Een uitgebreide handleiding voor het reflow-soldeerproces en -technieken.

In de moderne elektronica-industrie is reflowsolderen de belangrijkste soldeermethode voor het monteren van SMD-componenten op printplaten. Of het nu gaat om prototyping of massaproductie, de kwaliteit van het reflowsolderen heeft direct invloed op de betrouwbaarheid, prestaties en levensduur van het product.

Simpel gezegd werkt het reflow-solderen als volgt: eerst wordt soldeerpasta op de contactvlakken van de printplaat aangebracht; vervolgens worden de componenten op de soldeerpasta geplaatst; daarna wordt de printplaat in een verwarmde reflow-oven geplaatst. Door de temperatuur smelt de soldeerpasta en worden de componenten stevig aan de printplaat bevestigd, waardoor stabiele elektrische en mechanische verbindingen ontstaan.

Hoewel het werkingsprincipe van reflowsolderen niet ingewikkeld is, zijn er veel factoren die de resultaten van reflowsolderen in de praktijk beïnvloeden, zoals het type soldeerpasta, het stencilontwerp, de padstructuur en de zeer cruciale controle van het reflowprofiel en de reflowtemperatuur.

Dit artikel combineert de inhoud van verschillende technische bronnen en legt op een eenvoudigere en duidelijkere manier uit wat reflowsolderen is. Het beschrijft stap voor stap hoe het reflowsoldeerproces verloopt, hoe u de juiste reflowsoldeermachine selecteert, hoe u een stabiel reflowprofiel instelt en hoe u veelvoorkomende soldeerfouten in de productie kunt verminderen.

Wat is reflow-solderen?

Wat is reflowsolderen? Simpel gezegd is reflowsolderen een methode om SMT-componenten op een printplaat te solderen door middel van verhitting.

Het basisproces is als volgt: eerst wordt soldeerpasta (soldeerpasta bestaat uit soldeerpoeder en vloeimiddel) op de contactpunten van de printplaat aangebracht, waarna de componenten op de overeenkomstige posities worden geplaatst. Vervolgens wordt de printplaat in een verwarmde reflow-oven geplaatst. Wanneer de temperatuur stijgt, smelt de soldeerpasta en vloeit deze uit, waardoor de contactpunten en componentaansluitingen worden bedekt. ​​Wanneer de temperatuur daalt, koelt het soldeer af en stolt het, waardoor een sterke soldeerverbinding ontstaat.

Er zijn verschillende redenen waarom reflow-solderen veelvuldig wordt gebruikt:

•  Het apparaat kan veel componenten tegelijk solderen, met een hoge efficiëntie en stabiele productieresultaten.

•  Het is geschikt voor printplaten met een hoge dichtheid, zoals die voor mobiele telefoons, computers, auto-elektronica en IoT-apparaten.

•  Het is zeer eenvoudig te gebruiken met geautomatiseerde SMT-productielijnen, zoals stencilprinten, pick-and-place en reflow-ovens.

Het is belangrijk om te weten dat reflowsolderen en golfsolderen niet hetzelfde proces zijn. Golfsolderen wordt over het algemeen gebruikt voor het solderen van doorsteekcomponenten (THT), terwijl reflowsolderen doorgaans wordt gebruikt voor SMT-componenten.

Overzicht van het reflow-soldeerproces 

Een stabiel reflow-soldeerproces kan niet zonder consistente controle van elke voorgaande stap. Een goed reflow-soldeerresultaat wordt bereikt door gestandaardiseerde productieprocedures en procesbeheersing.

Op een typische SMT-productielijn wordt reflow-solderen meestal in de volgende stappen uitgevoerd:

•  Voorbereiding en reiniging van de printplaat

•  Afdrukken met soldeerpasta (meestal met een sjabloon)

•  Componentplaatsing (pick-and-place)

•  Verwarmen in een reflow-oven

•  Afkoeling, waarbij het soldeer stolt en soldeerverbindingen vormt.

•  Inspectie en kwaliteitscontrole

Voorbereiding en reiniging van printplaten

Voordat er gereflow-solderen plaatsvindt, moet het printplaatoppervlak schoon zijn. Als er vervuiling op de printplaat aanwezig is, kunnen er na het reflow-solderen problemen optreden zoals slechte soldeerverbindingen, onderbrekingen of onvolledige soldeerverbindingen.

Gangbare methoden voor het reinigen van printplaten zijn onder andere:

• Ultrasone reiniging – geschikt voor het verwijderen van hardnekkige vervuiling

• Reiniging met water – maakt gebruik van reinigingsmiddelen op waterbasis

• Reiniging met oplosmiddelen – gebruikt chemische oplosmiddelen om olie of resten te verwijderen

De keuze van de reinigingsmethode hangt af van het type vervuiling, de PCB-materialen en de milieueisen.

Toepassing soldeerpasta

In de meeste reflow-soldeerlijnen wordt soldeerpasta met behulp van een stencil op de contactvlakken van de printplaat aangebracht. Een goed ontworpen stencil kan de hoeveelheid soldeerpasta effectief regelen, waardoor problemen zoals soldeerbruggen of onvoldoende soldeer worden verminderd.

De belangrijkste factoren die de kwaliteit van het printen met soldeerpasta beïnvloeden, zijn de volgende drie:

• Sjabloondikte en openingontwerp, die bepalen hoeveel soldeerpasta er op de pads wordt aangebracht.

• Druk, snelheid en hoek van de rakel, die van invloed zijn op de vraag of de soldeerpasta gelijkmatig op de printplaat kan worden aangebracht.

• Eigenschappen van soldeerpasta Factoren zoals viscositeit en vloeigedrag, en de opslagomstandigheden, beïnvloeden de printstabiliteit.

Componentplaatsing / Pick-and-Place

Tijdens de plaatsingsfase moeten componenten nauwkeurig op de soldeerpasta worden geplaatst. Als de component niet correct wordt geplaatst, zal de soldeerverdeling tijdens het reflow-soldeerproces ongelijkmatig zijn, wat de soldeerkwaliteit kan beïnvloeden.

Als er problemen zijn met de plaatsing, ontstaan ​​er na het reflow-solderen meestal defecten zoals tombstoning, verschuiving of verkeerde uitlijning van componenten, onderbrekingen en soldeerbruggen.

Soldeer Reflow Oven

De reflow-oven is de belangrijkste apparatuur in het reflow-soldeerproces. De functie ervan is het verwarmen van de printplaat, waardoor de soldeerpasta bij een geschikte temperatuur smelt en vervolgens afkoelt om solide soldeerverbindingen te vormen.

Een goede reflow-oven moet niet alleen in staat zijn om de printplaat te verwarmen, maar dit ook op de juiste temperatuur, op het juiste moment en op een gecontroleerde manier over de gehele printplaat doen.

Soorten reflow-ovens

Bij de keuze van een reflow-soldeerapparaat is de verwarmingsmethode een belangrijke factor. De twee meest voorkomende methoden zijn infraroodverwarming en heteluchtconvectieverwarming.

Reflow-ovenzones

De meeste reflow-ovens zijn verdeeld in meerdere temperatuurzones, en elke zone kan onafhankelijk worden geregeld.

Deze temperatuurzones vormen samen het algehele reflowprofiel dat de printplaat ondervindt tijdens het reflow-soldeerproces.

Het kan doorgaans worden onderverdeeld in de volgende 4 fasen:

Voorverwarmzone

Tijdens de voorverwarmingsfase zal de temperatuur van de printplaat geleidelijk stijgen om thermische schokken aan de componenten te voorkomen.

Doorweekzone

Tijdens de weekfase wordt de printplaat gedurende een bepaalde tijd op een gemiddelde temperatuur gehouden, waardoor de temperatuur van de gehele printplaat gelijkmatiger wordt en tegelijkertijd het vloeimiddel in de soldeerpasta wordt geactiveerd.

Reflow-zone

In de reflowzone stijgt de temperatuur boven het smeltpunt van het soldeer, waardoor de soldeerpasta smelt en de contactpunten en componentdraden bevochtigt.

Koelzone

Tijdens het afkoelen stolt het soldeer en vormt het de uiteindelijke soldeerverbinding.

Temperatuurprofielen / Reflowprofiel

Het reflowprofiel is de temperatuurverandering die een printplaat ondergaat in een reflowoven. Het is een belangrijke factor die de kwaliteit van het reflowsolderen en de productieopbrengst beïnvloedt.

Veelvoorkomende reflow-profielen zijn onder andere:

• Ramp-Soak-Spike (RSS)

De temperatuur stijgt eerst, blijft vervolgens een tijdje stabiel en bereikt uiteindelijk de piektemperatuur voor het reflow-proces.

• Ramp-to-Spike (RTS)

De temperatuur stijgt continu tot het hoogtepunt, met weinig tot geen verzadigingsfase.

• Aangepast profiel

Het profiel wordt aangepast aan de hand van de printplaatstructuur, de componenttypen en de eigenschappen van de soldeerpasta.

Het is erg belangrijk om het reflowprofiel regelmatig te controleren, omdat de conditie van de reflow-soldeermachine in de loop der tijd verandert. Zo kan bijvoorbeeld de ventilatorprestatie variëren, kunnen de verwarmingselementen verouderen en kunnen de transportbanden slijten.

Om een ​​stabiele reflowkwaliteit te behouden, moet u het reflowprofiel regelmatig controleren en aanpassen.

Veelvoorkomende problemen en oplossingen bij reflow solderen

Zelfs in een volwaardige productielijn kunnen er tijdens het reflow-soldeerproces diverse soldeerfouten optreden. Een uitstekende productielijn kan snel de oorzaak van het probleem achterhalen en verbeteringen doorvoeren in meerdere fasen, zoals het printen van de soldeerpasta, het plaatsen van componenten en de reflow-oven.

Hieronder volgen enkele veelvoorkomende defecten en de bijbehorende oplossingen.

Grafstenen

Het zogenaamde "Manhattan-effect", ook wel bekend als tombstoning, verwijst naar de situatie waarbij een uiteinde van een chipcomponent omhoog komt en rechtop gaat staan ​​tijdens het reflow-solderen, wat resulteert in een onderbreking van het circuit. Dit is een veelvoorkomend defect dat wordt veroorzaakt door een onevenwicht tijdens het soldeerproces.

Algemene oorzaken

•  Ongelijkmatige verwarming tussen de twee pads

•  Verschillende hoeveelheden soldeerpasta op elk contactvlak

•  Onjuiste plaatsing van componenten

•  Thermische onbalans veroorzaakt door een ongelijke koperverdeling op de printplaat.

Oplossingen

•  Optimaliseer de openingen in het sjabloon om het volume van de soldeerpasta in evenwicht te brengen.

•  Controleer de plaatsingsnauwkeurigheid

•  Pas het reflow-profiel aan.

•  Verbeter het padontwerp en de koperbalans.

Voids

Holtes verwijzen naar gasbellen die in de soldeerverbinding zijn opgesloten. Dit verschijnsel komt vaker voor bij BGA-, QFN- of grote thermische pads. Holtes kunnen de thermische geleidbaarheid van de soldeerverbindingen verminderen en hun betrouwbaarheid beïnvloeden.

Algemene oorzaken

•  Gas dat tijdens het reflow-solderen is ingesloten

•  Oxidatie die de bevochtiging van soldeer beïnvloedt

•  Onjuiste opslag of hantering van soldeerpasta.

•  Een ongeschikt reflow-profiel

Oplossingen

•  Optimaliseer het reflow-profiel.

•  Gebruik soldeerpasta met een laag holtegehalte.

•  Verbeter het sjabloonontwerp.

•  Houd de oppervlakken van de printplaat schoon.

Koude soldeerverbindingen

Koude soldeerverbindingen zien er meestal dof of gebarsten uit aan het oppervlak, wat er doorgaans op wijst dat het soldeer niet volledig is gesmolten of slecht bevochtigd is.

Algemene oorzaken

•  Reflow-temperatuur te laag

•  De tijd boven het liquidus-punt is te kort.

•  Slechte warmteoverdracht naar bepaalde delen van de printplaat.

•  Fluxdegradatie of oxidatie

Oplossingen

•  Verhoog de piektemperatuur van het reflowproces.

•  Verleng de tijd boven het liquidus-punt iets.

•  Verbeter de gelijkmatigheid van de verwarming.

•  Zorg ervoor dat er verse soldeerpasta wordt gebruikt.

Soldeer Bruggen

Soldeerbruggen verwijzen naar de situatie waarbij soldeer aangrenzende pads met elkaar verbindt, waardoor een kortsluiting ontstaat. Dit soort problemen komt relatief vaak voor bij componenten met een fijne pitch of printplaten met een hoge dichtheid.

Algemene oorzaken

•  Overtollige soldeerpasta

•  Slechte sjabloonafdruk

•  Verkeerde uitlijning van componenten

•  Een instabiel reflowprofiel

Oplossingen

•  Verminder het volume van de soldeerpasta.

•  Verbeter de kwaliteit van stencilafdrukken.

•  Controleer de plaatsingsnauwkeurigheid

•  Pas het reflow-profiel aan.

Soldeerballen

Soldeerbolletjesvorming verwijst naar de vorming van veel kleine soldeerbolletjes rond de soldeerverbindingen na het reflow-solderen. Deze soldeerbolletjes kunnen kortsluiting veroorzaken en de betrouwbaarheid van het product beïnvloeden.

Algemene oorzaken

•  Te snelle opwarming tijdens de voorverwarmingsfase

•  Slechte staat van de soldeerpasta

•  Inconsistente afdrukken

•  Onjuist reflow-profiel

Oplossingen

•  Vertraag de voorverwarmingssnelheid.

•  Verbeter de opslag en verwerking van soldeerpasta.

•  Optimaliseer het sjabloonontwerp

•  Zorg ervoor dat de oppervlakken van de printplaat schoon zijn.

Deze soldeerfouten benadrukken één belangrijk punt: reflowsolderen is een compleet systeemproces. Het aanbrengen van de soldeerpasta, het plaatsen van de componenten en de temperatuurregeling tijdens het reflowsolderen moeten allemaal op elkaar afgestemd zijn om een ​​stabiele soldeerkwaliteit te garanderen.

Inspectie en kwaliteitscontrole

De rol van inspectie is het omzetten van proceskennis in kwantificeerbare en meetbare kwaliteitscontrole. Een perfect kwaliteitssysteem is doorgaans niet gebaseerd op slechts één testmethode, maar combineert meerdere methoden.

Visuele inspectie

De meest fundamentele inspectiemethode is handmatige visuele inspectie.

De operator zal de soldeerverbindingen op de printplaat direct inspecteren om te controleren op duidelijke soldeerfouten, zoals:

•  Soldeer overbrugging

•  Ontbrekende soldeerverbindingen

•  Onvolledige soldeerverbindingen

Deze methode is eenvoudig, maar kan snel veel zichtbare problemen aan het licht brengen.

Geautomatiseerde optische inspectie, AOI

AOI gebruikt camera's en beeldherkenningssystemen om het oppervlak van printplaten te inspecteren. Het kan het volgende detecteren:

•  Of de vorm van de soldeerverbinding normaal is

•  Of de componenten correct geplaatst zijn.

•  Of er sprake is van soldeerfouten.

Vergeleken met handmatige inspectie is AOI sneller en betrouwbaarder.

X-ray inspectie

Bij meerlaagse printplaten of complexe PCB's is een oppervlakte-inspectie alleen niet voldoende. In dat geval wordt röntgeninspectie gebruikt. Deze techniek kan de interne toestand van de soldeerverbinding onthullen, zoals:

•  Holtes in soldeerverbindingen

•  Onvoldoende soldeer

•  Verborgen soldeerfouten

Conclusie

Betrouwbare elektronische producten kunnen niet zonder betrouwbare soldeerverbindingen, en reflowsolderen is de meest gebruikte soldeermethode geworden in de SMT-productie. Reflowsolderen begrijpen houdt meer in dan alleen weten dat soldeer smelt wanneer het verhit wordt. Belangrijker is het om te begrijpen hoe het ontwerp van het SMT-stencil, de eigenschappen van de soldeerpasta, de plaatsingsnauwkeurigheid en de parameters van de reflowoven samen de stabiliteit van het gehele reflowsoldeerproces beïnvloeden.

Tegelijkertijd is het ook nodig om het gehele productieproces van elektronica te bekijken. Veel producten bevatten zowel SMT-componenten als doorsteekcomponenten. Inzicht in de verschillen tussen golfsolderen en reflowsolderen kan daarom helpen bij het maken van een betere keuze op het gebied van kosten, efficiëntie en betrouwbaarheid.

Veelgestelde vragen

1. Wat is reflow solderen?

Reflowsolderen is een methode om SMT-componenten op een printplaat te bevestigen. Soldeerpasta wordt op de contactvlakken aangebracht, de componenten worden geplaatst en de printplaat gaat door een reflowoven waar het soldeer smelt en soldeerverbindingen vormt.

2. Wat is het verschil tussen golfsolderen en reflowsolderen?

Reflowsolderen wordt voornamelijk gebruikt voor SMT-componenten, terwijl golfsolderen wordt gebruikt voor doorsteekcomponenten. Veel printplaatassemblages maken gebruik van beide processen.

3. Wat is een reflow-profiel?

Een reflowprofiel is de temperatuurcurve die een printplaat volgt in de reflowoven tijdens het reflowsoldeerproces. Het omvat doorgaans de fasen voorverwarmen, inwerken, reflowen en afkoelen.

4. Wat is de gebruikelijke reflow-temperatuur?

Voor de meeste loodvrije soldeerpasta's ligt de piektemperatuur voor het reflow-proces doorgaans tussen 235 °C en 250 °C, afhankelijk van de soldeerpasta en de componenten.

5. Welke defecten kunnen er optreden tijdens reflow solderen?

Veelvoorkomende defecten bij reflow-solderen zijn onder andere tombstoning, soldeerbruggen, koude soldeerverbindingen, holtes en soldeerbolletjes.

6. Waarom is de reflow-oven belangrijk?

De reflow-oven regelt de verwarming tijdens het reflow-soldeerproces, waardoor de juiste reflow-temperatuur en een consistente soldeerverbindingkwaliteit worden gegarandeerd.