2.2 Lutowanie - Podstawy - Kalafonia i cyna

W związku z tym, że ostatnio bardzo popularna stała się seria Gra o Tron, w której występują dwie książki (części jednego tomu: Nawałnicy Mieczy) pod tytułami "Stal i śnieg" oraz "Krew i złoto", postanowiłem zatytułować ten wpis "Kalafonia i cyna" żeby tym tanim chwytem pozyskać przychylność fanów tejże serii (którą sam bardzo lubię) ;>.
To, no i fakt, że kalafonia jest najczęściej używanym topnikiem, a cyna jest głównym składnikiem wszystkich spoiw lutowniczych jakich używa się w elektronice - trudno więc ich nie umieścić w tytule ;)

Do rzeczy więc.


2. Spoiwo lutownicze (lutowie, cyna, tinol)

Szpulki spoiwa lutowniczego - stop cyny (60%) z ołowiem (40%) czyli jeden z najpopularniejszych stopów w elektronice. Oba tinole są z rdzeniami topnikowymi. Obie szpulki mają wagę 0,1kg. Po lewej szpulka drutu o średnicy 0,7mm bardzo dobra do lutowania elektroniki, po prawej średnica 3mm - drut za gruby do zastosowań elektronicznych.

Kiedy już masz lutownicę, potrzebujesz spoiwa którym będziesz elementy lutować.
Najczęstszym spoiwem w elektronice amatorskiej jest stop cyny (Sn) z ołowiem (Pb) mający skład 63% Sn 37% Pb.
Jest to stop eutektyczny - po ludzku mówiąc oznacza to, że w określonej temperaturze (dla tego stopu 183 stopnie Celsjusza) stop zmienia stan skupienia - topi się i, co ważniejsze w drugą stronę, zastyga, bez przechodzenia przez fazę plastyczną.
Ma to o tyle duże znaczenie, że przy spoiwach nie mających tej cechy faza plastyczna, kiedy spoiwo przez chwilę nie jest już całkiem płynne, ale też nie jest jeszcze całkiem stałe - będąc miękkie jak plastelina, oznacza znacznie większą możliwość powstawania błędów lutowniczych przez poruszenie elementu w nie do końca zastygniętym spoiwie.
Innym często używanym spoiwem jest stop 60% Sn 40% Pb o podobnych właściwościach do powyższego.
Sporo jest również podobnych stopów z 1-3% domieszkami srebra (Ag) i bizmutu (Bi).

1 lipca 2006r. weszła w życie dyrektywa Unii Europejskiej pod nazwą RoHS (ang. Restriction of Hazardous Substances - Ograniczenie Niebezpiecznych Substancji), wprowadzona do prawa polskiego 27 marca 2007r. Oraz podobne ustawy w państwach poza UE (bla, bla, bla, prawo, prawo, bla bla - wiem ;).

Ich celem jest m.in. ograniczenie użycia (i przez to przedostawania się do środowiska) takich substancji jak ołów, który jest szkodliwy i kumuluje się w organizmie (dlatego nie jedz lutowia, nie trzymaj w ustach, myj ręce, nie trzyj oczu, nie jedz w miejscu gdzie lutujesz i trzymaj lutowie z dala od dzieci; więcej o niebezpieczeństwach w elektronice było we wcześniejszym wpisie).
Z tego powodu w zastosowaniach przemysłowych zabronione jest używanie spoiw lutowniczych zawierających ołów, jednak w zastosowaniach amatorskich nadal jest to dozwolone.
To znaczy że jeśli nie wprowadzasz swoich produktów do obiegu sprzedając je jest ok - jeśli planujesz je sprzedawać, zapoznaj się z tymi przepisami żeby wiedzieć czy dotyczą cię wyjątki, czy musisz używać spoiw bezołowiowych.

Spoiwa bezołowiowe to spoiwa takie jak wymienione poniżej (cyna stanowi większość stopu, wartość % tylko dla pozostałych składników, cyna stanowi dopełnienie do 100%; w nawiasie temperatury topnienia w stopniach Celsjusza):
Sn Ag 3,5% (221)
Sn Ag 2,0% (221-226)
Sn Cu 0,7% (227)
Sn Ag 3,5% Bi 3,0% (206-213)
Sn Bi 7,5% Ag 2,0% (207-212)
Sn Ag 3,8% Cu 0,7% (217)
Sn Ag 2,6% Cu 0,8% Sb 0,5% (216-222)

Jak łatwo zauważyć, temperatury są wyższe od 183 stopni najpopularniejszego stopu cyny z ołowiem. Oznacza to tak większą łatwość uszkadzania elementów elektronicznych (co jednak nie jest dużym problemem przy dobrej technice lutowania, może poza najwrażliwszymi częściami i/lub sprzętem który ma przetrwać na prawdę długo i/lub w ciężkich warunkach), oraz szybsze zużycie części lutownic (głównie grzałki) i grotów.

Jak widać przy niektórych stopach podany jest zakres temperatur, co oznacza że przechodzą one przez fazę plastyczną, co jak wspomniałem zwiększa ryzyko błędów lutowniczych.
Dodatkowo zmorą elektroniki bezołowiowej są tak zwane wąsy cynowe - problem przez który wprowadzony został ołów do stopów lutowniczych ponad pół wieku temu. Przy długotrwałym użytkowaniu układów elektronicznych w części lutów wykonanych lutowiem bezołowiowym powstają wąskie, szpilkowate wypustki cyny mogące powodować zwarcie i w efekcie awarię albo i zniszczenie układu.

Wąsy cynowe powstające samoistnie na lutach bezołowiowych. Źródło: Wikipedia

Ponadto kolejnym problemem jest to, że większość lutów bezołowiowych nie błyszczy tak ładnie jak luty ołowiowe. O ile aspekt estetyczny nie jest aż tak ważny, bardzo ważne jest to, że wpływa to na trudność sprawdzenia poprawności lutu - lut ołowiowy który nie błyszczy jest prawie na pewno do poprawienia, bo został niedogrzany albo przegrzany (i został wypalony cały topnik). Lut bezołowiowy zawsze jest matowy, więc brakuje tej wskazówki.

Ogólnie więc rzecz biorąc poza aspektem ekologicznym spoiwa bezołowiowe są do bani ;P

Co prawda firmy elektroniczne starają się wynaleźć przepis na lutowie bezołowiowe które będzie miało tak dobre właściwości jak ołowiowe - ale jeszcze żadnej się nie udało jak do tej pory.
Nawet jeśli bardzo lubisz 'zielone' technologie, polecam rozpoczynać przygodę z elektroniką od lutowia ołowiowego - przynajmniej dopóki nie nauczysz się wykonywać poprawnych lutów za każdym razem. Bo jak wspomniałem o wiele łatwiej dostrzec błędy lutownicze przy lutowiu ołowiowych niż bezołowiowych.
Potem możesz się przesiąść na bezołowiowe jeśli tylko zechcesz.

Forma lutowia:
Najbardziej znanym i kojarzonym jest lutowie w formie drutu - zwane tinolem.
Nas interesuje głównie lutowie o średnicy 0,6-1mm. Ja osobiście używam głównie 0,7mm. Jest dobre tak do elementów przewlekanych (przy zbyt cienkim trzeba podać zbyt dużą długość żeby wytworzyć poprawny lut, bo przegrzewa się lutowie i elementy) jak i do SMD (za grube nie pozwala cynować malutkich padów - miejsc wyznaczonych do przylutowania elementów elektronicznych - na płytce i wyprowadzenia elementów elektronicznych).
Istnieją elementy do których lepszy jest tinol o mniejszej średnicy - nowoczesne układy scalone o bardzo wąskich nóżkach, ale jak do tej pory nie miałem potrzeby ich lutować i zdecydowanie nie jest to tematyka dla początkujących, a raczej specjalistyczne zastosowanie.

Szpulki tinolu są sprzedawane zwykle w określonej długości (1,5m; 3m itd.) albo z określoną wagą (0,1kg; 0,2kg; 0,5kg) - szpulka 0,1kg (jak na zdjęciu) jest jak najbardziej wystarczająca na początek, później w trakcie pracy dowiesz się ile zużywasz i ile faktycznie potrzebujesz kupować.
Można też kupić tinol w fiolce - drut zwinięty w sprężynkę i zapakowany w pojemnik o kształcie cylindra - podobno dosyć wygodny w użyciu, sam nie sprawdzałem, bo kosztuje nieco więcej niż zwykła szpulka z drutem, która wydaje mi się wystarczająca.

Należy też sprawdzić czy dane spoiwo lutownicze zawiera rdzeń (lub rdzenie) z topnikiem. Będzie to napisane na etykietce.
Cyna bez topnika (a tym bardziej grube o trójkątnym przekroju laski lutowia do lutowania blach i rur) praktycznie nie nadaje się do elektroniki. Dlaczego? O topnikach w następnym podpunkcie. W każdym razie lutowanie cyną bez topnika będzie niewygodne, pracochłonne i będziesz potrzebować dodatkowo topnika i tak, i tak.

Istnieją różne pasty lutownicze - składają się głównie ze zmielonego lutowia i topnika - są wygodne przy lutowaniu elementów montowanych powierzchniowo, podobnie kulki BGA aplikowane przez specjalne sita na pady pod rozmaite układy scalone dopasowane do ich kształtu i wyprowadzeń.
Jest to wygodne i może przyspieszać pracę, ale nie jest niezbędne - cynowanie takich niewielkich padów jest też możliwe i dosyć wygodne lutownicą z grotem 'minifala' (albo 'mikrofala' - nie mylić z mikrofalami jako promieniowaniem elektromagnetycznym, nie ma to nic wspólnego, z resztą, w internecie o wiele łatwiej wyszukiwać pod hasłem 'minifala', bo inaczej w wynikach pełno jest wszędobylskich kuchenek mikrofalowych ;P ). Więcej o grotach w dalszych wpisach.

Ogólnie zwykły tinol z rdzeniem z topnika oraz dodatkowy topnik pozwolą załatwić praktycznie wszystko.

Szpulka 0,1kg tinolu 0,7mm kosztuje gdzieś ok 30-35zł, ale powinna starczyć na dosyć długo jeśli nie prowadzisz produkcji masowej ;)

Osobiście posiadam też dodatkowo szpulkę 0,1kg tinolu 3mm, ale nie do zastosowań stricte elektronicznych - bywa przydatny do cynowania przewodów oraz do szybkiego cynowania grotów lutownic.


3. Topnik

Topniki których używam: 1. Kalafonia - prawie nowe, ledwie napoczęte opakowanie, 2. Kalafonia rozpuszczona w spirytusie, naciągnięta do strzykawki z igłą do wygodnego dozowania na lutowane/rozlutowywane miejsca, 3. Aspiryna do użytku w sytuacjach krytycznych przy przyprawiających o ból głowy mocno zanieczyszczonych elementach, 4. Pędzelki do szybkiego rozsmarowywania roztworu kalafonii na większych powierzchniach i do zmywania zabrudzeń spirytusem.

Topniki są substancjami ułatwiającymi lutowanie przez oczyszczanie chemiczne (redukowanie - odtlenianie) łączonych metali dzięki ogólnej reakcji którą można zapisać jako:

tlenek metalu + kwas ==> metal + sól (która nam zwykle nie przeszkadza) + woda (która odparowuje)

Topnik jest trzecim i ostatnim elementem obok lutowia i lutownicy niezbędnym do lutowania. Jest niezbędny, ponieważ na powierzchni elementów lutowanych powstaje zawsze mniejsza lub większa warstwa tlenków tych metali z których są zrobione - szczególnie łatwo na powierzchniach miedzianych, a przecież z miedzi są ścieżki obwodów drukowanych na płytkach oraz rozmaite kable i przewody.

Topniki spełniają zwykle trzy funkcje:
- usuwają tlenki i inne zanieczyszczenia, jak choćby pozostałości tłuszczu po dotykaniu ich, czy zabrudzenia związane z przechowywaniem elementów przez dłuższy czas,
- zapobiegają powstanie nowych tlenków podczas lutowania (odcinając fizycznie kontakt z powietrzem),
- ułatwiają topienie i zwiększają płynność lutu - zmniejszają jego napięcie powierzchniowe, dzięki czemu lutowie o wiele łatwiej wpływa między łączone powierzchnie wciągane kapilarnie w wąskie przestrzenie, oraz łatwiej tworzy dobre połączenie między elementami dobrze je zwilżając i mogąc tworzyć silne połączenie dyfundując (o tym było we wpisie 2.0 ;).

O ile lutowanie nowych elementów na nowej płytce przy pomocy świeżej cyny z rdzeniem z topnika może być łatwe, błyskawicznie docenisz posiadanie zapasu dobrego topnika kiedy zaczniesz mieć do czynienia ze starszymi elementami np. wylutowywanymi ze starych, niepotrzebnych płytek, pokrytych kurzem, brudem, smarami, nalotami tlenków, czy nadtrawionymi po rozlaniu się kondensatora elektrolitycznego i tak dalej, i tym podobne ;)
Z resztą, dlatego polecam zaczynanie nie od lutowania a od rozlutowywania - uczy to bardzo szybko zdrowego nawyku pod tytułem 'kalafonii nigdy za dużo'.

Kalafonia.
Bezsprzecznie najlepiej znany, najpopularniejszy i najłatwiej dostępny topnik, a jeśli np. grasz na skrzypcach albo tańczysz w balecie, może mieć też inne zastosowania ;P

Kalafonia jest robiona na bazie żywicy - głównie sosnowej. Powstaje po oddestylowaniu z niej terpentyny. Jest kruchą, żółtawo-brązową substancją trochę przypominającą bursztyn (w końcu to też żywica). Łatwo topi się w temperaturach używanych przy lutowaniu. Jest też stosunkowo łatwopalna, więc jeśli przegrzeje się ją na elementach/płytce/grocie spali się pozostawiając brązowo-czarny osad. Używa się jej szybko wkładając grot lutownicy w puszkę z kalafonią (zwykle jest sprzedawana w metalowych pojemnikach przypominających te na pastę do butów), a następnie szybko przenosząc odrobinę stopionej kalafonii na to co chcemy nią pokryć. Szybkość jest dość ważna właśnie po to, żeby jej nie spalić.
Kalafonia należy do topników typu 'no-clean', co oznacza że nie jest konieczne zmywanie jej nadmiaru z przylutowanych elementów i płytki, dzięki temu że kwas adypinowy będący jej aktywną substancją, po wystygnięciu zostaje zamknięty wewnątrz struktury kalafonii, przez co nie koroduje elementów i druku.
W przeciwieństwie do wielu innych topników kalafonia (i inne topniki 'no-clean') tworzy ochronną warstwę która zapobiega korozji odsłoniętych elementów metalowych.
Jednym z zastosowań kalafonii jest po rozpuszczeniu jej w spirytusie, smarowanie roztworem wytrawionych płytek, w szczególności jeśli nie wykonuje się ochronnej warstwy specjalnego lakieru (tzw. soldermaski) mającego chronić miedziane ścieżki. Dzięki temu zabiegowi nie tylko miedziane ścieżki są chronione przed wpływem atmosfery i wilgoci które spowodowałyby błyskawiczne utlenienie powierzchni, ale dodatkowo o wiele łatwiej później lutuje się na takiej płytce dzięki właściwościom kalafonii.

Kalafonia jest łatwo rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych np. acetonie, alkoholach (w tym etylowym), benzynie i wielu innych. Nie rozpuszcza się w wodzie.

Dzięki temu właśnie można wrzucając stała kalafonię do słoiczka i zalewając spirytusem (polecam używanie 95% spirytusu spożywczego, dzięki czemu otrzymuje się roztwór bez dodatkowych zanieczyszczeń, ale jako że 200ml kosztuje koło 15-18zł, niektórzy wolą używać bezbarwnego denaturatu który jest nieco mniej czysty, ale kosztuje bodaj koło 6-7zł za 500ml). Warto zrobić jak najbardziej nasycony roztwór powyżej pewnej ilości (nie podam dokładnych proporcji bo to zależy od rodzajów użytych alkoholu i kalafonii) dodając tylko po troszkę spirytusu do czasu aż kalafonia całkiem się rozpuści i ani trochę więcej - dzięki temu mamy więcej kalafonii w tej samej objętości, więc musimy potem mniej roztworu nałożyć. Dodatkowo przydaje się strzykawka i igła do precyzyjnego nakładania (do kupienia w aptece za grosze) oraz jakiś pędzelek do pokrywania większych powierzchni.

Takie aplikowanie kalafonii jest o wiele wygodniejsze niż nanoszenie stałej kalafonii grotem - szczególnie przy niewielkich elementach.
Uwaga: nie należy używać do tego celu spirytusu salicylowego - efektem jego pozostawienia na płytce będzie powstawanie kwasu salicylowego który może nadtrawiać ścieżki i elementy, podczas gdy zwykły spirytus etylowy (spożywczy) bardzo szybko kompletnie odparuje w temperaturze pokojowej bez pozostawiania zanieczyszczeń - jedynym co pozostanie będzie białawo-żółty osad kalafonii.
Tak, kwas salicylowy, popularna aspiryna też jest topnikiem, bardzo silnym, czasem przydatnym w ekstremalnych przypadkach - kładzie się elementy do zlutowania na tabletce i grzeje się lutownicą. Nie nachylać się, nie wdychać, bo opary są dość mocno żrące.

Uwaga! Jak wspominałem we wpisie na temat bezpieczeństwa, o ile topiona kalafonia całkiem sympatycznie pachnie żywicą, nie należy się zaciągać, bo produkty jej spalania (a tym właśnie jest unoszący się dym), zawierające cykliczne związki węgla, są rakotwórcze.
Należy zawsze lutować w dobrze wietrzonym pomieszczeniu, w miarę możliwości mając też jakiś wentylator - nawet najzwyklejszy wiatraczek z boku, tak żeby zwiewał dym w bok, z dala od ciebie. Sama cyna nie paruje w takich temperaturach - jeśli widzisz dymek unoszący się z rozgrzanej cyny, to właśnie spalasz topnik z rdzenia tinolu. Sama cyna (a raczej ołów w niej zawarty) nie jest szkodliwa dopóki jej nie zjesz albo nie włożysz do oka czy gdzie indziej gdzie są błony śluzowe. Więc nie przytrzymuj jej w ustach.

Dodatkowo kalafonia topiona może pryskać. Dlatego noś okulary ochronne podczas pracy.

W razie przypalenia kalafonii na płytce/elementach lutowanych konieczne jest zmycie przypalonych pozostałości, bo są one związkami węgla, które przewodzą elektryczność, więc mogą powodować zwarcia i nie działanie albo wręcz zniszczenie płytki i elementów elektronicznych.
Zmywamy jednym z wymienionych powyżej rozpuszczalników (znów - nie alkoholem salicylowym!). Ja używam do tego 95% spirytusu spożywczego.

Poklejone ręce, blaty i inny sprzęt (tak, kalafonia jak zwykła żywica jest lepka, szczególnie jeśli jest nałożona cienką warstwą, jak po rozpuszczeniu w spirytusie) można czyścić tym samym spirytusem albo benzyną (która ma tą wadę że może zostawiać zapach który nie wszyscy lubią, w przeciwieństwie do spirytusu który bardzo szybko odparowuje bez pozostawiania zapachu).
Zbyt częste mycie spirytusem/benzyną rąk mocno wysusza skórę, więc nie polecam, a jak się zdarzy, warto posmarować ręce jakimś natłuszczającym kremem (hej, to że pracujemy z elektryką/elektroniką nie znaczy bynajmniej że musimy wyglądać jak niezadbane, brudne wieśniaki - bez obrazy dla czystych i zadbanych osób mieszkających na wsi ;).

Koszt kalafonii to ok. 7zł za 35g pojemnik który starczy ci na dość długo. Koszt spirytusu jak już wspomniałem to jakieś 15-18zł za 200ml które też powinno wystarczyć na jakiś czas.

Inne topniki.
Jest bardzo wiele różnych topników, w tym o wiele bardziej agresywnych używanych w trudniejszych przypadkach oraz do lutowania trudniejszych materiałów niż nasze elementy - zwykle są to rozmaite kwasy, im trudniejsze lutowanie i im wyższe temperatury i odporniejsze metale - tym bardziej agresywne, żrące topniki.

Niektóre stopy cyny do lutowania bezołowiowego także wymagają bardziej agresywnych topników. Kolejny powód dla którego stopy bezołowiowe są złe ;)

Wiele innych topników wymaga zmywania ich odpowiednim rozpuszczalnikiem. Chyba że tak jak kalafonia są typu 'no-clean', co na pewno będzie zaznaczone na opakowaniu jako że jest ważne dla producenta bo topniki 'no-clean' może sprzedać drożej.

Różne pasty topnikowe są wygodne w nakładaniu na płytki, są różne topniki w formie płynnej, w sprayu itp. - jeśli będziesz potrzebować z pewnością znajdziesz coś wygodnego do zastosowania jakie planujesz.

W zwykłych zastosowaniach elektronicznych przy lutowaniu ołowiowym nie są konieczne. Jeśli masz problem z używaniem kalafonii i jej roztworu - poszukaj konkretniejszych informacji w internecie, zwykle łatwo je znaleźć. Ja nie mam żadnych większych doświadczeń z nimi, bo póki co wystarcza mi kalafonia i spirytus ;)

I warto powtórzyć - topnika nigdy za wiele, zwykle dodanie topnika rozwiązuje sporą część problemów jakie można mieć na początku z lutowaniem.

To by było na tyle jeśli chodzi o cynę i topniki.
W następnej części piszę o dodatkowych parafernaliach do lutownicy które nie są tak niezbędne, ale zdecydowanie ułatwiają życie, przyspieszają pracę i przedłużają życie sprzętu, czyli o gąbce i drapaku do czyszczenia grotów, a dalej w kolejnym, o grotach lutownic, więc zapraszam do dalszej lektury i jak zwykle w razie jakichkolwiek pytań czy komentarzy - zapraszam do komentowania ;)

Następna część: 2.3 Lutowanie - Podstawy - Dodatkowe akcesoria
Poprzednia część: 2.1. Lutowanie - Podstawy - Jaka lutownica?
Początek: 1. BHP i niebezpieczeństwa w elektryce i elektronice