A forrasztástechnika egyik ősi problémája: Az ionos szennyeződések

Rádai Sándor: A forrasztástechnika egyik ősi problémája: Az ionos szennyeződések

-1-

A forrasztástechnika egyik ősi problémája: Az ionos szennyeződések Írta: Rádai Sándor okl. gépészmérnök, szakértő, szaktanácsadó Az alábbi, főleg az ionos szennyezésekkel foglalkozó cikkemben – terjedelmi okokból – az olvasó részéről fel kell tételeznem némi kémiai és elektrokémiai ismeretet, de ezek csak a fontosabb fogalmakra és folyamatokra vonatkoznak. Ennek ellenére kénytelen vagyok néhol, nagyon vázlatosan, ezek magyarázatára is kitérni. Ezeket a szövegrészeket dőltbetűs szedéssel különböztetem meg a szöveg érdemi részeitől. Javaslom a témával mélyebben is foglalkozni kívánó t. Olvasónak, hogy egy kicsit – de legfeljebb csak középiskolai szinten - mélyedjen el a kémia és az elektrokémia ide vonatkozó alapismereteiben. Szennyeződés? Fémek lágyforrasztása során – az elektronikai szerelési műveletekben ez a legelterjedtebb kötésmód, - a gyakorlatban azt tapasztaljuk, hogy a forrasztást csak akkor sikerül könnyen, gyorsan, és szépen, főleg megbízhatóan elvégezni, ha a forrasztandó fémfelületeken nincs semmiféle idegen anyag, pl. fémoxid, szulfid, festék, olaj vagy zsiradék stb. Ilyenkor beszélhetünk fémtiszta felületek forrasztásáról. A felsorolt nemfémes anyagok a fémtiszta felület szempontjából szennyezőnek minősülnek, de ha ezeket eltávolítjuk a forrasztást megelőzően, akkor – az általános szabályok betartásával – tökéletes kötéseket tudunk létrehozni. Természetesen a művelet előtt eltávolított szennyezőknek a forrasztást követően már semmiféle további, vagy későbbi káros hatása nincs, ha a mosási technológia szakszerű. Az általános szabály szerint, a megbízható forrasztott kötés elkészítéséhez fémtiszta felület, alkalmas összetételű, alakú és méretű, elegendő tömegű forraszanyag és folyasztószer, megfelelő forrasztóeszköz, és kellő mértékű felmelegítés szükséges. Együttesen, egyszerre, egy helyen. Ha bármelyik hiányzik vagy nem megfelelő mértékű, akkor fuccs a jó forrasztásnak! A kiválasztott témakör miatt itt és a továbbiakban csak a folyasztószerrel foglalkozom, amely nélkül – néhány különleges technológiát kivéve, - csak úgynevezett száraz, vagy hideg forrasztás készíthető, ami már létrejöttének pillanatában selejt, súlyos forrasztási hiba! Ennek kiküszöbölése egyszerű: a forrasztás során forrasztószert kell használni és kész, de annak a művelet utáni maradékait, csak bizonyos körülmények esetén lehet és kell szennyeződésnek minősíteni! Ez igaz is, meg nem is, mivel – sajnos - a dolog nem ilyen egyszerű! Alapfémek, forraszok és folyasztószerek Az elektronikai alkatrészekben, szerelvényekben sokféle forrasztható fémet használunk. Ilyenek pl. a vörösréz, nikkel, ezüst, arany, palládium, bronzok, sárgaréz, de előfordul vas, (horganyzott) acél, alumínium, króm stb. Ezek közül az utóbbi három nehezen, vagy egyáltalán nem forrasztható, csak különleges trükkök alkalmazásával. Ebbe a csoportba tartoznak még az ellenálláshuzalok és a rozsdamentes acélok legtöbb típusa. Megjegyzem, hogy a felsorolt fémek egy részét egy másik fém – huzal, réz vezetősáv, érintkezők, csatlakozók stb. – felületén kémiai és/vagy elektrokémiai eljárással készített – akár többrétegű – felületi bevonat formájában is használják, tehát ilyenkor a legfelső réteget képező bevonó fémet forrasztjuk. A sokféle alapfém mellett nem kisebb a használatban lévő forraszötvözetek féleségeinek száma sem, különösen az ólommentes technológia bevezetése óta, mivel az ólommentes forraszok mellett még mindig használják az ólomtartalmú forraszok többségét is. Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-2-

A változatosságot a forrasztószerek területén is „élvezhetjük”, ahol a legkülönbözőbb alapfém>

-3-

gyantamaradék színének világosítása és feldolgozhatósága érdekében. Annak ellenére, hogy a természetes gyantát nem tekintjük korrozív, a forrasztott kötés élettartalma szempontjából veszélyes anyagnak, mégis van számos olyan alkalmazási terület, - pl. az űrtechnika, az atomtechnika, a haditechnika egyes részei stb. – ahol részben élettartam, részben esztétikai okok miatt, még a legtisztább gyantafajták maradékait is el kell távolítani a forrasztási helyről valamilyen hatékony mosó-tisztító eljárással. Ennek indoka az, hogy a forrasztás hőmérsékletén a gyanta részleges kémiai bomlást szenved és így nem lehet pontosan meghatározni, hogy a bomlási termékek között lesz-e olyan, amelyik később, valamilyen környezeti hatás következtében károsíthatja a kötést, vagy annak környezetét. Ez a károsító hatás lehet pl. a szigetelőanyagok felületi ellenállásának csökkenése, vagy akár a fém vezetősávok, huzalok elmaródása. Az ilyen hibák ellen még a forrasztás után felvitt védőlakkozás (conformal coating) sem nyújt megbízható védelmet, mert a folyasztószer maradványok az alapfelületeken képeznek vékony réteget, a védőlakk alatt, a fém vezetők között. Védőlakk nélkül még kedvezőtlenebb a gyantaréteg jelenléte, mert a gyanta már viszonylag alacsony hőmérsékleten – +55 és +80 °C között – előbb ragacsossá, majd folyékonnyá válik, s ekkor bármiféle szilárd szennyeződés, akár fémszemcse is beleragadhat. Nagy hidegben a gyanta üvegszerűen rideggé, törékennyé válik, szétporlad és a por bármit tartósan beszennyezhet a környezetben. Így pl. csúszóérintkezők, kapcsolók, dugaszolható csatlakozók aktív felületén jól tapadó szigetelőréteget képezhet. A natúr és a módosított gyanták fentebb említett tulajdonságai között nincs alapvető eltérés. Más alapanyagú, nagyobb hőstabilitású, folyasztószer hordozóanyagok között aktív tulajdonságú típust ritkán találunk. Ilyen pl. az abietin sav, azaz a gyantasav. Az oldószerekről: A folyasztószerek oldószereivel szemben több, sokszor egymásnak is ellentmondó követelményt támasztunk. Ilyenek pl. a vízhez képest kisebb, vagy éppen többszörösen nagyobb viszkozitás, 60120°C közötti forráspont, kitűnő oldóképesség nem csak a hordozóval, hanem az aktívatorokkal és az összes többi adalékanyaggal szemben, minél enyhébb veszélyességi fokozat, beleértve a tűzveszélyességet is, alacsony felületi feszültség az alapfémekkel és a forraszolvadékkal szemben a forrasztási hőmérséklet környezetében, végül megfelelő hőstabilitás, a káros, ártalmas bomlástermékek elkerülése érdekében. Természetesen maga az oldószer nem képezhet nemkívánatos, gátló hatású bevonatot a forrasztandó fémelemek és alkatrészek felületén, mert elillan. A folyasztószer öngyulladási hőmérséklete legyen legalább 50°C-szal magasabb, mint a forrasztás során előforduló legmagasabb hőmérséklet. A fenti követelményeket számos szerves oldószer maradéktalanul, vagy többé-kevésbé kielégíti, azonban az utóbbi évtizedekben egyre szigorúbb tiltások kerülnek be nemzetközi egyezményekbe a földkörüli ózonréteg védelme érdekében, korlátozva az illékony szerves oldószerek (VOC) légkörünkbe juttatható mennyiségét. A legjobb folyasztószer oldószerek, pl. az alkoholok (etilalkohol, izopropil alkohol stb.) sajnos ebbe a kategóriába tartoznak. A szerves oldószerek mellett említettem a vizet is mint oldószert, amelynek jelentősége és alkalmazásának elterjedése néhány évtized után csökkenni kezdett, majd stagnálás után ismét növekedni látszik. Természetes, hogy a víz önmagában minden szempontból veszélytelen oldószer, azonban a gyantákat szinte nem is oldja, így nehéz hozzá illeszkedő, jó hordozó anyagot találni. Az aktivátorokat viszont kitűnően oldja a víz és egyéb adalékanyagokkal viszonylag könnyen létrehozható olyan folyékony folyasztószer konzisztencia, amely illeszkedik a hullámforrasztási technológia követelményeihez, de forraszpaszták és a reflow esetében ez ma még szinte megoldhatatlan feladat. A vízhez kapcsolódó probléma, hogy a víznek lényegesen nagyobb a forráshője és magasabb a forrpontja, mint a szerves oldószereknek, ezért hosszabb ideig tart a víz elpárolgása a kötést

Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-4-

benedvesítő folyasztószer, vagy a forraszpaszta mennyiségből és nagyobb hőenergia kell a forrasztási hely felmelegítéséhez is. Az egyéb adalékokról: Az egyéb adalékok a folyasztószerek, a forraszpaszták és a töltetek eredeti minőségének megőrzésére, felhasználás előtti stabilizálására, a felhordási tulajdonságok – pl. habosíthatóság, vagy nyomtatási konzisztencia – optimalizálására, beállítására, megkülönböztető színezésre, kellemetlen szag elfedésére és más, hasonló célokra szolgálnak. Ide tartoznak az un. közvetítő oldószerek, amelyek kis mennyiségben adagolva is lehetővé teszik pl. az alkoholban oldott fenyőgyanta stabil bevitelét vizes oldatba. Felületaktív anyagok (detergensek, amelyek között ionos típusok is léteznek!,) javíthatják a folyasztószer, vagy forraszpaszta nedvesítő-, terülőképességét, de lehetővé teszik tejszerű, stabil, vizes folyasztószer diszperzió előállítását is két, egymással nem elegyedő folyadékból, vagy oldatból. A lágyító, viszkozitás módosító adalékok, rendszerint sűrítők, a forrasztás szempontjából közömbös, vagy elbomló anyagok, pl. gélek, amelyeket néhány tized%os mennyiségben adagolnak a forraszpasztákhoz a szétfolyás korlátozására. Ezek az adalékok a szakszerű forrasztás után a folyasztószer maradékban már nyomokban sem fordulnak elő, mert hőbomlást szenvednek és/vagy elpárolognak, de előfordulhat, hogy a detergens parányi maradéka később, nedves környezetben előmozdítja az alább tárgyalt káros ionos folyamatokat. Az aktivátorokról: Az igazi gondot a forrasztott kötések tartós megbízhatóságával kapcsolatban a folyasztószerek aktivátorai, illetve ezek forrasztás utáni maradványai okozzák! Az aktivátorok olyan, túlnyomó többségükben kémiailag reakcióképes, aktív szerves vegyületek, amelyek képesek az alapfémek felületén kialakult oxid, szulfid és más vegyületréteget kémiailag megbontani, a felületről eltávolítani, ezáltal fémtiszta felületet létrehozni, ami a jó forraszthatóság előfeltétele. Emellett az aktivátorok elősegíthetik más, nem fémes szennyezések fellazítását, eltávolítását is. Az aktivátorokat a folyasztószerek csak igen kis mennyiségben tartalmazzák. Gyakran ez nem haladja meg folyasztószer össztömegére vonatkozó 0,1%-ot sem. Leggyakrabban a hordozóanyag (főleg a gyantakomponens) mennyiségére vonatkoztatva 2~5% aktivátort adnak meg a gyártók. A mennyiség megválasztása annak az elméleti megfontolásnak az alapján történik, hogy a forrasztási helyre jutó aktivátor teljes mennyiségének a forrasztás hőmérsékletén és időtartama alatt el kell/kellene bomlani, azaz a forrasztás után a maradékok aktív vegyi anyagot már nem tartalmazhatnak. Sajnos ez a kívánság a gyakorlatban soha nem teljesül, egyrészt, mert a kötés létrehozásának biztonsága érdekében a folyasztószer adagolás mindig bőségesebb, mint a szükséges minimum, másrészt a folyasztószer teljes tömege soha sem éri el az aktivátor tökéletes elbomlásához szükséges hőmérsékletet. Ennek következtében a forrasztás helyén mindig számítani kell el nem bomlott aktivátor maradékot tartalmazó maradványokra, tisztán és közvetlenül a kötés felületén, illetve a hordozóanyag maradványaiba beágyazódva, akkor is, ha nem is mindig látszik. Ennél csak az lehet rosszabb, ha a kötésben, vagy közvetlen közelében szűk, kapilláris méretű rések, hézagok is találhatók. Ilyennek számít pl. a sodrott huzalok pászmája, valamint a szigetelőköpeny és a huzalsodrat, vagy az alkatrész test és a kivezetők közötti kapilláris rés. Ezek nagy bizonyossággal felszívnak meg nem határozható mennyiségű folyasztószert, amikor az még folyékony, vagy az oldószer elpárolgása után már megolvadt állapotban van.



-5-

Mielőtt a szennyezések tényleges, létező kedvezőtlen hatásait részletezném, le kell szögezni, hogy folyasztószereknek a forrasztás után ott maradó, később veszélyessé válható maradékait tökéletesen hatástalanítani csak megfelelő mosási technológiával lehet, de a kapilláris résekbe beszívódott maradékok esetében ezt sem lehet tökéletesen végrehajtani. A folyasztószer szilárdanyag (hordozó)és aktivátor tartalmának csökkentésével csak mérsékelni lehet a veszélyt, de eleve kiküszöbölni nem. Éppen ezért a fejlesztési törekvések a veszélytelen, de mégis hatékony folyasztószerek létrehozására irányulnak, azonban a forrasztási hatékonyság és az utólagos veszélytelenség egymást szinte teljesen kizáró fogalmak! Hogyan viselkedik az aktivátor? Az aktivátor fő feladatát – a forrasztási hely megtisztítását és a kötés létrejöttének elősegítését, - a fentiekben már említettem. Sajnálatos, hogy a folyasztószerek hatása, működése ezzel még nem ér véget. A folyasztószer aktivátora kémiailag aktív anyag, amely megfelelő körülmények között később is kifejtheti hatását a forrasztási helyen és annak környezetében. A helyzetet bonyolítják azok a forrasztás során, annak hőmérsékletén létrejövő bomlástermékek, amelyek kémiai összetétele rendkívül változatos lehet, attól függően, hogy a folyasztószer eredetileg milyen alkotóelemeket tartalmazott és a hő hatására azokban milyen vegyi és fizikai folyamatok mennek végbe. A maradék anyagok a különféle környezeti változások hatására reakcióképes állapotba kerülhetnek, majd reagálhatnak is egymással, valamint a környező más anyagokkal is. A változásokat előidéző környezeti hatások közé soroljuk a levegő hőmérsékletének és relatív nedvesség tartalmának értékét, illetve azok jelentős, vagy tartós megváltozását, - elsősorban megnövekedését, - a páralecsapódás (kondenzáció) időszakos kialakulását, a forrasztás hely túlzott felmelegítését vagy lehűlését, gázok, vegyszergőzök megjelenését a környező légtérben, valamint bizonyos folyadékokkal – pl. vízzel, vizes oldatokkal – történő érintkezést. Az említett változó környezeti jelenségek nagyon gyakran fordulnak elő pl. trópusi éghajlat alatt, hajókon és repülőgépeken és más közlekedési eszközökön is, de nem zárhatók ki a nukleáris technika, az orvos-egészségügy műszerek, terápiás eszközök, vegyipari berendezések, mezőgazdasági és élelmiszeripari gépek stb. esetében sem. Még az asztali számítógépnél is előfordul jelentős külső hőmérsékletváltozás, pl. ha a számítógépre nyáron huzamos ideig rásüt a nap, vagy télen, a meleg szobából kiviszik a fagyba, majd vissza. A folyasztószer maradványait és hőbomlásának termékeit akkor tekintjük kedvezőnek, ha azok száraz, szilárd halmazállapotúak, legalábbis kezdetben! A fentebb említett környezeti hatásokra ugyanis a maradékok meglágyulhatnak, ragacsossá válhatnak sőt, előfordulhat az elfolyósodás is. Könnyen elképzelhető, hogy a ragacsossá, vagy nedvessé váló felületrészek szinte vonzzák a levegőben lévő port és szálasanyag darabkákat, amelyek ott megtapadva – különösen a nedves környezetben – lerontják a villamos szigetelési és dielektromos tulajdonságokat, végzetes meghibásodásokat is előidézve. A meghibásodások és egy kis elektrokémia A meghibásodások egy másik, rejtett és ezért különösen veszélyes fajtáját a folyasztószer maradványok elektrokémiai tulajdonságai idézik elő, amelynek következményei zárlatok, villamos átütések, átívelések és anyagvándorlás (migráció) formájában jelentkeznek. Problémánk lényeges kérdése az, hogy miként és miért jönnek létre ezek a durva meghibásodások? Az aktivátorok, szinte kizárólag, vízoldható, ionos és poláros anyagok. Ezek molekulái vízzel – nedvességgel – érintkezve úgynevezett disszociációs folyamatban vesznek részt,(hidrolízis,) Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-6-

amelynek során a folyadék molekulái elvileg negatív és pozitív töltésű ionokra, un. anionokra(-) és kationokra(+) válnak szét. A legegyszerűbb példa erre a víz, amelynek molekula képlete H2O. A disszociáció során ebből egy H(-) ion és egy OH(+) (hidroxil) ion lesz. Az előjel az ion polaritását jelzi. Nyilvánvaló, hogy disszociációra az úgynevezett poláros anyagok (oldószerek) képesek, szemben az apoláros (nem poláros) anyagokkal, amelyekből nem képződnek ellenkező polaritású szabad ionok. Hasonló disszociációs folyamat megy végbe az alkoholos közegekben is, amilyen pl. a gyantaalapú folyasztószerek etanolos (=etilalkohol, C2H5OH) és/vagy izopropanolos (=izopropil alkohol, C4H9OH) oldata. Ebből adódik az a törvényszerűség, hogy a túlnyomó többségükben vízoldható aktivátorok az említett és hasonló poláros oldószerekben is jól oldódnak, viszont apoláros oldószerekben az oldhatóságuk messze nem tökéletes. Mindebből két fontos dologra következtethetünk: a) A folyasztószer maradékok tökéletes eltávolításához túlnyomórészt poláros oldószereket kell alkalmazni, mert csak ezektől várható el, hogy a gyantaalap maradékával együtt az aktivátor maradékait is valóban maradéktalanul el lehessen távolítani. b) Amennyiben a forrasztás után folyasztószer maradék borítja a forrasztási helyet és annak környezetét, akkor az adott áramköri részlet később, – nedves, párás, vagy nedves-meleg környezetbe kerülve – károsodni fog, mert a gyantamaradékba ágyazódott aktivátor molekulák a behatoló nedvesség hatására disszociálnak, – hidrolizálnak, – és az aktív kémiai csoportok, az ionok reakcióba lépve az alapfémekkel elektrokorróziós folyamatokat indítanak be. Az aktivátor vegyület, vagy maradványa szilárd halmazállapotban nem vezeti az áramot, csak folyékony, – oldat, vagy olvadék (ömledék) – állapotban! (Lásd: 1. ábra) Ettől kezdve beszélhetünk jogosan ionos szennyeződésről! Azzal tisztában kell lenni, hogy a gyanták vízgőz áteresztő képessége (penetrációja) elég jelentős nagyságú, ezért csak a kitételi idő, a környező légtér párakoncentrációja és a hőmérséklet határozza meg, hogy az aktivátor molekulái mikor vehetnek fel a gyantán keresztül annyi nedvességet, azaz vizet, amennyi a disszociációhoz és így a korróziós hatás beindulásához szükséges. Tökéletesen száraz körülmények között ez a jelenség el is maradhat, de ilyen csak különleges esetekben – pl. vákuumban – fordulhat elő. Sajnos ezen a problémán a védőlakkozás sem segít, mert a lakkoknak, – ugyanúgy, mint a gyantáknak, – van el nem hanyagolható mértékű vízgőz áteresztő képessége. A légmentes tokozás is csak akkor segít, ha a lezárás előtt a tokot, dobozt száraz nitrogén (N2) gázzal átöblítve és feltöltve zárjuk le. A b) pontban leírt jelenséget az is bonyolítja, hogy a nedves környezetben maga a gyantamaradék is hidrolizál, azaz a gyantasavak szabad gyökei OH(+) ionokat kötnek meg, ennek következtében az addig homogén gyantaréteg sárgásfehér, alig áttetsző, mikroszkopikusan már korántsem homogén anyaggá alakul, amelyen keresztül a nedvesség még könnyebben juthat be a fémekhez, a korrozív vegyületek pedig juthatnak ki a környezetbe. A vizes közegben mosható, nem gyantabázisú, vagy igen csekély hidrolizált gyantát tartalmazó folyasztószerek maradékában még az a kevés beágyazó gyanta sincs jelen, mint amiről a b) – pontban említést tettem, ezért ezek maradékait feltétlenül alapos mosással el kell távolítani. Megjegyzem, hogy a mosással létrehozott tisztaság megfelelőségét műszeres szennyezettség vizsgálattal kell folyamatosan ellenőrizni, mert anélkül az egész csak vakrepülés. Az erre alkalmas műszerek – un. Contaminometerek, – természetesen beszerezhetők.


-7-

A desztillált víz nem vezeti az áramot, mert nincsenek szabad ionok - molekulái semlegesek.

A szilárd, nem-fémes anyagokban a rögzített pozitív és negatív ionok nem vezetik az áramot

Oldatokban a pozitív és negatív ionok mozognak, így vezetik az áramot


1. ábra. Áramvezetés folyadékokban és nem-fém szilárd anyagokban. Forrás: www.ttk.pte.hu/szervetlen/ppt/oldatok.ppt



-8-

A hibajelenségekről és az azokat létrehozó folyamatokról: Végül lássuk azokat a veszélyes hibajelenségeket, amelyeket az aktív, folyasztószer-maradványok hozhatnak létre az őket aktivizáló környezeti tényezők hatására. A károsodást – amiből több fajta is bekövetkezhet, - szinte kizárólag elektrokémiai, és csak ritkán tisztán vegyi, vagy fizikai folyamatok hozzák létre. Az elektrokémiai folyamatokhoz elektrolitra, - azaz ionok által vezetőképessé tett folyadékokra – van szükség, de emellett valamilyen elektromos potenciálkülönbség is szükséges. Ez utóbbit a forrasztott kötést alkotó, eltérő anyagú fémek, – pl. réz alapfém, ón- ezüst-réz ötvözet forrasz, – elektródpotenciál különbsége, vagy az egymással szomszédos vezetékek egyenfeszültség különbsége szolgáltatja. Rendkívüli módon leegyszerűsítve a végbemenő elég bonyolult folyamatokat, a potenciálkülönbség hatására az eltérő anyagú fémek közül az egyik beoldódik az elektrolitba, azaz lassan fogyni kezd, miközben a másik fém felületén fémkiválás és/vagy gázfejlődés következik be. Sajnos az ilyen folyamatban a leggyakrabban károsodó fém a réz (Cu) és az ezüst (Ag), legellenállóbb az arany, (Au,) a platina, (Pt,) és a palládium, (Pd) valamint – érdekes módon – a cink (= horgany Zn). A károsodást úgy jelentkezik, hogy a vékony huzalok keresztmetszete a megtámadott helyeken lecsökken, huzamos idő vagy ismétlődő kedvezőtlen környezeti hatás esetén akár teljesen el is fogyhat. Nyomtatott áramköröknél ez a jelenség szinte kizárólag a nagyon finom, vagy finom (esetleg közepes finomságú) rajzolattal készülő fólia vezetősávokon jelentkezik, amelyeken egy idő után, – ha tudjuk, hogy hol kell keresni, – megfelelő nagyítást alkalmazva azt látjuk, hogy a vezetősáv széle nem egyenes, hanem cakkossá vált. Az ilyen hibahelyen a fogyasztószer maradék megváltoztatja eredeti színét, mert a benne oldódó, vagy diszpergált fémvegyületek, pl. a fémoxidok is színesek. Rézvezeték esetében ez a szín eleve kékes-zöld, mert a gyantasavak által megtámadott réz szerves sói általában zöld színűek, különböző árnyalatban. A ténylegesen látható színt egyrészt a gyanta saját színe, másrészt a gyanta hidrolizálása esetén képződő fehéres szín is befolyásolja. Nyomtatott huzalozású lapon ez a jelenség természetesen csak ott jöhet létre, ahol a fémfelületek eleve nincsenek fedve forrasztásgátló lakkal. Ez a védőréteg csak akkor ad helyet a káros folyamatoknak, ha az „ablakok” körül nem tapad tökéletesen, ha hólyagos, vagy ha mechanikailag sérült, karcos, hiányos. Az elmaródás végső következménye tehát vezetékszakadás, de már ez előtt is jelentkezhet hiba az áramkör működésében, a lecsökkenő vezető-keresztmetszet ellenállásnövekedése következtében. Erre különösen a nagy bemenő/belsőellenállású, bonyolult áramköri elemek érzékenyek. Az elmaródási jelenséget létrehozó kémiai és elektrokémiai folyamatok részleteibe, vegyi képletek felrajzolásába nem kívánok belemenni. Azt azonban mindenképpen hangsúlyozni kell, hogy – a kb. 50-60 évvel ezelőtti tévhitekkel ellentétben, – ezek a folyamatok maguktól hosszabb idő után sem állnak le azért, merthogy elfogynának a fémoldásban résztvevő aktív ionok, ugyanis az elektrokémia szabályai szerint, az elektrolitban az ionok állandó körforgásban és cserebomlásban vannak, tehát valamilyen formában a katódon leadják a feloldott fémmolekulákat és ezek helyett már újakat képesek felvenni. A folyamat csak az aktív ionos anyag tökéletes eltávolításával szakítható meg, vagy a megtámadható fémanyag teljes elfogyasztása után áll le magától. Hiba lenne azt gondolni, hogy pl. szervetlen vagy szerves kloridokat tartalmazó fogyasztószer savas jellegű maradványait egyszerű enyhe lúgos lemosással közömbösíteni lehet, mert ez a reakció csak a lúg stöchiometriai túlsúlya esetén lenne tökéletes, ekkor azonban a közömbösítő lúg hozná létre ugyanezeket a jelenségeket, mivel a savak és a lúgok, ill. ezek sói egyaránt ionos vegyületek.



-9-

A legrosszabb eset az, ha kellő szakmai ismeretek hiányában az elektronikus berendezések gyártója valamilyen vélt technológiai előny érdekében egy összetett, több fontos kapcsolódó lépcsőkből álló technológiai folyamatnak csak egy részletét vezeti be a gyártásba és nem számol azzal, hogy a lemaradó rész, – legtöbbször éppen a tisztító-mosó fázis – hiányában nemcsak a bevezetett technológiai részlet által nyújtott előnyöket veszítik el, hanem előbb–utóbb maga a termék is működésképtelenné válik. Jó példa erre a vízzel mosható, nagy hatékonyságú, aktivált fogyasztószerek bevezetése a hullámforrasztásba anélkül, hogy a hozzá tartozó speciális, többfokozatú vizes mosó, szárító és ellenőrző technológiát is bevezetnék vele együtt. Ennek következményeként a folyasztószer legcsekélyebb maradéka „alattomosan” végezheti káros tevékenységét, amíg – természetesen a végfelhasználónál, működés közben, – a forrasztott termék felmondja a szolgálatot. Ekkor azt mondják, hogy a forrasztás volt rossz, ami persze messzemenően nem igaz, mert maga a forrasztás hibátlan maradt. A vízzel mosható fogyasztószerek többségének nem víz, hanem más anyag, pl. különféle alkohol az oldószere, aktivátorként pedig nem csak viszonylag gyengébb hatékonyságú szerves hidrokloridokat, karboxilsavakat stb., hanem szervetlen halogenideket (pl. ammónium klorid, ónklorid, ammónium fluorid stb.) és más sókat is használnak. Ezek pedig általában higroszkopikus, nedvszívó tulajdonságú anyagok, tehát a környező légtér nedvességtartalmának jelentős részét elvonják, megkötik, gondoskodva a káros folyamatokhoz szükséges vízről. A nedvszívó képesség olyan nagy, hogy a friss, nyitva tárolt folyasztószer a dobozában és annak forrasztás utáni maradványai a forrasztás környékén megfolyósodnak, vizes péppé válva szétfolynak a felületen és minden fémet korrodálnak, amelyet elérnek. Az ilyen fogyasztószerek ugyan rendkívül gyors gyártást és szép forrasztási helyek létrehozását teszik lehetővé, de a maradékok tökéletes lemosásának csökkentése, vagy elhagyása, – akár gazdasági megfontolásból, akár tudatlanságból, – kész öngyilkosság! A vízzel mosható fogyasztószerekben még az a kevés védőhatású gyanta sincs jelen, mint ami a gyantás fogyasztószerekben van. Az ionos, disszociációra hajlamos vegyületek jelenléte a forrasztási helyen és annak környezetében, - de akár a nyomtatott áramköri lap egész felületén bárhol, - nem csak az áramvezető fémek fogyását okozhatja, hanem jelentős mértékben ronthatja a folyasztószer maradékával szennyezett részeken a lap felületi szigetelési ellenállását (SIR) is. Nedves környezetben a szigetelőanyagok szennyezett felületén is megindul az ionos áramvezetés a szomszédos, de gyakran a távoli, – kedvezőtlen esetben akár több cm távolságban lévő, – kötéspontok között is, kezdetben csak piko-, nano-, vagy mikroamper nagyságrendű áramokkal, amelyek később, a szigetelő felület szerkezetének roncsolódásával megnövekedhetnek és végül nagyobb áramú átvezetéseket, majd átütéseket, elszenesedett áramcsatornákat is eredményez(het)nek. Ebben jelentős szerepet játszhat az elektromigráció/elektrokémiai migráció jelensége is amiről a következő szakaszban még bővebbe lesz szó. Végül ejtsünk néhány szót egy olyan hibaforrásról, amelyik nem az előírt technológiától történő eltérés, hanem kizárólag emberi gondatlanság következménye. Ez a „mosatlan kéz hatás”-nak is nevezhető jelenség, azaz amikor valaki csupasz kézzel összefogdos egy nyáklapot, vagy más elektronikai szerelvényt. Ilyenkor vagy az ember bőrén természetesen jelenlévő anyagok, vagy a bőrre került idegen anyagok átkerül(het)nek a szerelvények felületére, ahol semmi keresnivalójuk nincs! Gyakorlatilag a bőr zsírmirigyei által termelt bőrzsír (faggyú) savas kémhatású és a verejték is sós, (NaCl-t tartalmaz,) tehát tiszta fémfelületen, nedvesség jelenlétében korróziót is okozhatnak. Ezt a veszélyt jelentősen növelheti, ha a fém-, vagy a szigetelő-felületeket kézzel még össze is koszolják oda nem való anyagokkal. Ilyenek lehetnek pl. a kozmetikai anyagok, a kenőcsök, a hidratáló krémek, az alaposan le nem mosott folyékony szappan, a tusfürdő, a sampon, a hajfixáló és hasonló, ionos és nem ionos anyagokat egyaránt tartalmazó trutymók. Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-10-

Nyáron a leggyakoribb szennyezők a paradicsom, a barack és más gyümölcsök leve, a savanyú, vagy kovászos uborka stb. leve lehetnek, de sajnos találtam már paradicsom és uborka magokat, sőt héjmaradványokat is a nyáklapok hibahelyein! Ezek a munka előtti/közbeni falatozás nem kívánatos maradványaként kerülhetnek a hiányos kézmosás következtében a későbbi hibahelyekre. A hatás mindig ugyanaz: ronda, elszíneződött foltok, elmaródott vezetősávok, elfogyó vékony huzalok, végül vezetékszakadások, vagy füst, szikra, zárlatok, átütések, ahogyan a cikkben fentebb leírtam. A rendszeresen cserélt, hibátlan, mindig tiszta, gyakran mosott és alaposan kiöblített cérnakesztyű ezek ellen nyújt védelmet, de tényleg csak akkor, ha tényleg tiszta!!! Elektrokémiai migráció = anyagvándorlás. Érdekes, megjelenésében látványos, de mindenképpen nagyon veszélyes hibajelenség a szigetelőanyagok felületén az elektromos feszültségkülönbség hatására létrejövő anyagvándorlás, szakszóval elektrokémiai migráció. Magát a jelenséget, annak képét és hatásait jól ismerjük, de a kialakulás alapvető okait és pontos körülményeit – a jelentős hazai kutatások ellenére, – még mindig enyhe homály fedi. A jelenség abból áll, hogy két, egymás közelében lévő, elektromos feszültség- (potenciál-) különbség alatt álló fém alkatrész, jellemzően a nyomtatott huzalozású lap felületén – esetleg belső rétegeiben – elhelyezkedő vezetősávok vagy forrszemek között, a negatívabb felől a pozitívabb felé, a felületen elindul egy elágazódó, fémes, ill. barnás színű elszíneződés. Ez tulajdonképpen egy nagyon vékony fémréteg az anód fémanyagából. Az egész jelenség legerőteljesebben akkor jelentkezik, ha az anód anyaga ezüst. Az idővel arányosan terjedő, jellegzetesen elágazódó színes folt alakját a szakirodalom dendritnek nevezi, a metallurgiában jól ismert egyik gyakori fémkrisztallit szerkezete nyomán.

Elektrokémiai migráció során képződött dendrit (10 x-es nagyítás) (ugyanaz 20 x-os nagyításban) Forrás: Dr. Harsányi Gábor, Dominkovics Csaba: Elektronikai készülékek gyorsított élettartam-vizsgálati módszerei és eszközei; ElektroNet 2006/4.

A dendrites struktúra már egyszerű kézi nagyítóval felismerhető. Nagyobb nagyításban hasonlít több, egymás mellé helyezett hópehely elágazó mintázatára, vagy egy páfránylevélre is. A jelenség lényegében az anód egyetlen pontjából indul ki, de a szélein folyamatosan, faágakhoz hasonlóan növekszik, jellemzően a katód irányába. Amíg azt el nem éri, addig műszeresen legfeljebb a felületi ellenállás csökkenése észlelhető, de amikor eléri a katódot, akkor kezdetben időszakos átvezetéseket, zárlatot („sercegést”) okoz, amelyek időtartama állandóan növekszik. A zárlat azért időszakos, mert a katód és a dendrit valamelyik ágának érintkezése kezdetben csak nanoamper Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-11-

nagyságrendű áramot enged át, de a vékonyka vezető csúcsa leég. A többi ág folyamatos növekedése miatt szaporodnak az érintkezési pontok, emiatt az áram is egyre növekszik. Az áram a nagyon vékony dendrites rétegben olyan mértékű felmelegedést is okozhat, hogy alatta elkezdődik a szerves szigetelőanyag hőbomlása, elszenesedése, a szén viszont jó és állandó vezető. Érdekes, hogy a dendrit képződése kerámia szigetelőanyag felületén is előfordul, de ott lassabban fejlődik ki. A létrejött átvezetés önmagát erősíti, amíg végül teljes átütés vagy átívelés következik be, amelynek barna vagy fekete ívcsatornája már rendszerint szabad szemmel is észlelhető. Az anódból a katód felé terjeszkedő elszíneződés kialakulását a szigetelőanyag felületi, elsősorban ionos szennyezettsége, valamint az anódot alkotó fém milyensége jelentősen befolyásolja. A legnagyobb veszélyt az ezüst, és az ezüstözött más vezető felületek jelentik. A potenciálkülönbséggel a dendrit fejlődési, terülési sebessége arányosnak tekinthető, bár vannak ezzel ellentétes vélemények is. A milliószámra elvégzett vizsgálatok azt igazolják, hogy az abszolút tiszta, aktív csoportokat, gyököket nem tartalmazó szigetelőanyag felületeken még nedves környezetben is csak alakul ki gyenge elektromigráció, de ionos szennyeződések, és/vagy a szigetelőanyag saját aktív csoportjai lényegesen megnövelik az elektromigráció kialakulásának valószínűségét. A felületi elektromigráció veszélye – még ezüst jelenlétében is – jelentősen csökkenthető a feszültség alatt álló elemeket is beburkoló, jó szigetelő tulajdonságú védőlakkozás (conformal coating) alkalmazásával, ill. arannyal, palládiummal, vagy platinával gyengén ötvözött ezüst használatával. Következtetések, összefoglalás: A fentiekből következik az az általános megállapítás, hogy a forrasztási hibáknak minősített jelenségek nagy része nem függ össze közvetlenül a forrasztással, hanem a forrasztáshoz használt – nem mindig célszerűen megválasztott – segédanyagok bizonyos tulajdonságainak, a környezet utólagos hatásának, valamint néhány, nem kellő fontosságúnak ítélt technológiai művelet elhagyásának vagy szakszerűtlen végrehajtásának a következménye. A cikkben több kérdésre is található válasz, de végül az újjlenyomat/kesztyű, azaz a „mosatlan kéz hatás” kérdésre is kellett néhány szót szánni, annak ellenére, hogy magától értetődőnek tartom a tisztaság elsődlegességét, mivel a nyáklap nem viselkedik másként, ha az ionos szennyeződés valakinek a puszta kezéről, vagy a folyasztószer maradékokból kerül a felületére. Természetesen a forrasztással kapcsolatos témakörben még számos más, kisebb-nagyobb jelentőségű, a forrasztással készített gyártmány megbízhatóságát és élettartamát veszélyeztető jelenség is ismeretes. Ezek közül az ólommentes forraszok – elsősorban a tiszta ón – elterjedésével összefüggésben nagyobb figyelmet kell fordítani az úgynevezett „ónpestis”, azaz hideg környezetben fellépő ón-átkristályosodás, szétporladás jelenségére, továbbá az „ón-wishker” (szőrösödés, szakállasodás) jelenségére is, de ezekről majd egy későbbi cikkben szándékozom bővebb ismereteket nyújtani. A hibátlan, tartós és a változó környezeti hatások esetén is megbízható forrasztások ipari méretű készítése esetén feltétlenül szükséges, hogy a speciális hatásokat és körülményeket, a megfelelő anyagválasztékot és az azokhoz kapcsolódó optimális technológiai műveleteket már a tervezés szakaszában figyelembe vegyék. Amennyiben ez ott „véletlenül” nem történt volna meg, akkor legkésőbb a gyártmány technológiai tervezésekor a szakmai szabályokat feltétlenül érvényesíteni kell. Mindezeken túl nagy gondot kell fordítani a munkahelyi és személyes tisztaságra, mert ennek elhanyagolása súlyos, de a technológiai hibákhoz képest rendszertelenebbül jelentkező veszélyforrást jelent. Végezetül, miért is írtam meg ezt a cikket? Mert úgy érzem, hogy igény van egy sor gyakorlati probléma megtárgyalására, esetleg megmagyarázására. Készült a Microsolder Kft. Budapest kezdeményezésére, 2010-05-01.


-12-

Cikkem megírásának szándéka tehát nem egy tudományos értekezés elkészítése volt, hanem az iparból érkezett, a nem mindig kellő tájékozottságot és a szakkifejezések pontatlan vagy téves értelmezését mutató, vitákat kiváltó számos kérdésre kívántam egyszerűsített, gyakorlatias, könnyen érthető, figyelemfelkeltő válaszokat adni. Az gyakorlatban előforduló problémák felismerését mindez megkönnyítheti, így az ilyen ismeretek segítségével könnyebben lehet a szakirodalomban – elsősorban az interneten – részletesebb magyarázatokat és információkat találni a téma iránt mélyebben érdeklődő forrasztási szakembereknek. *** Ajánlott irodalom: -

-

Folyasztószer szabványok: MSZ EN 60512-12-6:2000 (Angol nyelvű! magyar) MSZ EN 61190-1-1:2002 (Angol nyelvű! magyar) MSZ EN 60512-12-6:2000 ANSI/IPC-SF- 818 (USA); MIL-F-14256E (USA); ANSI-J-STD-004 ()USA; QQ-S 571E (USA); IPC-SF818 (USA, INT.) DIN 29454-1 (DE); DTD 599A (UK); BS441 (UK); BS5625 (UK); EN29454 (EU) ISO 9454-1 (INT); Dr. Harsányi Gábor, Dominkovics Csaba: Elektronikai készülékek gyorsított élettartam-vizsgálati módszerei és eszközei; ElektroNet 2006/4. Dr. Harsányi Gábor: A mikroáramköri összeköttetés-hálózatok meghibásodását okozó elektrokémiai migráció; MTA doktori értekezés tézisei, 2000 Allen, B.M: Soldering Handbook, Iliffe Books Ltd. London, 1969 http://www.finishing.com/Library/flux.html Rahn, Armin: The Basics of Soldering. John Wiley & Sons. (1993). Regős Péter, Rádai Sándor: Forrasztástechnikai tanfolyamok. PowerPoint Presentations sorozat, Microsolder Kft. Budapest, 2003 – 2009. Locmanova, Sz.N., Petrunyina, I.E., Florova, V.P.: Szpravocsnyik po Pajke, Masinosztrojenyje, Moszkva, 1975.


A forrasztástechnika egyik ősi problémája: Az ionos szennyeződések

Recommend Documents