Lötpulver: IPC-Typ und Oberflächenbereich

Montag, 3. Oktober 2011, von Andy Mackie

Die Partikelgröße und Partikelform des Lötpulvers beeinflussen die Funktionalität der Lötpaste auf viele Arten: Drucken/Dosieren/Eintauchen; Lötkugeln; Graping; Void-Bildung; Klebrigkeit und so weiter.

Aus diesem Grund habe ich ein paar interessante Monate lang eine branchenübergreifende Gruppe (zwei Lötpastenanbieter und zwei Lötpastenbenutzer) geleitet, um meinem langjährigen Freund Brian Toleno, Vorsitzender der IPC 5-24b (Solder Paste Task Group) (Lötpasten-Arbeitsgruppe) bei der Fertigstellung der endgültigen Version der J-STD-005A zu helfen. Die Bedenken betrafen die Definitionen der Pulvergröße in der Paste: sowohl die Verteilung, als auch die “maximal zulässige Partikelgröße”. Wir kamen zu einem schönen, industrieübergreifenden Konsens, welcher die Veröffentlichung der J-STD-005A als Dokument, im Jahre 2012 ermöglichen sollte. Ich habe außerdem aktuelle Forschungen von Kollegen gesehen, die sich mit dem Einfluss der Partikelgröße auf den Oberflächenbereich befassen. Ich habe die Herleitung dieser Arbeit nicht gesehen, deshalb will ich Ihnen zeigen, wie man den Oberflächenbereich eines Lötpulvers in einer Paste berechnet.

Nehmen wir eine Lötpaste mit x Gew.-% an. [Beachten Sie: Wenn die Lötpulvergröße (Durchmesser) kleiner wird, wird der Metallgehalt üblicherweise ebenfalls um 0,5% oder mehr verringert, um die Grenzschicht aus thixotropem Flussmittel, welches an der Partikeloberfläche haftet, zu ersetzen. Aber lassen Sie uns erst ein Mal davon ausgehen, dass x nicht von der Partikelgröße abhängt]. 1 Gramm Lötpaste enthält also (x/100) Gramm Lötmetall.

Wenn das Metall eine Dichte von r (rho) besitzt, ist das Volumen des Metalls (v) pro Gramm Lötpaste:

               v = x / (r * 100)

Lassen Sie uns annehmen, dass die Metallpartikel monodisperse (d.h.: alle haben den selben Durchmesser (d)), somit ist die Anzahl der Partikel pro Gramm Paste (n) einfach v (gesamtes Volumen des Metalls pro Gramm) geteilt durch das Volumen eines Partikels (v_p).

               n = v / v_p = x / (r * 100 * (4/3) * pi * (d/2)³ )

Nun können wir durch unsere Kenntnis von n und dem Oberflächenbereich pro Lötpulverpartikel (s_p), auch den Oberflächenbereich des Lötpulvers (s) pro Gramm Paste berechnen:

               s = n * s_p = n *4 * pi * (d/2)²

Um zu zeigen, dass das Verhältnis des Oberflächenbereichs zum Volumen lediglich eine Umkehrfunktion des Partikelradius' oder -durchmessers ist, braucht man nur einfache Algebra (dies lasse ich Sie als Hausaufgabe machen):

Vor einer Weile habe ich eine kleine numerische Integration in Excel gemacht, um den Einfluss, welchen der Pulvertyp auf die Populationsverteilung hat zu zeigen, und somit, wie der Pulvertyp (2,3,4,5 und so weiter) den Oberflächenbereich beeinflusst, wobei ich ein paar Annahmen zur Breite der Verbreitung eingeworfen habe. Die Ergebnisse sind unten zu sehen und entsprechen so ziemlich dem, was man erwarten würde. Wenn man von Typ 3 zu Typ 6 geht, sieht man eine etwa 10-fache Verkleinerung des Oberflächenbereichs.

Bis bald!

Andy

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