Optymalna temperatura lutowania: SnPb i SAC305

Pytanie

optymalna temperatura lutowania

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Nie istnieje jedna „magiczna” temperatura – ustawiasz ją tak nisko, jak to możliwe i tak wysoko, jak to konieczne.
• Dla większości prac ręcznych:
  • luty ołowiowe Sn63Pb37: 300 – 340 °C
  • luty bezołowiowe SAC305: 340 – 380 °C
• Temperaturę korygujesz o ±20–40 °C zależnie od masy termicznej złącza, wielkości grota i wrażliwości elementu.

Szczegółowa analiza problemu

1. Rodzaj spoiwa (temperatura topnienia Tm)
   • Sn63/Pb37 – Tm = 183 °C (eutektyk) → typowy start 320 °C
   • Sn60/Pb40 – Tm = 183–190 °C → 320–350 °C
   • SAC305/SAC405 – Tm ≈ 217–221 °C → 350 °C start, 370–380 °C przy dużych padach
   • Stopy niskotemperaturowe Sn42Bi58 – Tm ≈ 138 °C → 240–260 °C (rework OLED, flex-PCB)

2. Masa termiczna złącza
   • Małe SMD 0402/0603 – obniż temp. o 10–20 °C.
   • Duże złącza z ground-plane, przewody AWG18 – podnieś o 20–40 °C lub użyj większego grota/podgrzewacza.

3. Czas/energia vs. temperatura
   • Celem jest dostarczenie ~25–40 J/cm² w < 3 s. Za niska temperatura → reologia lutu > 1 Pa·s, słabe zwilżanie.
   • Za wysoka → > 400 °C: gwałtowne utlenianie Sn, degradacja topnika, wędrówka ciepła do laminatu (delaminacje przy 260 °C).

4. Profil termiczny reflow (SMT)
   • SnPb: peak 235 ± 5 °C, time-above-183 °C < 60 s.
   • SAC: peak 245–250 °C, time-above-217 °C < 90 s.
   • Low-T BiSn: peak 170 °C, time-above-138 °C < 90 s.

5. Wrażliwość komponentu (datasheet)
   • Standardowe plastiki: 260 °C/10 s.
   • Varystory, kryształy, MEMS: 235–245 °C.
   • LED RGB-high-power: 260 °C ale < 3 s/pad, maks. 2 reflow.

6. Grot i sprzęt
   • Im większa pojemność cieplna grota (dłuto, „hoof”), tym niższą temp. można pracować.
   • Stacje z kompensacją PID utrzymują ±2 °C – pozwalają zejść o 10–15 °C względem tanich kolb.

7. Topnik
   • Aktywacja typowych ROL0: 180–190 °C; RMA: 160 °C; bezrozpuszczalnikowe żele LPC: 220 °C.
   • Jeśli topnik nie osiągnie temperatury aktywacji – objawy jak przy zimnym lucie.

Aktualne informacje i trendy

• Przemysł masowy przechodzi na stopy niskotemperaturowe SnBiAg dla płytek HDI i modułów kamer (mniejsze naprężenia termiczne).
• Coraz częstsze lutowanie w atmosferze azotu w automacie – pozwala obniżyć szczyt o 5–10 °C i zredukować tlenki.
• Roboty lutujące (laser, selektywna fala) pracują przy szczytach 260–275 °C dla SAC dzięki lokalnemu podgrzaniu.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Różnica między temperaturą grota (Tgrot) a Tm spoiwa powinna wynosić 100 – 150 °C przy lutowaniu ręcznym – to gwarantuje gradient potrzebny do szybkiego przepływu ciepła.
• Wzór szacujący minimalną temperaturę grota:
  \[ T\text{grot-min} ≈ T\text{m} + \frac{Q}{hA\,t} + ΔT_{\text{strat}} \]
  gdzie Q – energia wymagana do ogrzania złącza, hA – współczynnik przewodzenia/konwekcji, t – docelowy czas lutowania.

Przykład: pad 3 × 3 mm SMD, masa 0,04 g, Q ≈ 6 J. Przy dobrym grocie (hA ≈ 10 W/K) i t = 2 s otrzymamy ΔT ≈ 30 °C → Tgrot-min ≈ 217 °C + 30 °C + 20 °C strat = ~270 °C. Dodaj bufor bezpieczeństwa 40 °C → 310 °C, co pokrywa się z praktyką.

Aspekty etyczne i prawne

• Dyrektywa RoHS (2011/65/EU + (UE)2015/863) ogranicza Pb < 0,1 %. Pb-luty dopuszczone wyłącznie w serwisie legacy lub sprzęcie militarnym/medycznym z wyłączeniem.
• Bismut w stopach SnBi jest dopuszczalny, ale recykling mieszań SnBi ↔ SnCuAg utrudnia odzysk surowców – obserwuje się zalecenia projektowe ograniczające wymieszanie odpadów.
• Bezpieczeństwo pracy: temperatura > 300 °C → emisja kalafonii (klasyfikowana jako czynnik alergizujący); wymagana wentylacja punktowa 0,5 m³/min.

Praktyczne wskazówki

1. Ustaw 320 °C (SnPb) lub 350 °C (SAC) → sprawdź, czy spoina formuje się w ≤ 3 s.
2. Jeśli tak – obniż temp. o 10 °C i powtarzaj, aż czas zacznie przekraczać 3 s; wróć o 10 °C w górę – to Twoja „optymalna”.
3. Zmieniasz grot na mniejszy? Podnieś 10–15 °C. Lutujesz masywną masę? Skorzystaj z podgrzewacza 120 °C zamiast podnoszenia grota do 400 °C.
4. Zawsze cynuj grot przed odstawieniem – warstwa lutu chroni przed utlenianiem.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Płytki z laminatu PTFE lub Al₂O₃ wymagają przedlutowania padów stopem aktywnym; standardowe temperatury mogą być niewystarczające.
• Zbyt niska temperatura częściej daje usterkę polimorficzną – spoiny pękają po kilku cyklach termicznych (IRM duże).

Sugestie dalszych badań

• Ocena wytrzymałości mechanicznej spoin SnBi vs. SAC po 1000 cyklach −40 ↔ 125 °C.
• Analiza wpływu atmosfery N₂/H₂ na redukcję tlenków i możliwość dalszego obniżenia szczytu reflow.
• Zastosowanie lutów o bazie SnAgCuMg (mikrododatki Ni, Ge) – zwilżalność zbliżona do SnPb przy 5 °C niższej temperaturze.

Krótkie podsumowanie

Optymalna temperatura lutowania to taka, która zapewnia właściwe zwilżenie w możliwie krótkim czasie, nie degradując elementu ani laminatu. Praktycznie oznacza to 300–340 °C dla stopów SnPb oraz 340–380 °C dla stopów bezołowiowych, z korektą w górę lub w dół zależnie od masy cieplnej złącza, zastosowanego topnika i sprzętu. Stosuj zasadę „najniższej skutecznej temperatury”, wspieraj się podgrzewaniem wstępnym oraz odpowiednio dobranym grotem – to gwarancja pewnych, trwałych i zgodnych z RoHS połączeń lutowanych.