Welke flux en soldeerlegering kies je voor selective soldering?

Bij selective soldering gaat veel aandacht naar machineparameters zoals nozzlekeuze, soldeersnelheid en preheating. Maar ook de gebruikte flux en soldeerlegering bepalen mee hoe groot het procesvenster is.

De flux moet oxiden verwijderen en de bevochtiging ondersteunen, maar wordt zeer lokaal aangebracht. De soldeerlegering moet voldoende warmte overdragen om een goede hole fill te realiseren, terwijl je de thermische belasting van PCB en componenten wilt beperken.

De juiste chemie kies je daarom niet los van het proces. PCB, component, thermische massa, fluxapplicatie, soldeertemperatuur en gewenste cyclustijd moeten samen worden bekeken.

Wat moet flux doen bij selective soldering?

Flux bereidt de te solderen oppervlakken voor op het contact met vloeibaar soldeer. De actieve bestanddelen helpen oxiden te verwijderen, zodat het soldeer de metalen oppervlakken goed kan bevochtigen.

Bij through-hole verbindingen moet die werking niet alleen aan de onderzijde van de PCB plaatsvinden. De flux moet ook voldoende in de ruimte tussen componentpin en gemetalliseerde doorvoer terechtkomen.

Dat maakt de manier waarop de flux zich verspreidt belangrijk.

Bij selective soldering wordt flux doorgaans lokaal aangebracht, bijvoorbeeld met een microjet fluxer. Daardoor kan zeer gericht worden gewerkt en hoeft niet de volledige onderzijde van de PCB van flux te worden voorzien.

Maar precies die lokale toepassing stelt specifieke eisen aan de flux.

Kan je dezelfde flux gebruiken voor wave en selective soldering?

Een flux die geschikt is voor wave soldering kan in bepaalde gevallen ook voor selective soldering worden gebruikt. Toch betekent dat niet dat iedere wave soldering-flux automatisch een goede keuze is.

De procesomstandigheden zijn verschillend.

Bij wave soldering wordt doorgaans een groter oppervlak gefluxt en vervolgens over de soldeergolf geleid. Bij selective soldering wordt de flux veel lokaler aangebracht en komen alleen geselecteerde zones in contact met het vloeibare soldeer.

Daardoor kunnen fluxresten buiten het effectieve soldeergebied achterblijven. De hoeveelheid flux en de plaats waar deze wordt aangebracht verdienen dus extra aandacht.

Ook de geschiktheid voor de gebruikte fluxer speelt mee. Een flux die goed functioneert in een bepaald soldeerproces is niet automatisch optimaal voor een microjet-applicatie.

De vraag is dus niet alleen of een flux goed soldeert, maar ook of hij geschikt is voor de manier waarop je hem aanbrengt.

Alcohol- of watergedragen flux?

Bij de keuze van een flux speelt het gebruikte oplosmiddel een belangrijke rol.

Alcoholgedragen fluxen verdampen relatief gemakkelijk tijdens preheating. Bij watergedragen fluxen is meer energie nodig om het water voldoende te verdampen.

Dat heeft gevolgen voor het voorverwarmingsproces.

Wanneer nog te veel oplosmiddel aanwezig is op het moment dat de PCB het vloeibare soldeer bereikt, kan dit het proces verstoren. De preheating moet daarom niet alleen worden afgestemd op de PCB en haar thermische massa, maar ook op de gebruikte flux.

Een watergedragen flux kan dus perfect bruikbaar zijn, maar vraagt een proces dat voldoende energie en tijd voorziet om het water te laten verdampen.

Waarom is de samenstelling belangrijk voor microjet fluxing?

Een microjet fluxer werkt met zeer kleine openingen om de flux gericht aan te brengen. De samenstelling van de flux moet geschikt zijn voor die applicatiemethode.

Fluxen die bepaalde harsen of vaste bestanddelen bevatten, kunnen afhankelijk van hun formulering minder geschikt zijn voor zeer fijne applicaties wanneer afzettingen in de fluxer ontstaan.

Dat kan uiteindelijk de reproduceerbaarheid van het fluxproces beïnvloeden.

Bij de keuze van een flux voor selective soldering moet daarom niet alleen naar de chemische activiteit worden gekeken, maar ook naar praktische eigenschappen zoals:

• geschiktheid voor microjet-applicatie;
• stabiliteit van het fluxpatroon;
• verdamping tijdens preheating;
• hoeveelheid en aard van het residu;
• benodigde activatie.

De beste flux op papier is niet noodzakelijk de beste flux voor de gebruikte installatie.

Hoe actief moet de flux zijn?

Fluxactiviteit helpt om oxiden van de soldeerbare oppervlakken te verwijderen.

Wanneer oppervlakken moeilijk soldeerbaar zijn, kan een hogere activiteit het procesvenster vergroten. Maar meer activiteit is niet automatisch beter.

Sterkere activatoren kunnen ook gevolgen hebben voor de eigenschappen van de residuen die na het solderen achterblijven. Dat is zeker relevant bij selective soldering, omdat niet alle gefluxte zones noodzakelijk in contact komen met vloeibaar soldeer.

Een goede uitgangspositie is daarom:

gebruik voldoende fluxactiviteit om betrouwbare bevochtiging te bereiken, maar niet meer dan de toepassing nodig heeft.

Daarbij moet ook rekening worden gehouden met halogenen en de betrouwbaarheidseisen van de uiteindelijke elektronica.

Wanneer is een aangepaste flux voor selective soldering zinvol?

Een specifieke selective soldering-flux wordt interessant wanneer een standaardflux beperkingen begint te veroorzaken.

Denk bijvoorbeeld aan situaties waarin:

• de flux moeilijk reproduceerbaar met een microjet kan worden aangebracht;
• onvoldoende flux door de through-hole komt;
• te veel residu buiten de soldeerzone achterblijft;
• de vereiste activatie niet past bij de soldeerbaarheid van PCB en component;
• het beschikbare preheatproces niet goed aansluit op het oplosmiddel;
• solder balls of andere procesproblemen optreden.

Het uitgangspunt hoeft dus niet te zijn dat selective soldering altijd een specifieke flux vereist.

Belangrijker is om te beoordelen of de flux past bij het werkelijke proces. Wanneer dat niet zo is, kan een flux die specifiek op selective soldering is afgestemd het procesvenster vergroten.

Ook de soldeerlegering bepaalt het procesvenster

Flux is slechts één deel van de chemie. Ook de soldeerlegering heeft een grote invloed op het selective soldering-proces.

Een belangrijke eigenschap is de smelttemperatuur.

Veel loodvrije processen werken met SnAgCu-legeringen zoals SAC305. Deze legeringen vragen relatief hoge procestemperaturen. Dat betekent dat voldoende energie moet worden overgedragen om zowel de soldeerverbinding als de thermische massa van de PCB en component op temperatuur te brengen.

Vooral bij zware connectoren, dikke PCB’s of veel koper kan dit een uitdaging worden.

Je kunt daarop reageren door bijvoorbeeld:

• sterker voor te verwarmen;
• langer contact met het vloeibare soldeer te voorzien;
• de soldeersnelheid te verlagen;
• een grotere nozzle te gebruiken;
• de soldeertemperatuur aan te passen.

Maar iedere ingreep heeft gevolgen voor het proces en de thermische belasting.

Wat kan een legering met een lager smeltpunt veranderen?

Een soldeerlegering met een lager smeltpunt kan de hoeveelheid benodigde thermische energie verminderen.

Dat kan interessante procesvoordelen bieden. Een lagere soldeertemperatuur betekent minder thermische belasting voor PCB en componenten. Bovendien kan in bepaalde toepassingen sneller worden gesoldeerd omdat minder energie nodig is om de verbinding boven het smeltpunt te brengen.

Dat kan dus zowel de procesmarge als de cyclustijd beïnvloeden.

Een legering met een lager smeltpunt is echter niet automatisch de beste keuze.

De mechanische eigenschappen, betrouwbaarheidseisen, compatibiliteit met componentafwerkingen en eisen van de eindtoepassing blijven bepalend. Een legeringswissel is daarom een procesbeslissing en geen eenvoudige machine-instelling.

Flux en legering moeten samen met het proces worden gekozen

Stel dat een verbinding onvoldoende hole fill vertoont. Dan kan het verleidelijk zijn om onmiddellijk een actievere flux te kiezen.

Maar misschien is de flux niet het probleem.

De oorzaak kan ook liggen bij onvoldoende preheating, een te kleine nozzle, een te hoge soldeersnelheid of een soldeerlegering die in combinatie met de thermische massa te veel energie vraagt.

Hetzelfde geldt omgekeerd. Een machine-instelling aanpassen heeft weinig zin wanneer de gebruikte flux onvoldoende geschikt is voor de applicatiemethode of de te solderen oppervlakken.

Daarom moeten chemie en machineparameters als één proces worden bekeken.

Start bij de toepassing, niet bij het product

Er bestaat geen universele flux of soldeerlegering die voor iedere selective soldering-toepassing de beste keuze is.

Een stabiel proces begint met de juiste vragen:

• Welke PCB en componenten moeten worden gesoldeerd?
• Hoe groot is de thermische massa?
• Hoe wordt de flux aangebracht?
• Welke activatie is nodig?
• Welke residuen zijn aanvaardbaar?
• Welke soldeerlegering wordt gebruikt?
• Welke thermische belasting is toegestaan?
• Welke cyclustijd moet worden gehaald?

Op basis daarvan kan worden bepaald of een bestaande flux volstaat of dat een aangepaste flux voor selective soldering meerwaarde biedt. Ook de keuze van de legering kan vervolgens in functie van het volledige proces worden geëvalueerd.