Als je je ooit hebt afgevraagd waarom die kleine chips op het moederbord van je telefoon blijven plakken in plaats van rond te ratelen als kleingeld,soldeerpastais jouw antwoord. Het is een van die materialen die veel meer doet dan mensen denken.
Wat is dit spul eigenlijk?
In de kern is soldeerpasta een grijs, licht korrelig mengsel. Zie het als een zeer precieze tandpasta gemaakt van metaal. Je hebt deze microscopische bolletjes soldeerlegering-meestal ergens tussen de 20 en 50 micron in diameter-gehangen in een kleverig vloeimiddel. Het poeder maakt in de meeste formuleringen ongeveer 85-90 gew.% uit.
De legering zelf? Dat is waar het interessant wordt, en eerlijk gezegd, hier zou ik uren kunnen praten. Traditioneel tin-lood (SnPb) was tientallen jaren lang de favoriet in de sector. Eutectic 63/37 SnPb smelt precies op 183 graden zonder pasta-achtig bereik. Schoon, voorspelbaar, prettig om mee te werken. Toen gebeurde RoHS in 2006 en de elektronicawereld haastte zich naar lood{9}}vrije alternatieven zoals SAC305 (96,5% tin, 3% zilver, 0,5% koper), waarvoor hogere reflow-temperaturen rond de 217 graden nodig zijn.
Maar eerlijk gezegd is het metalen gedeelte hier niet de ster van de show.
De Flux doet het zware werk
Hier is iets waar ik veel te lang over heb gedaan voordat ik het volledig kon begrijpen: soldeer plakt niet aan metaal. Het blijft plakkenschoonmetaal. En schoon metaal, bij hoge temperaturen, bestaat in principe niet in de open lucht.
Koper oxideert. Snel. Zodra je het opwarmt, begint dat glanzende oppervlak koperoxide te vormen, en koperoxide is absoluut verschrikkelijk om te solderen. Tinoxiden vormen zich op de soldeerballen zelf. Alles probeert voortdurend te roesten, corroderen, oxideren-hoe je het ook wilt noemen.
Dit is waar Flux zijn salaris verdient.
De fluxcomponent in soldeerpasta voert een ronduit indrukwekkende chemische dans uit:
Oxide oplossing
De meeste vloeimiddelen bevatten organische zuren-abiëtinezuur in op colofonium- gebaseerde formuleringen, of agressievere halogenideverbindingen voor hardnekkige oxidelagen. Bij verhitting vallen deze zuren de metaaloxidefilms chemisch aan, waardoor ze worden omgezet in oplosbare metaalzouten die uit het gewrichtsgebied worden weggevaagd. Het onderliggende pure metaal wordt kort en kostbaar blootgelegd.
Zuurstofbarrière
Vloeistofstroom bedekt de blootgestelde metalen oppervlakken als een beschermende deken. Het verhindert fysiek dat zuurstof uit de lucht het hete metaal aanraakt en het opnieuw oxideert gedurende de kritieke seconden waarin bevochtiging nodig is.
Wijziging van de oppervlaktespanning
De subtiele maar cruciale-flux van deze vermindert de oppervlaktespanning op het grensvlak tussen vloeibaar soldeer en metaal. Zonder dit zou gesmolten soldeer op de pad opbollen als water op een in de was gezette auto. Hiermee verspreidt het soldeer zich, bevochtigt het en hecht het.
Er zijn verschillende fluxchemieën-geen-schoon, water-oplosbaar, colofonium licht geactiveerd (RMA)-maar ze vervullen allemaal deze basisfuncties. De keuze hangt af van uw toepassing en of u de plank achteraf wilt reinigen. Sommige laten resten achter die er vreselijk uitzien, maar elektrisch onschadelijk zijn. Anderen zijn actief corrosief en moeten absoluut worden afgewassen.
De Reflow-reis
Er is dus pasta op de PCB-pads aangebracht en de componenten zijn er bovenop geplaatst. Wat nu? De montage gaat door een reflow-oven, en dit is waar natuurkunde en scheikunde samenwerken op een manier die mij nog steeds fascineert.
Voorverwarmen
De plaat komt binnen rond kamertemperatuur. Geef een koude assemblage een schok met een hoek van 250 graden en je zult onderdelen kraken, overal soldeerballen laten knallen en mogelijk het bord zelf delamineren. Niet goed.
Dus in plaats daarvan: zachte opwarming. Ongeveer 1-3 graad per seconde is typisch. Het doel is om alles zonder drama op ongeveer 150 graden te krijgen. Deze fase begint ook met het vervluchtigen van de oplosmiddelen in de stroom. Je wilt dat deze weg zijn voordat je piektemperaturen bereikt, anders krijg je holtes en spatten.
01
Geniet
Dit is de egalisatiefase. Houd alles ongeveer 150-200 graden gedurende 60-120 seconden. Het doel? Thermische homogeniteit. De thermische massa van een BGA lijkt in niets op die van een 0402-weerstand. Geef ze de tijd om dezelfde temperatuur te bereiken voordat je ze samen in de reflow-zone gooit.
Bovendien, en dit is belangrijk,- activeert het weken de flux. Deze organische zuren worden behoorlijk actief bij verhoogde temperaturen. Te kort weken en er blijven oxiden achter. Te lang en je put de flux uit voordat de reflow zelfs maar begint. 'Hoofd-in-kussen'-defecten zijn vaak hier terug te vinden.
02
Reflow-zone
Nu zijn we aan het koken. De temperatuur stijgt snel boven het smeltpunt van de legering-noem het 230-250 graden voor SAC-legeringen. Dit is Time Above Liquidus, of TAL, en wordt doorgaans tussen de 30 en 60 seconden gehouden.
Gesmolten soldeer bevochtigt de blootliggende padoppervlakken en componentaansluitingen. Oppervlaktespanning trekt het vloeibare metaal in de ideale hoekvorm. De metallurgische binding vindt hier plaats-tinatomen diffunderen feitelijk in het oppervlak van het koperen kussentje en vormen een dunne intermetallische verbindingslaag (meestal Cu6Sn5) die de verbinding verankert. Zonder dit intermetaal zit er gewoon soldeer op koper in plaats van eraan gebonden.
Piektemperatuur is enorm belangrijk. Te laag en de bevochtiging is onvolledig. Te hoog en u beschadigt componenten, versnelt de intermetallische groei en verbrandt mogelijk vloeimiddelresten tot blijvende lelijke vlekken.
03
Koeling
Door snelle afkoeling ontstaan fijne korrelstructuren in het gestolde soldeer-wat over het algemeen de voorkeur heeft vanwege de mechanische sterkte. Maar 'snel' betekent niet 'onmiddellijk'. Zoiets als 3-4 graden per seconde is typisch. Sneller dan dat, riskeert u een thermische schok aan de koelingzijde.
04
Bevochtiging: het moment van de waarheid
Ik wil even stilstaan bij bevochtiging, want dat is echt het hele punt.
Wanneer soldeer smelt en het vloeimiddel zijn werk heeft gedaan door de oxiden te verwijderen, moet het vloeibare metaal zich over het oppervlak verspreiden in plaats van opbollen. Dit gebeurt vanwege de interatomaire aantrekkingskracht tussen het soldeer en het basismetaal. Zuivere elementaire metaaloppervlakken hebben een hoge oppervlakte-energie-zewilzich ergens mee verbinden. Geoxideerde oppervlakken hebben die energie niet beschikbaar.
Een goede bevochtiging betekent dat de contacthoek tussen het soldeer- en padoppervlak laag is.-Het soldeer spreidt zich wijd uit, vormt een zachte meniscus en vloeit langs de componentleiding omhoog. Slechte bevochtiging ziet eruit alsof soldeer daar in een klodder zit en nauwelijks iets raakt.
De industrie beoordeelt dit spul eigenlijk. IPC-standaarden definiëren hoe ‘acceptabel’ versus ‘doel’ versus ‘defect’ eruit ziet. Het is strenger dan je zou verwachten.
Waar dingen fout gaan
Tombstoning is een klassieker. Het ene uiteinde van een klein passief onderdeel heeft een betere bevochtiging dan het andere, dus wanneer het soldeer smelt, trekt de oppervlaktespanning aan één kant harder. Het onderdeel staat rechtop als een grafsteen. Gebeurt voortdurend met 0402s en 0201s als het padontwerp of het plakvolume niet in balans is.
Leegtes. Lucht zit vast in de gewrichten. Vermindert de thermische en elektrische geleidbaarheid, verzwakt de mechanische sterkte. Vaak terug te voeren op de ontgassing van flux die niet kan ontsnappen voordat het soldeer stolt.
Soldeer ballen. Kleine bolletjes soldeer verspreid over het bord, nergens aan vastgemaakt. Meestal door het spatten van de pasta tijdens het terugvloeien als de oplosmiddelen niet volledig verdampten bij het voorverwarmen, of door een overmatig pastavolume tijdens het stencilprinten.
Hoofd-in-kussen. De BGA-bal wordt zacht, maar vloeit niet volledig samen met de pasta-afzetting. Je krijgt wat lijkt op een verbinding, maar het niet is. Verschrikkelijk qua betrouwbaarheid.
Het stencil is belangrijker dan mensen toegeven
Eigenlijk zou ik het printen moeten noemen. De pasta moet op de een of andere manier op de pads terechtkomen, en bij SMT-productie is dat stencilprinten-een laser-gesneden metalen plaat met openingen die overeenkomen met elke pad. De rakel duwt de pasta door de openingen. Eenvoudig van concept, absoluut kieskeurig in de praktijk.
Het ontwerp van de opening heeft invloed op de manier waarop de pasta loslaat van het stencil. Te-kleine openingen in verhouding tot de stencildikte zorgen voor een slechte lossing. De beeldverhoudingen (breedte tot dikte) en oppervlakteverhoudingen (openingsoppervlak tot zijwandoppervlak) worden zorgvuldig berekend. De minimale oppervlakteverhouding is een algemene vuistregel.
De reologie van de pasta is ook van belang. Het spul moet pseudoplastisch zijn-het vloeit als het door de rakel wordt geschoven, maar behoudt zijn vorm zodra het is afgezet. Verkeerde viscositeit en u krijgt ofwel inzakken (pasta verspreidt zich in aangrenzende pads) of onvoldoende afzettingen.
Leid-vrije realiteiten
SAC-legeringen zijn moeilijker om mee te werken dan traditioneel tin-lood. Hogere smeltpunten betekenen meer thermische belasting van componenten. Het bevochtigingsgedrag is minder vergevingsgezind. Intermetallische lagen groeien anders. Betrouwbaarheidsfoutmodi zijn verschoven.
Maar dat is nu de wereld. RoHS gaat niet weg. Fabrikanten hebben twintig jaar besteed aan het optimaliseren van loodvrije processen, en moderne SAC-formuleringen zijn redelijk robuust. Gewoon anders.
Er bestaan alternatieven voor lage-temperaturen-op bismut-gebaseerde legeringen die rond de 138 graden smelten, -nuttig voor warmte-gevoelige assemblages of voor het verlagen van de energiekosten. Ze brengen hun eigen uitdagingen met mechanische broosheid met zich mee, maar dat is een heel ander gesprek.
Wat is eigenlijk een goede joint?
Elektrische continuïteit. Mechanische sterkte. Betrouwbaarheid op lange- termijn bij thermische cycli, trillingen en blootstelling aan vochtigheid.
De intermetallische laag is dik genoeg om te bewijzen dat er binding heeft plaatsgevonden, maar dun genoeg om niet bros te worden. De filetvorm verdeelt de spanning effectief. Geen holtes die de thermische paden in gevaar brengen. Geen vervuiling die de hechting verzwakt.
Er is eerlijk gezegd ook een esthetische component, hoewel niemand dat wil toegeven. Een mooie soldeerverbinding-glanzend (of mat, met SAC), consistent, glad-komt meestal overeen met een goed proces. Lelijke gewrichten duiden vaak op problemen, zelfs als ze technisch gezien overgaan.
Stikstofatmosferen
Sommige productielijnen reflowen onder stikstof in plaats van onder lucht. Lagere zuurstofniveaus betekenen minder oxidatie tijdens het proces, wat betekent dat zwakkere fluxformuleringen een goede bevochtiging kunnen bereiken. Minder resten. Glanzende gewrichten.
De afweging is kosten en complexiteit. Stikstof is niet gratis. Maar voor uitdagende assemblages of bij het gebruik van milde, niet{2}}schone fluxen kan de gecontroleerde atmosfeer het verschil maken.
Soldeerpasta werkt omdat het soldeer afgeeft waar dat nodig is, componenten tijdelijk op hun plaats houdt en-door zijn fluxcomponent-de chemische omstandigheden creëert waarin metaal-aan-metaalbinding daadwerkelijk kan plaatsvinden. Het poeder levert het verbindingsmateriaal. De flux verwijdert barrières voor bevochtiging. Het reflow-proces levert de thermische energie om dit allemaal mogelijk te maken.
Het is een gecoördineerd chemisch en fysisch proces dat in ongeveer vier minuten en miljarden keren per dag plaatsvindt in de elektronica-industrie. En als het goed werkt, merk je er helemaal niets van-en dat is precies hoe het zou moeten zijn.
Soms zijn de meest kritische materialen de materialen waar je nooit aan denkt. Soldeerpasta is zo. Het doet zijn werk onzichtbaar, talloze keren, op elk apparaat dat u bezit.
