Golf- versus reflow-solderen:een uitgebreide vergelijking voor PCB-assemblage

Omdat hedendaagse elektronica lichtgewicht, toenemende efficiëntie en hoge snelheid omarmt, voldoet elke schakel van het productieproces ook aan deze filosofie, inclusief de assemblage van printplaten (PCB's). Solderen heeft een essentiële rol gespeeld bij het bepalen van het succes van elektronische producten, aangezien elektrische verbindingen voortkomen uit nauwkeurig solderen. Vergeleken met handmatig solderen wordt er op grote schaal gekozen voor automatisch solderen vanwege de voordelen van hoge nauwkeurigheid en snelheid, en de eisen van groot volume en hoge kosteneffectiviteit. Als toonaangevende soldeertechnologieën voor assemblage worden golfsolderen en reflow-solderen het meest toegepast op hoogwaardige assemblage; de verschillen tussen de twee technologieën blijven echter velen in verwarring brengen, en wanneer beide moeten worden gebruikt is ook vaag.

Figuur 1. De verschillen tussen solderen, lassen en hardsolderen.

Voorafgaand aan de formele vergelijking tussen golfsolderen en reflow-solderen is het van groot belang om de verschillen tussen solderen, lassen en hardsolderen te begrijpen (Figuur 1). Kort gezegd verwijst lassen naar het proces waarbij twee soortgelijke metalen worden gesmolten om aan elkaar te worden gehecht. Hardsolderen verwijst naar het proces waarbij twee stukken metaal aan elkaar worden gebonden door vulmiddel, of legering, bij een hoge temperatuur te verwarmen en te smelten. Solderen is eigenlijk hardsolderen bij lage temperatuur en het vulmiddel ervan wordt soldeer genoemd.

Als het om PCB-assemblage gaat, wordt er gesoldeerd door middel van 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 worden gekozen op basis van de specifieke eisen van producten waarvoor geassembleerde PCB's zullen worden ontworpen om te werken.

Golfsolderen

Zoals de naam al aangeeft, wordt golfsolderen gebruikt om PCB's en onderdelen te combineren via een vloeibare "golf" die wordt gevormd als resultaat van motoragitatie. De vloeistof is eigenlijk opgelost tin. Het wordt uitgevoerd in een golfsoldeermachine (Figuur 2).

Het golfsoldeerproces bestaat uit vier stappen:fluxspuiten, voorverwarmen, golfsolderen en afkoelen.

1. Flux-spuiten. De zuiverheid van metalen oppervlakken is het basiselement dat de soldeerprestaties garandeert, afhankelijk van de functies van de soldeerflux. Soldeervloeimiddel speelt een cruciale rol bij een soepele uitvoering van het solderen. De primaire functies van soldeervloeimiddel zijn onder meer het verwijderen van oxide van het metalen oppervlak van platen en componentpinnen; het beschermen van printplaten tegen secundaire oxidatie tijdens het thermische proces; het verminderen van de oppervlaktespanning van soldeerpasta; en warmte doorgeven.

2. Voorverwarmen. In een pallet langs een ketting, vergelijkbaar met een transportband, reizen printplaten door een warmtetunnel om voorverwarmen uit te voeren en flux te activeren.

3. Golfsolderen. Naarmate de temperatuur voortdurend stijgt, wordt soldeerpasta vloeibaar met een golf gevormd door de randplaten die erboven bewegen. Componenten kunnen stevig op platen worden verlijmd.

4. Koelen. Golfsoldeerprofiel voldoet aan een temperatuurcurve. Wanneer de temperatuur de piek bereikt in de golfsoldeerfase, wordt deze verlaagd, wat een koelzone wordt genoemd. Nadat het bord is afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt het met succes gemonteerd.

Figuur 2. Een voorbeeld van een golfsoldeermachine.

Omdat printplaten op een pallet worden geplaatst, klaar voor het golfsolderen, zijn tijd en temperatuur nauw verbonden met de soldeerprestaties. Wat betreft tijd en temperatuur is een professionele golfsoldeermachine noodzakelijk, terwijl de expertise en ervaring van de PCB-assembleur zelden gemakkelijk te verkrijgen zijn, omdat deze afhankelijk zijn van de toepassing van up-to-date technologieën en zakelijke focus.

Als de temperatuur te laag is ingesteld, wordt het vloeimiddel niet goed gesmolten, waardoor het vermogen om te reageren en oxide en vuil op het oppervlak van het metaal op te lossen wordt verminderd. Bovendien wordt de legering niet gegenereerd door vloeimiddel en metaal als de temperatuur niet voldoende hoog is. Er moet rekening worden gehouden met andere factoren, zoals de snelheid van de banddraaggolf, de golfcontacttijd, enz.

Over het algemeen bieden verschillende assembleurs, ook al wordt dezelfde golfsoldeerapparatuur gebruikt, een verschillende productie-efficiëntie vanwege de bedieningsmethoden en de mate van kennis over hoe de machine moet worden bediend.

Reflow-solderen

Bij reflow-solderen worden componenten permanent gelijmd die eerst tijdelijk op hun pads op printplaten worden geplakt met behulp van soldeerpasta die wordt gesmolten door hete lucht of andere thermische stralingsgeleiding. Reflow-solderen wordt geïmplementeerd in een machine die een reflow-soldeeroven wordt genoemd (Figuur 3). Zoals de definitie impliceert, worden elektrische componenten tijdelijk aan de contactvlakken bevestigd voordat er met soldeerpasta wordt gesoldeerd.

Dit proces bestaat hoofdzakelijk uit twee stappen. Eerst wordt soldeerpasta nauwkeurig op elke pad aangebracht via een soldeerpasta-stencil. Vervolgens worden de componenten door een pick-and-place-machine op pads geplaatst. Het echte reflow-solderen begint pas als deze voorbereidingen zijn getroffen.

• Voorverwarmen. Deze stap dient twee doelen tijdens reflow-solderen. Ten eerste maakt het het mogelijk dat platen zo worden geassembleerd dat ze consistent de vereiste temperatuur bereiken om volledig te voldoen aan thermische profilering. Ten tweede is het verantwoordelijk voor het verdrijven van vluchtige oplosmiddelen in soldeerpasta. Anders wordt de soldeerkwaliteit aangetast.

• Thermisch weken. Net als bij golfsolderen is reflow-solderen ook afhankelijk van de flux die in de soldeerpasta zit. Dienovereenkomstig moet de temperatuur een niveau bereiken waarop flux kan worden geactiveerd, anders slaagt de flux er niet in zijn rol te spelen in het soldeerproces.

• Reflow-solderen. Deze fase vindt plaats wanneer de piektemperatuur wordt bereikt, waardoor de soldeerpasta kan worden gesmolten en opnieuw kan worden gesmolten. Temperatuurregeling speelt een cruciale rol in het reflow-soldeerproces. Een te lage temperatuur zorgt ervoor dat de soldeerpasta niet voldoende terugvloeit; een te hoge temperatuur kan schade aan componenten of platen met Surface Mount Technology (SMT) veroorzaken. Een Ball Grid Array (BGA)-pakket bevat bijvoorbeeld meerdere soldeerballen die tijdens reflow-solderen worden gesmolten. Als de soldeertemperatuur niet het optimale niveau bereikt, kunnen deze balletjes ongelijkmatig smelten en kan het BGA-solderen lijden onder nabewerking.

• Koelen. De temperatuur zal snel dalen nadat de toptemperatuur is bereikt. Koellood-soldeerpasta om onderdelen te laten stollen en permanent te bevestigen op contactvlakken op platen.

Figuur 3. Reflow-solderen wordt uitgevoerd in een reflow-soldeeroven.

Reflow-solderen kan worden toegepast bij zowel SMT- als THT-assemblage (through-hole technology), maar wordt voornamelijk in het eerste geval gebruikt. Als het gaat om de toepassing van reflow-solderen op THT-assemblage, wordt meestal vertrouwd op pin-in-paste (PIP). Eerst vult soldeerpasta de gaten in de planken. Vervolgens worden de componentpinnen in de gaten gestoken, waarbij er aan de andere kant van het bord wat soldeerpasta naar buiten komt. Ten slotte wordt reflow-solderen geïmplementeerd om het solderen te voltooien.

Golfsolderen versus reflow-solderen

Het verschil tussen golfsolderen en reflow-solderen kan nooit worden genegeerd, omdat veel gebruikers geen idee hebben welke ze moeten kiezen bij de aanschaf van PCB-assemblagediensten. Een wijziging op het gebied van solderen heeft de neiging veranderingen in het gehele productieproces van de assemblage te veroorzaken. Deze veranderingen omvatten productie-efficiëntie, kosten, time-to-market, winsten, enz.

Figuur 4 illustreert het verschil tussen de soldeerprocesstappen. Het essentiële verschil tussen golfsolderen en reflow-solderen ligt in het fluxspuiten:golfsolderen omvat deze stap, terwijl reflow-solderen dat niet doet. Flux maakt dioxide-eliminatie en vermindering van de oppervlaktespanning in het te solderen materiaal mogelijk. Flux werkt alleen als het wordt geactiveerd, wat een strikte naleving van temperatuur- en tijdcontrole vereist. Omdat bij reflow-solderen vloeimiddel in de soldeerpasta zit, moet het vloeimiddelgehalte op de juiste manier worden geregeld en bereikt.

Figuur 4. De verschillen tussen processtappen van golfsolderen en reflow-solderen.

Soldeerfouten lijken onvermijdelijk. Het is onmogelijk om te bepalen welke soldeertechnologie meer defecten veroorzaakt dan de andere, omdat het proces elke keer verschilt. Ondanks de onvermijdelijkheid dat soldeerfouten optreden, kan de frequentie ervan worden verminderd als monteurs zich houden aan de professionele assemblageproductievoorschriften en zich volledig bewust zijn van de kenmerken en prestaties van alle apparatuur langs de productielijn. Bovendien moet het technisch personeel gekwalificeerd zijn en regelmatig worden opgeleid om gelijke tred te kunnen houden met de vooruitgang van de moderne technologieën.

Over het algemeen werkt reflow-solderen het beste voor SMT-assemblage, terwijl golf het beste werkt voor THT- of DIP-assemblage. Toch bevat een printplaat vrijwel nooit pure SMD's (surface mount devices) of through-hole componenten. Bij gemengde montage wordt normaal gesproken eerst SMT uitgevoerd en daarna THT of DIP, omdat de temperatuur die nodig is voor reflow-solderen veel hoger is dan die voor golfsolderen. Als de volgorde van twee assemblages wordt omgekeerd, zal vaste soldeerpasta mogelijk weer smelten, waarbij goed gesoldeerde componenten defecten vertonen of zelfs van het bord vallen.

Dit artikel is geschreven door Dora Yang, technisch ingenieur bij PCBCart, Hangzhou, China. Klik hier voor meer informatie.