkan içerik vardır. Başka bir deyişle hem esneyen hem de akışkan özellikler gösterir. Bu iki özelliğin oranı çok önemlidir ve “Damping faktör” /söndürme faktörü olarak adlandırılır.

Elastisite/esneklik özelliği baskın olmalıdır, başka bir ifadeyle tanjantı <1 olmalıdır.

Yüksek esneklik; eleğin PCB'den ayrılmasına ve bıçağın kaymasına direnç,

bıçakta lehim sarkıtları oluşması, süpürme hızını sınırlama ve kayma eğimine etkiler oluşturacaktır.

Akışkanlık ise bası ve süpürme üzerinde etken olacaktır.

Düşük esneklik ise elek takılmalarına yol açacaktır.

Yapışkanlık etkisi

Kuruyan lehimin yapışkanlık üzerinde önemli etkisi vardır. Dizgi aşamasına sorunsuz geçişte malzemenin PCB üzerinde durabilmesi için gereken asgari yapışkanlık üzerinde birçok parametre etkendir. Bunlar;

yetersiz miktarda lehim,

kartın taşınması (ivmesi),

kart destekleri (bükülmeye karşı),

lehimin kendi yapışkanlığı.

Bu konu özel öneme sahiptir çünkü serigrafiden sonra dizgi yapılıncaya kadar nekadar bekletme süresinin mümkün olduğunu belirler. Bu da küçük ve orta ölçekte batch iş yapılmasında önemlidir.

Denemeler göstermiştir ki bazılarında 72 saate kadar çıkabilmekle birlikte çoğu krem lehimler yapışkanlık özelliklerini 48 saat içerisinde kaybetmektedirler.

Bu sonucun da (yapışkanlığın azalmasının) krem lehim içeriğinde nekadar çok buharlaşan çözücü konduğuyla bir ilgisinin olmadığı görülmüştür.

Reflow lehimleme etkisi

Reflow süreci hava veya azotlu ortamda yapılabilir. Azot (Nitrojen), oksidasyonu engellediğinden tercih nedenidir.

Kabul edilen iki eğilim vardır: Normal havada ve inert(azotlu) ortamda reflow işlemi.

Birinci aşamada (ön ısıtma) krem lehimdeki buharlaşma oda koşullarındakine nazaran hızlıdır. Isıl sürecin tepe aşamasında (>170 derece C) buharlaşma biraz daha artar.

Inert (azotlu) koşullarda ise bu buharlaşma daha da hızlıdır.

Oksidasyon her iki yöntemde de açık bir etkiye sahiptir.

Görülmüştür ki azotsuz ve azotlu ortamdaki profiller arasındaki fark, 170 derce C'e gelinceye kadar (%0.27) çok azdır.

Oksidasyon 170 derece C'e geldiğinde başlar ve lehimin ergime derecesine (Üretici bağımlı olmakla birlikte ortalama; Kurşunlu 183C, kurşunsuz 217C) kadar fark artarak sürer. Profil sonunda azotsuz reflow'da azotluya göre %0.33 daha fazla curuf kalır.

Son deneyde ise buharlaşmanın lehimleyebilme üzerindeki etkisi; oksitten arındırılmış ve bakır yüzey üzerine krem lehim tatbiki ve hava ortamında reflow işlemi sonunda mikroskopla ölçme şeklinde incelenmiş ve IPC-TM-650 method 2.4.45'de yayımlanmıştır.

Çıkartımlar:

1- Tüm malzemeler; sıcaklık, toz, nem, oksidasyon açısından, kullanım öncesi ve sırasında, uygun koşullarda saklanmalı, tutulmalıdır.

2- Lehim kullanımdan 24 saat önce çalışma ortamına alınmalıdır.

3- Serigrafide 8 saati aşmamalı ve en fazla 1 saatlik aralıklarla taze lehim ekleyerek uçucuların oranı gün boyu korunmalıdır.

4- Ortam 24C derece, %70 nemde, tozsuz ve esintisiz olmalıdır.

5- Serigrafide 10cm/sn civarında süpürme hızı, azami 1cm rulo çapı ve süpürme açısı korunmalıdır.

6- Kullanılan lehimin damping faktörü <1 olmalıdır.

7- Toplu (batch) işlem yapılıyorsa serigrafiden fırınlama işlemine kadar geçen süre 24 saati aşmamalıdır.

8- Isıl profil, güncel bilgilerle ve izlenerek yapılmalı, üretici ve IPC tavsiyeleri ışığında ve yerel koşullar dikkate alınarak kontrol altında tutulmalıdır.