Pen-gatverhouding bij THT-solderen: welke verhouding is ideaal?

Bij THT-componenten is een goede gatvulling belangrijk voor een betrouwbare soldeerverbinding. De verhouding tussen de diameter van de componentpen en het gemetalliseerde gat speelt daarbij een belangrijke rol. Een te grote of te kleine opening kan de capillaire werking beperken en zo de opstijging van vloeibaar soldeer bemoeilijken.

Als praktische richtlijn geldt: maak de gatdiameter ongeveer 0,5 mm groter dan de diameter van de componentpen. Daarmee ontstaat rondom de pen circa 0,25 mm ruimte, een gunstig uitgangspunt voor capillaire werking. Maar de pen-gatverhouding is niet de enige factor die bepaalt of het soldeer het gat goed vult.

Waarom is een goede gatvulling belangrijk?

Bij golf- en selectief solderen komt het vloeibare soldeer vanaf de onderzijde van de printplaat in contact met de componentpen en het gemetalliseerde gat. Het soldeer moet vervolgens omhoog bewegen tussen de pen en de wand van het gat.

Hoeveel gatvulling vereist is, hangt onder meer af van de kwaliteitsklasse en de eisen die aan het product worden gesteld. Voor toepassingen met hoge betrouwbaarheid zijn de eisen doorgaans strenger. Daarom is het zinvol om het ontwerp en het soldeerproces zo in te richten dat een zo goed mogelijke doorstijging kan worden bereikt.

Capillaire werking trekt het soldeer omhoog

De opstijging van vloeibaar soldeer wordt voor een belangrijk deel veroorzaakt door capillaire werking. Een vloeistof kan in een smalle opening tegen de zwaartekracht in omhoog bewegen.

Dit verschijnsel wordt beschreven door de wet van Jurin. Voor het soldeerproces zijn vooral vier factoren relevant:

• de oppervlaktespanning van het vloeibare soldeer
• de contacthoek tussen soldeer en het te bevochtigen oppervlak
• de dichtheid van het soldeer
• de ruimte tussen de componentpen en de wand van het gat

Vooral die laatste factor is al tijdens het PCB-ontwerp te beïnvloeden.

Wat is de ideale pen-gatverhouding?

Voor THT-solderen ligt een praktisch bruikbaar gebied voor de ruimte tussen pen en gat volgens de bron rond 0,1 tot 0,4 mm per zijde. Rond 0,25 mm per zijde ontstaat een gunstige situatie voor de capillaire werking.

Daaruit volgt een eenvoudige ontwerpregel:

gatdiameter = pendiameter + circa 0,5 mm

Heeft een component bijvoorbeeld een pen met een diameter van 1,0 mm, dan is een gatdiameter van ongeveer 1,5 mm vanuit het oogpunt van capillaire werking een logisch uitgangspunt.

Een groter gat is dus niet automatisch beter. Naarmate de opening groter wordt, neemt de capillaire werking af. Een extreem kleine opening is evenmin wenselijk: dan kunnen fysieke obstructie en weerstand de doorstroming van het soldeer beperken.

Welke andere factoren beïnvloeden de gatvulling?

Een correcte pen-gatverhouding biedt geen garantie op een volledige gatvulling. Verschillende procesparameters spelen mee.

Flux en bevochtiging

Voor een goede capillaire werking moet het vloeibare soldeer de metalen oppervlakken goed kunnen bevochtigen. Oxidatie belemmert dit. Flux reinigt en activeert de oppervlakken en helpt zo de contacthoek te verkleinen.

Daarom is niet alleen voldoende flux belangrijk: de flux moet ook daadwerkelijk in het gat doordringen voordat het solderen plaatsvindt.

Stikstof

Solderen in een stikstofomgeving beperkt oxidatie en beïnvloedt de omstandigheden waaronder het vloeibare soldeer bevochtigt en door het gat stijgt. Daardoor kan stikstof bijdragen aan een betere gatvulling, zowel bij selectief als bij golfsolderen.

Temperatuur en thermische massa

Een goede geometrie helpt weinig wanneer het soldeer tijdens het opstijgen te sterk afkoelt. Zodra het stolt, stopt de opwaartse beweging.

Dit is vooral een aandachtspunt bij dikkere multilayer-PCB’s en verbindingen met veel koper. Koper voert warmte snel af, waardoor extra voorverwarming of thermische ontkoppeling in het PCB-ontwerp nodig kan zijn.

Pompdruk

Bij golf- en selectief solderen helpt de pompdruk om vloeibaar soldeer omhoog te brengen. Een hogere druk kan echter slechte bevochtiging of een ongunstige pen-gatverhouding niet zomaar compenseren. De voorwaarden voor capillaire werking moeten nog steeds aanwezig zijn.

Wat als de gatvulling onvoldoende is?

Kijk bij onvoldoende doorstijging daarom niet alleen naar de soldeermachine. Controleer de combinatie van pendiameter, gatdiameter, fluxpenetratie, bevochtiging, temperatuur, thermische massa en procesinstellingen.

De richtlijn van ongeveer 0,25 mm ruimte per zijde is een nuttig vertrekpunt. Bij hardnekkige problemen is het belangrijk om vervolgens het volledige thermische en soldeertechnische proces te beoordelen. Zo voorkom je dat een ontwerpprobleem met procesinstellingen wordt bestreden, of andersom.

Conclusie

Voor een sterke capillaire werking bij THT-solderen is een gatdiameter van ongeveer 0,5 mm groter dan de pendiameter een praktische richtlijn. De uiteindelijke gatvulling wordt echter bepaald door het samenspel van PCB-ontwerp, bevochtiging, flux, temperatuur, thermische massa en het soldeerproces.