Asamblarea prin lipire

Asamblarea prin lipire

1.1. Introducere

Imbinarea la cald a unor piese din materiale metalice de baza se poate realiza prin sudura sau prin lipire, deosebirea constand in faptul ca sudura implica topirea metalelor de baza.

Lipirea este un procedeu de imbinare la cald a unor suprafete metalice cu ajutorul unui material de adaos in stare topita, metal sau aliaj avand temperatura de topire cu minim 50°C sub temperaturile de topire a materialelor suprafetelor metalice imbinate si care nu implica topirea materialelor de baza.

Materialul de adaos utilizat in procesul de lipire este necesar sa aiba o compozite chimica diferita de cea a metalelor de baza si sa asigure in stare topita o umectare corespunzatoare a suprafetelor acestora. In procesul de lipire are loc un proces de difuzie care determina formarea unui strat intermetalic la suprafata de separatie dintre metalele de baza si materialul de adaos. Temperatura de topire a materialului de ados, metal sau aliaj, determina temperaura de lipire.

1.2. Metode de lipire

Metodele de lipire pot fi;

- manuale, cand sunt executate de operatori pentru reparatii, prototipuri si microproductie;

- automate (on-line), cand sunt executate pe linii specializate;

- semiautomate (off-line), cand sunt executate cu echipamente si dispozitive specializate care permit realizarea automata a unor operatii.

Metodele de lipire sunt determinate de propietatile fizico-chmice ale aliajelor sau metalelor utilizate ca material de adaos in proces si din acest punct de vedere pot fi clasificate astfel:

• Dupa temperatura de lipire:

- lipire moale, la care sunt utilizate aliaje moi de lipit, cu o temperatura de topire mai mica de 400-450°C, pe baza de staniu, plumb, cupru, argint, zinc, indiu, cadmiu;

- lipire tare, la care sunt utilizate aliaje de lipit cu temperatura de topire mai mare de 450-500°C, pe baza de cupru, argint, aluminiu, zinc, aur, platina;

• Dupa forma si tehnologia imbinarii:

- lipire prin depunere, la care aliajul de lipit este introdus mecanic in rostul imbinarii;

- lipire capilara, la care aliajul patrunde in rostul imbinarii prin capilaritate;

• Dupa modul de incalzire a pieselor metalice de baza:

- lipire cu incalzire locala, cand se utilizaza o incalzire partiala a pieselor in jurul imbinarii;

- lipire cu incalzire completa a pieselor.

1.3. Contactarea prin lipire in electronica

Pentru realizarea contactarii prin lipire in industria electronica au fost dezvoltate tehnologii de lipire moale care utilizeaza aliaje de lipit moi pe baza de staniu deoarece necesita temperaturi de lucru compatibile cu cele permise la lipire de componentele electronice si asigura o conductivitate electrica buna pentru contactare. In cadrul fiecarei metode au fost dezvoltate numeroase tehnologii de lipire definite dupa solutia tehnica de obtinere a temperaturilor de lipire. Tehnologiile pentru realizarea contactarii prin lipire in electronica imbina aspecte ale ambelor metode din punct de vedere al formei si tehnologiei de imbinare, prin depunere respectiv prin capilaritate. Se utilizeaza in mod curent, tehnologiile de lipire cu ultrasunete, prin inductie, prin imersie, la val, prin radiatie innfrarosie IR, prin convectie, cu utilizarea vaporilor in condensare, prin rezistenta electrica, la bae de saruri, cu arc electric, cu laser, cu ciocanul de lipit sau cu flacara. In cazul produselor electronice contactarea prin lipire este utilizata pentru asamblarea componentelor electronice pe placile cu circuite imprimate. Procesul de asamblare (printed circuit assembly-PCA) prin lipire poate fi impartit in trei categorii de utilizare:

- aplicarea aliajului de lipit in stare lichida pe suprafetele ce urmeaza sa fie lipite manual sau la val (wave soldering). Forma lipiturii este determinata de constrangeri mecanice si parametrii procesului, nefiind limitata de cantitatea de aliajde lipit disponibila in proces. Aceasta practic este nelimitata procesul fiind alimentat prin completare;

- aliajul de lipit in stare topita provine din pasta de lipit in care au fost plantate componentele cu montare pe suprafata (smd) la trecerea PCA printr-un cuptor unde se obtine temperatura de topire (reflow soldering). Forma si volumul lipiturii este deteminata pe langa constrangerile mecanice si parametrii procesului, de cantitatea finita de aliaj in stare topit care provine din depozitul de pasta depus pe pcb pe zona fiecarei lipituri;

- retopirea aliajului de lipit depus anterior prin lipire pe suprafete aflate in contact mecanic strans. Aceasta categorie de asamblare este utilizata manual, in situatii speciale.

1.3.1. Functiile contactarii prin lipire

Contactarea prin lipire realizeaza functiile:

• electrica, prin asigurarea continuitatii electrice a circuitelor electronice la conectarea dispozitivelor si componentelor electronice in structura cablajului imprimat conform unei scheme electrice predefinite;
• mecanica, prin asigurarea rezistentei si integritatii mecanice a ansamblului pcb - dispozitive si componente electronice la montarea dispozitivelor si componentelor electronice pe placa de cablaj imprimat;
• termica, asigurarand transferul prin conductie a caldurii generate de componentele electronice in functioare si preluate prin terminale.

1.3.2. Caracteristicile contactului realizat prin lipire

Caracteristicile contactului realizat prin lipire sunt:

electrice: - rezistivitate foarte mica;

- densitate de curent admisa;

Caracteristicile electrice sunt determinate de caracteristicile de material ale aliajului de lipit si de parametrii procesului care influenteaza structura lipiturii.

• mecanice: rezistenta la actiunea combinata a factorilor mecano-climatici, vibratii, socuri si variatii termice. In cazul componentelor montate cu terminale prin gaura, lipitura imbraca terminalele si urca prin capilaritate prin gaura. Din punct de vedere al asamblarii mecanice a componentei pe langa lipitura are un rol important terminalul trecut prin gaura. In cazul componentelor smd, prinderea mecanica a componentei pe placa este asiguata de lipitura, rezistenta ei la solicitari mecanice fiind determinata de volumul de aliaj depus. Se consida din acest motiv ca in acest caz marginea de siguanta mecanica a lipiturii este redusa;

• termice: conductibilitate termica foarte buna, determinata de caracteristicile de material ale aliajului de

lipit si de parametrii procesului care influenteaza structura lipiturii;

• fizico-chimice de material si proces: rezistenta la oxidare asigurata prin calitatile aliajului si rezultat al procesului de asamblare prin protectie;

• Aspect, geometrie

- aspectul si starea suprafetei lipiturii. O lipitura corecta trebuie sa prezinte un aspect lucios, sa fie intacta, fara asperitati;

- unghiul de umectare θ<90°, cu umectarea corecta a padului (Fig. 1.3.2.1.);

- volumul lipiturii / cantitatea de aliaj din lipitura. Este necesar sa fie suficienta, dar nu in exces. In general se considera ca pentru o componenta chip, lipitura la terminale trebuie

sa ocupe minimum 1/3 din inaltimea componentei sau minim 0.4mm;

1.4. Consecintele Directivei UE ROHS

Directiva pentru Restrictia Substantelor Periculoase (RoHS) 2002/95/EC a fost adoptata in februarie 2003 de catre Uniunea Europeana. Directiva RoHS a intrat in vigoare din 1 iulie 2006 si restrictioneaza consumul a sase materiale periculoase in fabricarea echipamentelor electrice si electronice. Are legatura directa cu Directiva impotriva Deseurilor de Echipamente Electrice si Electronice (WEEE) 2002/96/EC care are drept scop colectarea, reciclarea si recuperarea bunurilor electrice si care face parte dintr-o initiativa legislativa pentru rezolvarea problemei deseurilor toxice.

Directiva se refera la echipamente definite intr-o sectiune a directivei WEEE:

1. Echipamente casnice de dimensiuni mici si mari;
2. Echipamente IT;
3. Echipamente din telecomunicatii (desi echipamentele de infrastructura sunt considerate exceptii in unele tari);
4. Echipamentele consumabile;
5. Echipamentele de iluminare - inclusiv becurile;
6. Unelte electrice si electronice;
7. Echipamente pentru sport, pentru activitati de recreere si jucarii;
8. Aparatura medicala (in prezent exclusa de sub incidenta RoHS);
9. Instrumente de monitorizare si control (in prezent exclusa de sub incidenta RoHS);
10. Automate pentru cafea, bauturi racoritoare etc.

RoHS nu se aplica la fabrici si unelte industriale fixe. Conformitatea cu normele este responsabilitatea companiei care trimite produsele pe piata, conform directivei; componentele si subansamblele nu sunt responsabile pentru gradul de conformitate al produsului. A fost dezvoltat un standard IPC pentru RoHS, IPC 1752, si au fost amendate standardele IPC-A-600 si IPC-A-610.

RoHS se aplica atat la produse fabricate in interiorul UE cat si la cele importate. Exista cateva exceptii care sunt actualizate periodic de catre UE. Dintre acestea, aparatura medicala si instrumentele de monitorizare si control constituie capitolele 8 si respectiv 9 din cadrul RoHS. UE admite ca aceste produse sunt fabricate in cantitati mici si au, in general, o durata mare de viata. In plus, aceste produse sunt folosite frecvent in aplicatii critice in care o defectiune ar avea efecte devastatoare, daca nu chiar catastrofice. Cum efectele pe termen lung ale aliajelor de lipit fara plumb, un obiectiv primar al RoHS, nu pot fi cunoscute pentru o perioada de cel putin cinci ani, directiva aplicandu-se astfel la cele opt categorii ramase. La nivel UE exista recomandarea de excludere de sub incidenta directivei pana in 2012 sau 2018 in functie de specificul subcategoriilor si aplicabilitatii produselor.

• Consecinte

Impactul negativ asupra calitatii si rezistentei produsului plus costul ridicat pentru respectarea gradului de conformitate ( in special pentru firmele mici) reprezinta consecinte negative ale directivei. Exista cercetari care indica faptul ca impactul aliajelor de lipit fara plumb asupra ciclului de viata este semnificativ mai mare fata de cel al aliajelor traditionale.

Restrictionarea continutului de plumb in aliajele de lipit pentru electronice necesita cheltuieli semnificative pentru modificarea liniilor de asamblare si adaptarea componentelor electronice. Aliajele de lipit cu continut redus de plumb au un punct de topire mai inalt, pana la 260°C in loc de 180°C, necesitand materiale diferite pentru impachetarea cipurilor si pentru unele circuite; supraincalzirea impiedica utilizarea componentelor care nu pot rezista la temperaturi prea inalte.

O alta problema cu care se confrunta aliajele de lipit fara plumb este cresterea filamentelor de staniu care pot intra in contact cu un traseu adiacent formand astfel un scurtcircuit. Filamentele de staniu au fost deja responsabile pentru cel putin o defectiune la o centrala nucleara. Alte defectiuni cunoscute includ sateliti pe orbita, avioane in timpul zborului si pacemakere implantate.

Promovarea aliajelor de lipit din staniu pur sau cu o concentratie foarte mare de staniu au readus in atentie problema ciumei cositorului (tin pest), care consta in transformari alotropice ireversibile la temperaturi sub 13°C.

• Situatia in Romania

In Tara noastra Directivele RoHS si WEEE au fost introduse prin HG nr. 992/2005, modificata si completata prin HG nr. 816/2006. Echipamentele electrice si electronice (EEE) reprezinta echipamentele care functioneaza pe baza de curenti electrici sau campuri electromagnetice si echipamentele de generare, transport si masurare a acestor curenti si campuri, incluse in categoriile 1-7 si 10 din anexa nr. 1A la HG  nr. 448/2005, destinate utilizarii la o tensiune mai mica sau egala cu 1.000 de volti curent alternativ si 1.500 de volti curent continuu.