Golfsolderen vs. reflosolderen: Uitgebreide vergelijking voor PCB-assemblage

Inleiding: Solderen in moderne elektronica

Naarmate hedendaagse elektronica omarmt wordt voor lichtgewicht, toenemende efficiëntie en hoge snelheid, past elk schakel van het fabricageproces zich aan deze filosofie aan, inclusief printed circuit board (PCB) assemblage. Solderen speelt een essentiële rol in het bepalen van het succes van elektronische producten, aangezien elektrische verbindingen afstammen van precies solderen. Vergeleken met handsolderen is automatische solderen breed geselecteerd vanwege de voordelen van hoge nauwkeurigheid en snelheid, en de eisen van grote volumes en hoge kosteneffectiviteit. Als toonaangevende soldertechnologieën voor assemblage zijn golfsolderen en reflosolderen het meest breed toegepast voor hoge-kwaliteit assemblage; de verschillen tussen de twee technologieën blijven echter veel mensen verwarren, en wanneer elk gebruikt moet worden is ook vaag.

Verschillen tussen solderen, lassen en hard solderen

Voordat we golfsolderen en reflosolderen formeel vergelijken, is het van significant noodzakelijk om de verschillen tussen solderen, lassen en hard solderen te begrijpen. Kort gezegd: lassen verwijst naar het proces waarin twee gelijke metalen gesmolten worden om samen te binden. Hard solderen verwijst naar het proces waarin twee metalen stukken samen gebonden worden door te verwarmen en vulmateriaal of legering te smelten bij hoge temperatuur. Solderen is eigenlijk een laagtemperatuur hard solderen, en het vulmateriaal heet soldeer.

Loodvrij vs. loodbevattend solderen

Bij PCB-assemblage wordt solderen toegepast via soldeerpasta. Solderen met soldeerpasta die gevaarlijke stoffen bevat zoals lood, kwik, etc. heet loodsolderen, terwijl solderen met soldeerpasta zonder gevaarlijke stoffen loodvrij solderen heet. Lood of loodvrij solderen moet gekozen worden volgens de specifieke eisen van producten waarvoor de geassembleerde PCBs ontworpen zijn om te werken.

Golfsolderen

Zoals de naam impliceert, wordt golfsolderen gebruikt om PCBs en onderdelen te combineren door een vloeibare "golf" gevormd als resultaat van motoragitatie. De vloeistof is eigenlijk gesmolten tin. Het wordt uitgevoerd in een golfsolder machine.

Vier stappen van het golfsolderproces

1. Flux sproeien. Schoonheid van metaaloppervlakken is het basiselement dat solderprestaties garandeert, afhankelijk van de functies van soldeerflux. Soldeerflux speelt een cruciale rol in de soepere uitvoering van solderen. Primaire functies: oxide elimineren van het metaaloppervlak van printplaten en componentenpoten; printplaten beschermen tegen secundaire oxidatie tijdens het thermische proces; oppervlaktespanning van soldeerpasta reduceren; en warmte overdragen.
2. Pre-verhitting. In een pallet langs een ketting gelijkend aan een transportband, reizen printplaten door een warmte-tunnel om pre-verhitting uit te voeren en flux te activeren.
3. Golfsolderen. Naarmate de temperatuur constant stijgt, wordt soldeerpasta vloeibaar met een golf gevormd vanaf de rand waar printplaten boven langs reizen. Componenten kunnen stevig op printplaten gebonden worden.
4. Afkoelen. Het golfsolderprofiel volgt een temperatuurcurve. Als de temperatuur de piek bereikt in de golfsolderfase, wordt het verlaagd, wat een afkoelzone heet. Na afkoelen tot kamertemperatuur is de printplaat succesvol geassembleerd.

Belang van tijd en temperatuur

Tijd en temperatuur zijn nauw verbonden met solderprestaties. Een professionele golfsolder machine is noodzakelijk, terwijl de expertise en ervaring van de PCB-assembleur zelden makkelijk te verkrijgen zijn, aangezien ze afhangen van toepassing van up-to-date technologieën en bedrijfsfocus. Als de temperatuur te laag is ingesteld, smelt flux niet correct, wat de capaciteit om te reageren en oxide en vuil op het metaaloppervlak op te lossen vermindert. Bovendien wordt het legering niet gegenereerd door flux en metaal als de temperatuur niet voldoende hoog is. Andere factoren zoals snelheid van de banddrager, golfcontacttijd, etc. moeten in overweging worden genomen.

Reflosolderen

Reflosolderen lijmt componenten permanent die eerst tijdelijk op hun pads op printplaten zijn vastgezet met soldeerpasta die gesmolten wordt door hete lucht of andere thermische stralingsgeleiding. Reflosolderen wordt uitgevoerd in een machine genaamd reflow soldering oven. Elektrische componenten worden tijdelijk aan contactpads bevestigd vóór solderen met behulp van soldeerpasta.

Vier fasen van het reflosolderproces

• Pre-verhitting. Deze stap dient twee doeleinden: printplaten consistent de vereiste temperatuur laten bereiken voor thermisch profilering; en vluchtige oplosmiddelen in soldeerpasta expelleren. Anders wordt solderkwaliteit gecompromitteerd.
• Thermische dooiing (Thermal Soak). Net als golfsolderen hangt reflosolderen af van flux in soldeerpasta. De temperatuur moet een niveau bereiken waarop flux geactiveerd kan worden, anders faalt flux zijn rol in het solderproces.
• Reflosolderen. Deze fase treedt op wanneer de piektemperatuur bereikt is, waardoor soldeerpasta gesmolten en gereflowd wordt. Temperatuurcontrole speelt een cruciale rol. Te lage temperatuur stopt soldeerpasta voldoende te reflown; te hoge temperatuur kan schade veroorzaken aan SMT-componenten of printplaten. Bijvoorbeeld, een BGA-package bevat meerdere soldeerballen die gesmolten worden tijdens reflosolderen. Als de soldertemperatuur niet het optimale niveau bereikt, kunnen die ballen oneven smelten, en kan BGA-solderen lijden door herwerk.
• Afkoelen. De temperatuur daalt snel na de piektemperatuur. Afkoelen laat soldeerpasta verstijven, componenten permanent vast op contactpads op printplaten.

Toepassing op THT

Reflosolderen kan toegepast worden in zowel SMT als through-hole technology (THT) assemblage, maar wordt primair in de eerste gebruikt. Bij toepassing op THT-assemblage wordt meestal pin-in-paste (PIP) gebruikt. Eerst vult soldeerpasta gaten in de printplaten. Vervolgens worden componentenpoten in de gaten gestoken, met wat soldeerpasta aan de andere kant van de printplaat tevoorschijn komend. Tenslotte wordt reflosolderen geïmplementeerd om de soldering te voltooien.

Golfsolderen vs. Reflosolderen: De essentiële verschillen

Het verschil tussen golfsolderen en reflosolderen mag nooit genegeerd worden, aangezien veel gebruikers geen idee hebben welke te selecteren bij aankoop van PCB-assemblagediensten. Een wijziging in solderen veroorzaakt veranderingen in het gehele assemblage-fabricageproces, inclusief productie-efficiëntie, kosten, time-to-market, winst, etc.

Kernverschil: Flux sproeien

Het essentiële verschil ligt in flux sproeien — golfsolderen bevat deze stap, reflosolderen niet. Flux stelt dioxidealiminatie en oppervlaktespanningsreductie in het te solderen materiaal in. Flux werkt alleen wanneer geactiveerd, wat strikte naleving van temperatuur- en tijdscontrole vereist. Omdat flux in soldeerpasta zit bij reflosolderen, moet fluxinhoud passend geregeld en bereikt worden.

Solderdefecten

Solderdefecten lijken onvermijdelijk. Het is onmogelijk te bepalen welke soldertechnologie meer defecten creëert, omdat het proces elke keer anders is. Ondanks de onvermijdelijkheid, kan hun frequentie gereduceerd worden wanneer assembleurs zich houden aan professionele assemblage-fabricagereglementen, en volledig op de hoogte zijn van kenmerken en prestaties van alle apparatuur op de productielijn. Daarnaast moet engineering-personeel gekwalificeerd en geregeld getraind zijn om tempo te houden met moderne technologieën.

Richtlijnen voor keuze

In het algemeen werkt reflosolderen het beste voor SMT-assemblage, terwijl golfsolderen het beste werkt voor THT of DIP-assemblage. Echter, een printplaat bevat bijna nooit zuivere SMD's (surface mount devices) of through-hole componenten. Bij gemengde assemblage wordt SMT normaal eerst uitgevoerd en daarna THT of DIP, aangezien de temperatuur voor reflosolderen veel hoger is dan voor golfsolderen. Als de volgorde omgekeerd zou zijn, zou vast soldeerpasta mogelijk weer gesmolten worden, met goed gesoldeerde componenten die lijden onder defecten of zelfs van de printplaat vallen.