Taal wijzigen
Introductie
Het reflow-solderen is een belangrijke productiestap tijdens de assemblage van printplaten , waarbij de verbindingen tussen de componenten en de printplaat betrouwbaar tot stand worden gebracht. Deze handleiding behandelt het reflow-soldeerproces, van de apparatuur en temperatuurprofielen tot de technieken die hoogwaardige resultaten opleveren. We bespreken ook enkele veelvoorkomende valkuilen en best practices om een perfecte assemblage te garanderen.
Solderen met reflow
Een zeer belangrijke methode om componenten op printplaten te bevestigen is reflowsolderen. Je begint met het aanbrengen van soldeerpasta op de printplaat met behulp van een stencil. Deze pasta bevat een metaallegering en flux die de componenten op hun plaats houden. Vervolgens wordt de printplaat verwarmd in een reflowoven. Hierdoor smelt de pasta en ontstaan er solide verbindingen. De oven doorloopt verschillende fasen: voorverwarmen, weken, reflowsolderen en afkoelen. Er wordt zorgvuldig op gelet dat elke fase niet beschadigd raakt. Dit is een goed SMT-proces en soms ook THT.
Belangrijkste aspecten voor een effectief reflow-soldeerproces
Dit zijn zaken waar u op moet letten bij uw reflow-soldeerproces, zodat u hoogwaardige printplaten kunt gaan produceren.
Geschikte machine
Het is erg belangrijk om de juiste machine te kiezen voor reflow solderen. Sterke, betrouwbare verbindingen komen neer op het hebben van de juiste apparatuur. Om alles te kunnen doen, hebt u een reflow oven en pick and place machine nodig die past bij uw productiebehoeften. Voor complexere opstellingen waarbij u veel componenten hebt, wilt u een grotere machine. Zonder een nauwkeurige temperatuurregeling op een hoogwaardige oven, kunnen gevoelige onderdelen beschadigd raken.
Reflow-soldeeroven
De sleutel tot sterke verbindingen met SMD-componenten en printplaten ligt in reflow-soldeerovens. In deze ovens wordt soldeerpasta verwarmd met behulp van gecontroleerde temperatuurprofielen, waardoor betrouwbare soldeerverbindingen ontstaan. Het proces bestaat uit vier fasen: opwarmen, reflow en afkoelen. Elke fase zorgt ervoor dat de soldeerpasta smelt zoals vereist en dat er solide verbindingen ontstaan zonder de componenten te beschadigen.
- Infrarood (IR) ovens – Het verwarmt PCB's met behulp van infraroodstraling in deze ovens. Maar ze brengen energie snel over naar de componenten en versterken het proces. Verschillende materiaalsoorten betekenen echter dat de verwarming ongelijkmatig kan zijn. Als gevolg hiervan kunnen er temperatuurverschillen over de PCB bestaan.
- Convectieovens – In deze ovens wordt hete lucht gebruikt om de PCB gelijkmatig te verwarmen. Uniforme verwarming wordt verkregen in geforceerde luchtconvectie via ventilatoren om lucht te verplaatsen. Met zo'n oven wordt alles wat u nodig hebt via speciale vloeistof overgebracht tussen twee dampfase ovens, wat zorgt voor consistente temperaturen.
Reflow-ovenzones
Verschillende zones van reflow ovens zijn voor nauwkeurige temperatuurregeling. In elke zone is er een temperatuurinstelling. Deze zones zorgen ervoor dat de hitte gelijkmatig wordt toegepast. Het helpt om goede, sterke soldeerverbindingen te maken. Vier hoofdzones vormen een typische reflow oven.
- Voorverwarmzone – De temperatuur stijgt langzaam in deze zone. Hierdoor wordt thermische schokbescherming van gevoelige componenten geboden. Componenten kunnen kromtrekken als de hitte niet geleidelijk genoeg kan zijn. De soldeerpasta kan drogen als het te langzaam is. De beste verwarmingssnelheid is 1-3 °C per seconde.
- Weekzone – De temperatuur is hier constant. Het helpt om de temperatuur van PCB. Oppervlaktereiniging wordt geactiveerd door de flux in de soldeerpastaHet levert bewezen consistente kwaliteit van soldeerverbindingen over de hele linie.
- Terugvloeizone – Het is waar de soldeerpasta smelt. Onze piektemperatuur ligt tussen 235°C en 250°C. Dan vormt deze hitte sterke verbindingen tussen de componenten en de PCB. De temperatuur moet op het juiste moment voor de juiste temperatuur worden gehandhaafd.
- Koelzone – De temperatuur daalt snel in de koelzone. En de soldeerpunten zijn nu gestold. Als de afkoeling te snel plaatsvindt, kan er schade ontstaan; als het te langzaam gebeurt, kunnen de punten zwak worden. De beste afkoelingssnelheid zou een constante van 2-4°C per seconde zijn.
Temperatuurprofielen
Het geeft verschillende temperatuurveranderingen aan tijdens het proces. Sterke, betrouwbare soldeerverbindingen worden gemaakt met een juist profiel. Het elimineert ook problemen en defecten bij het solderen.
- Ramp-Soak-Spike (RSS) Profiel – De PCB wordt geleidelijk verwarmd tijdens het voorverwarmen met dit profiel. Hierna behoudt het echter de temperatuur tijdens het weken. Vervolgens springt de temperatuur naar zijn maximum in de reflowzone. Met dit profiel kunnen defecten, zoals soldeerbruggen en holtes, worden voorkomen.
- Ramp-to-Spike (RTS)-profiel – De temperatuur gaat gestaag omhoog van start tot piek. In tegenstelling tot RSS is er geen weekfase. Het wordt vaak gebruikt voor loodvrij solderenIn dit profiel is rekening gehouden met de hogere smeltpunten van loodvrij soldeer.
- Aangepaste profielen – Deze zijn ontworpen om specifieke PCB- en soldeerbehoeften aan te pakken. Er wordt ruim rekening gehouden met componenttypen en PCB-complexiteit. Door aangepaste profielen te gebruiken, hebt u veel meer controle over een betere soldeerverbinding. Dit helpt defecten te voorkomen en betere soldeerresultaten te produceren.
Kies en plaats machine
Het soldeer-reflowproces vereist dit. In dit apparaat worden oppervlaktemontagecomponenten op de PCB-pads geplaatst met soldeerpasta erop. Het pakt componenten op met behulp van vacuümmondstukken, camera's en robotarmen. Vervolgens plaatst het ze op de PCB. Nauwkeurige plaatsing van componenten wordt verzekerd door dit proces, wat zorgt voor een succesvolle reflow.
Aanvaardbaar reflowprofiel
Het succes van een soldeerproces hangt sterk af van een acceptabel reflowprofiel. Daarbij moet rekening worden gehouden met factoren zoals het type soldeerpasta, het PCB-materiaal en het solderen van de verschillende componenttypen. Voor elke assemblage is een uniek reflowprofiel nodig, omdat deze verschilt. Thermokoppels worden in de PCB geplaatst om de temperatuur tijdens het proces te meten en zo een goede warmteoverdracht te garanderen. Het proces bestaat uit verschillende fasen: voorverwarmen, opwarmen, reflow en afkoelen. De soldeerverbinding wordt in elke fase op het juiste moment gemaakt, zonder de componenten te beschadigen. Om gietfouten in het soldeer te voorkomen en een uitstekende soldeerverbinding te verkrijgen, worden de verwarmings- en afkoelsnelheden nauwkeurig gecontroleerd.
PCB / Componentvoetafdrukontwerp
Bij PCB's is de footprint van groot belang bij het ontwerpen van uw PCB. Thermische onevenwichtigheden kunnen het gevolg zijn van ongelijke gerelateerde sporen naar het component. Maar dit kan een probleem veroorzaken zoals tombstoneing, waarbij het component omdraait tijdens reflow. Iets anders om over na te denken is koperbalancering. Warp kan optreden in grote koperoppervlakken tijdens reflow. Dit kan worden vermeden door koperbalancering toe te voegen in de afvalgebieden. Betere reflowresultaten en minder defecten worden gegarandeerd door een goed ontwerp.
Zorgvuldig geprinte PCB met behulp van een goed ontworpen stencil
Het correct aanbrengen van de soldeerpasta is essentieel voor succesvol reflow-solderen. De pasta wordt gelijkmatig aangebracht met een goed ontworpen stencil op een goed bedrukte printplaat. Als deze stap mislukt, kan dat later problemen veroorzaken. Door de stencil goed te ontwerpen, kunt u het pasta-aanbrengproces controleren en defecten voorkomen. Een slecht stencilontwerp zal het resultaat niet hetzelfde maken.
Herhaalbare plaatsing van oppervlaktemontagecomponenten
Dit is waar u een betrouwbare pick and place machine nodig hebt. Als de plaatsing van de componenten verkeerd is, zal de machine de onderdelen verkeerd plaatsen. In alle gevallen moet u altijd de juiste nozzle gebruiken voor elk componenttype om de precisie en consistentie te krijgen die u wenst. Dit zorgt ervoor dat u kwaliteit krijgt bij reflow solderen.
PCB-componenten van goede kwaliteit
Door slechte kwaliteit kunnen defecten en problemen ontstaan. Een klassiek voorbeeld is een printplaat met een slechte oppervlakteafwerking , waardoor soldeer niet goed hecht en er defecten zoals zwarte contactvlakken ontstaan. Dit geldt ook voor SMD-componenten; slechte aansluitdraden veroorzaken problemen. Gebruik daarom altijd hoogwaardige printplaten en componenten voor de beste resultaten .
Soldeerpasta
Reflow solderen is sterk afhankelijk van soldeerpasta. Het vormt de verbinding tussen componenten en PCB. Het is een soldeerpasta van hele kleine soldeerdeeltjes gemengd met vloeimiddel. Het reinigt oppervlakken, verbetert de bevochtiging en voorkomt ook oxidatie. In soldeerpasta hebben we soldeerlegering en vloeimiddel. Met toenemende toepassing en legeringstype varieert de mix.
- Soldeerlegering – Het bestaat uit een aantal hele kleine metaaldeeltjes. De eerste van deze deeltjes helpt bij het vormen van sterke soldeerverbindingen. Smeltpunt en sterkte worden beïnvloed door de samenstelling van de legering. Deze komen in veelvoorkomende typen voor, zoals tin lood- of loodvrije typen zoals SAC.
- Stroom - Het is ook een materiaal om het soldeer beter te laten werken. Het verwijdert oxyde lagen door bevochtiging te bevorderen. Het voorkomt ook oxidatie door solderen. Er zijn lage, gemiddelde en hoge activiteitsniveaus.
Reflow-soldeerproces
De grootschalige productie van moderne printplaten is niet mogelijk zonder reflow-solderen. Dit proces regelt de temperatuurcurve om een correcte verbinding van de componenten te garanderen. De printplaten worden via een dubbelspoorband naar de warme en koude zones in de reflow-oven getransporteerd. De temperatuurcurve bestaat uit vier fasen:
Verwarm
In deze fase warmt het bord langzaam op. Als het te snel opwarmt, beschadigt het componenten. Er werd ontdekt dat een langzame stijging er ook toe kan leiden dat gebieden te koel worden. Meestal ligt de ideale verwarmingssnelheid tussen de 2 en 3°C per seconde. Soms is een snelheid van 1°C per seconde voldoende, hoewel dat relatief langzaam is. Voorkomt schade aan de PCB. Het zorgt er ook voor dat het de juiste temperatuur bereikt.
Thermische onderdompeling
Het bord gaat dan in de thermische weekfase nadat het is voorverwarmd. Alle gebieden worden hierdoor beschermd om ervoor te zorgen dat ze de juiste temperatuur bereiken. Het verwijdert ook oplosmiddelen uit de soldeerpasta. De flux wordt tegelijkertijd ook geactiveerd. Deze stap garandeert dat uw soldeerwerk goed werkt.
reflow
Tijdens de reflow bereikt de temperatuur zijn maximum. Het soldeer smelt hier om sterke verbindingen te maken. De lage oppervlaktespanning die mogelijk wordt gemaakt door de flux, laat metalen binden. De soldeerpoederbollen combineren en smelten op elkaar. Het proces belooft het stevig en betrouwbaar te maken.
Koelen
De boards moeten goed gekoeld worden na het reflowen. Als je te snel koelt, kun je de componenten onder druk zetten. Het voorkomt de opbouw van intermetallische of thermische schokken. Meestal ligt de koelzone in het bereik van 30 tot 100 °C. Dit wordt gedaan zodat er een goede korrelstructuur in het soldeer ontstaat.
Uitdagingen en oplossingen voor het reflow-soldeerproces
Grafstenen
Tombstoning is een toestand waarbij een component tijdens reflow aan één kant omhoog komt. Falen ontstaat doordat dit een open circuit creëert. Ongelijke verwarming is slechts een van de vele factoren die tombstoning veroorzaken. Als de ene kant smelt voordat de andere, trekt het soldeer het component omhoog. Om dit op te lossen, moet u ervoor zorgen dat de temperatuur van de oven gelijkmatig is. Dit kan ook worden veroorzaakt door ongelijkmatige bevochtiging. Het helpt om het stencilontwerp te optimaliseren en de juiste soldeerpasta te gebruiken. Het probleem kan worden verergerd door verkeerde uitlijning van componenten of pads. Het goede nieuws is dat nauwkeurige plaatsing en een goed padontwerp het risico verkleinen.
Voids
Omdat holtes in de soldeerverbinding luchtbellen bevatten, beïnvloeden ze de prestaties van de printplaat negatief. Ze veroorzaken onderbrekingen in de elektrische en thermische geleidbaarheid. Holtes komen vaak voor in BGA's en QFN's . Veel factoren kunnen holtes in de soldeerpasta of componenten veroorzaken. Ook slechte opslag kan oxidatie en holtes teweegbrengen. Verminder holtes door het reflow-profiel en de temperatuur aan te passen. Een goed stencilontwerp en consistente prints kunnen hierbij een positief effect hebben.
Temperatuurvariatie
Bij hoge temperaturen worden gevoelige componenten zoals een microcontroller zwaar belast. Dit kan leiden tot defecten aan soldeerverbindingen en andere problemen. Zo kunnen er bijvoorbeeld holtes in het soldeer ontstaan als gevolg van temperatuurschommelingen. Ingesloten gasbellen verzwakken het soldeer totdat er holtes ontstaan. Een andere oorzaak van het loskomen van componenten kan ongelijkmatige verwarming zijn, waardoor componenten loskomen. Goed thermisch beheer is essentieel om deze problemen te voorkomen. De warmte moet gelijkmatig verdeeld worden en er moeten thermische via's en koelplaten gebruikt worden.
Hoofd-in-kussen
Het soldeer sluit niet volledig aan op de pad, en dit worden defecten genoemd. Dit laat onderdelen met zwakke verbindingen achter en leidt tot storingen. Als er gas in het soldeer terechtkomt, veroorzaakt dit een void in het soldeer, waardoor het verzwakt. De betrouwbaarheid van de verbinding wordt beïnvloed door deze defecten. Soldeerpasta bevochtigt de pad niet volledig voor HIP. Slecht elektrisch contact kan hiervan het gevolg zijn. Dit wordt voiding genoemd en het is wanneer er tijdens het reflowen bellen in de verbinding terechtkomen. Het maakt de verbinding zwak. De problemen moeten worden aangepakt door het stencilontwerp, het reflowprofiel en de soldeerpasta te veranderen. Een goed profiel zorgt voor een goede bevochtiging en de juiste pasta laat voids verdwijnen.
Soldeerbruggen
Te veel soldeer veroorzaakt soldeerbrugvorming, waar pads worden aangesloten. Kortsluitingen en boardstoringen kunnen hierdoor ontstaan. Om dit te voorkomen, moeten we ons richten op het stencilontwerp. De hoeveelheid soldeerpasta die wordt aangebracht, kan worden gecontroleerd door het volume van de soldeerpasta aan te passen. Het resultaat is minder brugvorming en een hogere betrouwbaarheid van uw board.
Onvoldoende of overmatige afzetting van soldeerpasta
Onvoldoende soldeerpasta resulteert in slechte of onvolledige verbindingen. Overbrugging en kortsluitingen zijn het gevolg als de pasta te veel is. Maar u moet nauwkeurige pastacontrole hebben om dit te voorkomen. Dikte, neem de juiste maat en het juiste soort. Zorg ervoor dat de stencil op de juiste afstand van de PCB staat voor een uniforme pastaverdeling. Ze kunnen worden gebruikt om te controleren op inconsistentie. De truc om goed te printen is om zorgvuldig te printen met de juiste druk, snelheid en hoek.
Componentcompatibiliteit en kromtrekken
Componenten en printplaten zetten verschillend uit bij warmte, en als ze dat op verschillende manieren doen, kan dit spanning op de soldeerverbindingen veroorzaken en tot defecten leiden. Ongelijkmatige verwarming kan onderdelen vervormen, met name tijdens het plaatsen van componenten. Dit leidt uiteindelijk tot slechte soldeerverbindingen. Om dit te voorkomen, kies je componenten met een thermische uitzettingscoëfficiënt die zo dicht mogelijk bij die van de printplaat ligt. Dit helpt de spanning te verminderen. Voor een gelijkmatige verwarming is het ook belangrijk om een gecontroleerd reflow-profiel te gebruiken. Door ondersteunende structuren te gebruiken tijdens het reflow-proces kunnen de componenten op hun plaats blijven en wordt vervorming voorkomen.
Soldeerballen
Dit is waar kleine soldeerbolletjes ontstaan bij het reflowen. Als ze niet op tijd worden opgemerkt, verzwakken deze bolletjes de verbindingen en veroorzaken ze elektrische kortsluitingen. Om dit probleem te verhelpen, is het noodzakelijk om te weten waarom het optreedt. Overmatige activiteit van de flux van de soldeerpasta kan ook resulteren in afzonderlijke soldeerbolletjes. Dat verhindert ook dat de soldeerdeeltjes goed samensmelten, om precies dezelfde reden. Soldeerbolletjes kunnen ook worden veroorzaakt door inconsistente soldeerpasta-afdrukken en een slecht reflowprofiel. Om dit te verhelpen, hoeft u alleen maar de juiste soldeerpasta te gebruiken en het reflowprofiel te kalibreren. Zorg er ook voor dat het juiste stencilontwerp en de componenten schoon zijn.
Inspectie en kwaliteitscontrole van het reflow-soldeerproces
Kwaliteitssoldeerwerk moet worden geïnspecteerd. U moet op zoek gaan naar defecten die de printplaat kunnen beïnvloeden. Dit kan echter handmatig of machinaal worden gedaan. Een goede inspectie verzekert ook betrouwbare prestaties in uw assemblage.
Visuele inspectie
Dit omvat controles op defecten van soldeerverbindingen. Het bord wordt door u of de operator onderzocht. Dit helpt problemen te vinden die de beste prestaties op de gegeven hardware kunnen verhinderen. Vaak worden vergrotingstools gebruikt om de nauwkeurigheid te verbeteren.
Geautomatiseerde optische inspectie (AOI)
Dit type inspectie wordt automatisch uitgevoerd met behulp van camera's. Het systeem controleert op defecten zoals verkeerd uitgelijnde onderdelen of soldeerbruggen. Het is sneller en nauwkeuriger dan handmatige controles van de grondstoffen. AOI zorgt voor consistentie en versnelt het proces.
X-ray inspectie
Deze inspectie is binnen een soldeerverbinding voor verborgen defecten. U kunt problemen waarnemen die moeilijk te zien zijn op het oppervlak. Het is perfect om de gebieden onder de componenten te controleren. Het zorgt ervoor dat u een goede assemblage hebt om plaatsen te bereiken.
Veelgestelde vragen over reflow-solderen
Wat is het verschil tussen reflow-solderen en flow-solderen?
Deze twee soldeermethoden zijn verschillende manieren om componenten op printplaten te solderen. Bij golfsolderen stroomt gesmolten soldeer langs de printplaat, wat ideaal is voor doorsteekcomponenten. Bij reflowsolderen wordt daarentegen een soldeerpasta gebruikt, bestaande uit soldeerpoeder en flux, waarop de componenten worden geplaatst. Het geheel wordt vervolgens in een reflowoven verhit, wat het meest geschikt is voor oppervlaktemontagecomponenten.
Hoe vaak kun je soldeer opnieuw laten vloeien?
Soldeer niet meer dan twee keer opnieuw. De meeste assemblages vereisen slechts één keer opnieuw solderen of golfsolderen . Als componenten aan beide zijden worden aangebracht, zijn er soms twee keer nodig. Dit voorkomt dat onderdelen aan de onderkant vastplakken. Nogmaals, de beste resultaten worden behaald met de juiste temperatuur voor het opnieuw solderen.
Kun je soldeer opnieuw laten vloeien zonder vloeimiddel?
Nu is reflow solderen zonder vloeimiddel een no, no. Vloeimiddel helpt soldeer te laten plakken en de opening gelijkmatig te vullen. Het verwijdert oppervlakteoxiden en onzuiverheden. Als er geen vloeimiddel is, kan soldeer slecht hechten. Vooral surface mount of reflow solderen is dat. Werken met geoxideerde componenten wordt ook geholpen door vloeimiddel.
Conclusie
In deze PCBTok- blog hebben we het reflow-soldeerproces bij de assemblage van printplaten al behandeld en belangrijke aspecten zoals de machine, het temperatuurprofiel, de componentplaatsing, enzovoort, besproken. We gingen in op veelvoorkomende problemen zoals tombstoning en soldeerbruggen en boden concrete oplossingen. In dit artikel werd ook het belang van kwaliteitscontrole van het reflow-soldeerproces voor betere printplaatresultaten besproken.
https://www.neodensmt.com/pick-and-place-machine/
