I tidningen Elteknik nr 8 (april 1988) fanns ett par artiklar som för hemmapularen är mycket intressanta. Numret var ett produktionsspecial och de artiklar jag tänker på är "Förläng livet på lödställena" sid 34-38 och "Kalle klarar korten" sid 70-73.
Jag har varit i kontakt med Elteknik för att få tillstånd att återge hela artiklarna men det gick tyvärr inte. Däremot kommer här nedan en kort sammanfattning av det viktigaste. Om Du blir intresserad kan ett besök på biblioteket för läsning av originalet vara mycket väl använd tid.
"Förläng livet på lödställena" är skriven av Gert Becker som arbetar på LM Ericssons laboratorium för processteknisk utveckling.
Med utgångspunkt från ytmonteringens speciella problem visar han upp skrämmande exempel på hur lödningar åldras.
Ett lödställe har nämligen alltid en inbyggd och förutbestämd livslängd. Vid ytmontering utsätts dessutom lödställena för större påfrestningar än vid tidigare monteringssätt genom att komponenterna är stumt monterade och inte kan ta upp mekaniska spänningar. Artikelns resonemang är baserat på lödställen på hålmonterade eller ytmonterade kretskort men mycket av det som sägs kan överföras även på annan lödning.
Vid lödning förbinds material med olika utvidgningskoefficienter till ett lödställe. Vid temperaturpåverkan framkallar de olika temperaturkoeficienterna mekaniska påkänningar i lödstället samt medför deformationer vid varje ny temperaturcykel. Detta leder till brott i lödstället eftersom lodet normalt har lägsta hållfasthetsvärdena jämfört med de övriga ingående materialen i ett lödförband.
Även om man försöker att tillverka kretskort med samma utvidgningskoefficient som komponenterna så kommer lödstället att brista på grund av att lödställets temperatur varierar.
Vid uppvärmning utvidgar sig nämligen tenn mera i den ena riktningen än i den andra. Tennets kristallstruktur är anisotrop; den är tetragonalt rymdcentrerad.
Ett lödställe innehållande tenn går alltså alltid sönder med tiden även utan yttre belastning. Tennets egenskaper ger det en definierad begränsad livslängd. Det är bara en fråga om antal temperaturcykler och hur stor temperaturdifferensen är.
Dessa temperaturvariationer uppkommer t ex i förstärkare när de omväxlande är varma (vid drift) och kalla.
För att kunna förlänga livslängden hos ett lödställe måste temperaturen ligga under den så kallade rekristalliseringstemperaturen. Hos vanligt lod ligger den vid ca 15-35 grader Celcius.
70 graders arbetstemperatur på ett lödställe kan jämföras med en stålkonstruktion som arbetar vid 1000 grader C.
Överstiger temperaturen 120 grader är risken mycket stor att lödställets livslängd förkortas dramatiskt.
Viktigt är också hur jämn temperaturen är. Upprepade uppvärmningar och avkylningar är inte bra. Små temperaturvariationer (dvs + /- 5 grader) skall eftersträvas. Som stora temperaturvariationer räknas + /- 20 grader.
Det är bättre att välja högre driftstemperatur med små temperaturvariationer än låg driftstemperatur och stora temperaturvariationer.
Det som sker är att lodets struktur och kornstorlek påverkas redan vid avsvalningen efter lödningen. Även vid konstant rumstemperatur påverkas lödningens egenskaper. Förändringarna sker smygande men kan bli betydande efter en tid. Kristallkornen förgrovas, legeringsskiktet (som består av vid lödningen bildade föreningar mellan lodet och de metaller som löds) växer till på bekostnad av tennet och det sker en blyanrikning i lödstället.
Det är också intressant att se att sprickbildning börjar redan när ca 1 /3 av livslängden är uppnådd. Sedan kan sprickan fortsätta växa tills det blir fullständigt avbrott eller tills sprickan når en zon med så låga mekaniska spänningar att den inte längre kan fortsätta växa.
Dessa sprickor kan leda till intermittenta avbrott då sprickan ibland är så stor att det inte blir kontakt och ibland går ihop så att kontakt uppstår igen. Detta kan fortsätta tills ytorna är så oxiderade att ledande kontakt inte längre kan uppstå.
Lödställens livslängd påverkas också av vibrationer men dessa är i normalfallet inte så förödande som de termiska påkänningarna.
Ett (åtminstone av mig) mindre känt fenomen är att lödställets livslängd också påverkas av de intermetalliska skikt som bildas då man löder. Lodet ingår en legering med metallen som löds. Legeringarna som bildas när man löder med tenn på guld och andra material är spröda och är ofta anledningen till att sprickor bildas. En bild i artikeln visar med skrämmande tydlighet hur tex guldkristaller påverkar lödningen. Guld-tenn-kristaller syns som nålar i lodet. Från dessa spröda kristaller utgår ofta sprickbildning.
Speciellt guld anses vara förödande i dessa sammanhang och måste undvikas då man vet att ett lödställe kommer utsättas för utmattning. Botemedlet är att "avgulda" ytan före lödning.
Dessa små noteringar är endast utdrag av det jag tyckte var det viktigaste. Läs mer i Elteknik nr 8 1988.
Detta är en lite mer vetenskaplig beskrivning av livslängden på lödställen Klicka för större bild
I "Kalle klarar korten" beskrivs hur mönsterkortsdoktorn Kalle Karlsson på FFV Aerotech i Arboga arbetar med mönsterkortreparationer. Mycket är så speciellt att det kanske ännu inte är aktuellt för oss som inte arbetar med de problem som ytmontering ger då man behöver byta komponenter eller ändra ledningsdragning.
Det finns dock några guldkorn även för oss andra. BI a annat beskrivs hur lödtennet kristalliseras om man värmer det över 300 grader och hur detta påverkar hållbarheten. Sådant lödtenn går inte att återanvända och lödningen som bildas är i princip bara att göra om. Lödstället blir matt och gråaktigt i stället för blankt. En sorts "varmlödning" som är lika farlig och dålig som "kallödning" alltså.
Han beskriver också hur han använder lödfläta för att suga upp lödtenn vid avlödning av komponenter. En konst som kanske inte verkar så svår men som ändå bjuder på en del små fällor. Så här gör man alltså enligt Kalle Karlsson:
- Jag använder helst lödfläta, säger Kalle Karlsson. Det går fort, men man får inte värma för länge på samma ställe. Då lossnar kretskortfolien.
Kalle Karlsson visar hur han använder lödflätan. Han börjar med att klippa av flätänden, som har mörknat av värme. Sedan förtennar han de yttersta millimetrarna av flätan.
Kalle Karlsson lägger flätan över några folieöar med gammalt tenn på. Han värmer ovanpå flätan med lödkolven. Så snart tennet smält drar han undan flätan och lyfter upp den. Tennet följer med. Kvar på folieöarna finns bara en tunn, blank hinna.
När Kalle Karlsson har rensat tredje omgången löd-öar har ett par centimeter av lödflätan fyllts med tenn. Lite längre in är flätan mörk av oxider som bildas i värmen från lödkolven.
- När flätan ser ut så här så måste man klippa av den och förtenna igen, säger Kalle Karlsson. Det finns de som använder decimetervis med fläta utan att klippa bort änden. Men gör man på det sättet måste ju lödkolven värma upp en lång bit fläta på båda sidor om lödstället. Det tar tid och gör att kretskortet värms upp onödigt länge.
Detta om den sköna konsten att använda lödfläta.
I artikeln beskrivs också att det är omöjligt att löda på guld. Man är därför tvungen att avgulda de kretsar som skall lödas fast.
|