Welke invloed hebben soldeersnelheid, soldeerhoogte en nozzlekeuze bij selective soldering?
Bij selective soldering kun je het soldeerproces zeer gericht instellen. Dat is een belangrijk voordeel: verschillende componenten op dezelfde PCB kunnen elk een aangepaste behandeling krijgen.
Die flexibiliteit betekent echter niet dat iedere parameter afzonderlijk kan worden geoptimaliseerd. Soldeersnelheid, soldeerhoogte, nozzlekeuze en warmteoverdracht beïnvloeden elkaar. Een wijziging die de cyclustijd verbetert, kan bijvoorbeeld gevolgen hebben voor de hole fill of bridging.
De juiste instellingen vind je daarom niet door één parameter te maximaliseren, maar door ze als onderdeel van hetzelfde proces te bekijken.
Begin met de juiste nozzle
De keuze van de nozzle wordt vaak bepaald door de beschikbare ruimte rond de te solderen component. Maar de nozzle heeft ook een belangrijke thermische functie.
Een grotere nozzle brengt meer vloeibaar soldeer in contact met het soldeergebied. Daardoor is er meer thermische energie beschikbaar om de componentpin, het gemetalliseerde gat en de omliggende PCB op temperatuur te brengen.
Een praktisch uitgangspunt is daarom:
gebruik een zo groot mogelijke nozzle als de beschikbare ruimte rond de component toelaat.
Dat betekent niet dat de grootste beschikbare nozzle altijd de beste keuze is.
Bij dicht bij elkaar geplaatste componenten kan een kleinere nozzle nodig zijn om uitsluitend het gewenste soldeergebied te bereiken. De layout van de PCB bepaalt dus mee hoeveel ruimte je hebt om de warmteoverdracht via de nozzle te optimaliseren.
Houd rekening met de uitstekende pinlengte
Niet alleen de diameter van de nozzle is belangrijk. Ook de positie van de PCB ten opzichte van het vloeibare soldeer vraagt aandacht.
Through-hole componenten kunnen verschillende uitstekende pinlengtes hebben. Wanneer een pin ver onder de PCB uitsteekt, moet voldoende ruimte beschikbaar blijven tussen die pin en de nozzle.
Raakt de pin de nozzle, dan kan dit het proces verstoren.
Tegelijk moet het vloeibare soldeer voldoende hoog komen om goed contact te maken met de onderzijde van de PCB en de soldeerverbinding te vormen.
Soldeerhoogte en pinlengte moeten daarom samen worden bekeken.
Een stabiele mechanische positionering is hierbij essentieel. Kleine veranderingen in de afstand tot de soldeergolf kunnen de contactcondities beïnvloeden en daarmee ook de reproduceerbaarheid van het proces.
Welke invloed heeft de soldeersnelheid?
De soldeersnelheid bepaalt hoe lang een bepaald gebied met het vloeibare soldeer in contact blijft.
Een lagere snelheid betekent doorgaans een langere contacttijd. Daardoor is meer tijd beschikbaar om warmte over te dragen aan de verbinding.
Dat kan nodig zijn bij een hoge thermische massa, bijvoorbeeld bij een zware connector of een PCB met veel koper.
Een hogere snelheid verkort de contacttijd en kan de cyclustijd verminderen. Maar daarvoor moet voldoende thermische energie beschikbaar zijn om de verbinding binnen die kortere tijd correct te vormen.
Als praktische procesrange komen snelheden van ongeveer 5 tot 10 mm/s vaak in beeld. Hogere snelheden kunnen mogelijk zijn wanneer de thermische omstandigheden, flux en soldeerlegering dit toelaten.
Zie dit echter niet als een universele instelling.
De snelste instelling is niet noodzakelijk het beste proces. De juiste snelheid is de snelheid waarbij voldoende warmteoverdracht en een betrouwbare verbinding worden gerealiseerd zonder onnodig lange contacttijd.
Meer contacttijd is niet altijd de beste oplossing
Bij onvoldoende hole fill kan het logisch lijken om de soldeersnelheid te verlagen.
Langzamer bewegen geeft inderdaad meer tijd voor warmteoverdracht. Maar als het onderliggende probleem bijvoorbeeld onvoldoende preheating, een te kleine nozzle of een ongeschikte fluxapplicatie is, behandel je daarmee vooral het symptoom.
Bovendien betekent een langere contacttijd dat PCB en component langer aan vloeibaar soldeer en hoge temperaturen worden blootgesteld.
Bij procesoptimalisatie is het daarom beter om eerst te vragen:
Waarom heeft deze verbinding meer tijd nodig?
Misschien kan dezelfde verbinding sneller en robuuster worden gesoldeerd door de warmteoverdracht op een andere manier te verbeteren.
Soldeerhoogte bepaalt het contact met de soldeergolf
Ook de hoogte van de soldeergolf ten opzichte van de PCB beïnvloedt het proces.
Het vloeibare soldeer moet voldoende contact maken met het gewenste gebied. Een te lage instelling kan leiden tot onvoldoende contact, terwijl een te hoge soldeerhoogte het risico verhoogt dat het soldeer zones bereikt die je juist niet wilt raken.
Daarbij moet ook rekening worden gehouden met de geometrie rond het soldeerpunt: uitstekende pinnen, naburige componenten en de beschikbare ruimte rond de nozzle.
De ideale hoogte is daarom geen vaste waarde. Het doel is een stabiel en reproduceerbaar contact tussen soldeer en PCB, zonder onnodige interactie met omliggende delen.
De beweging aan het einde van het solderen telt mee
Niet alleen wat er tijdens het contact met de soldeergolf gebeurt is belangrijk. Ook de manier waarop de verbinding het vloeibare soldeer verlaat, beïnvloedt het resultaat.
Dit is vooral relevant bij het drag solderen van connectoren met meerdere pinnen.
Wanneer de verbinding uit de soldeergolf komt, vormt het vloeibare soldeer een meniscus. De manier waarop die meniscus wordt verbroken, kan invloed hebben op de hoeveelheid soldeer die achterblijft en op het ontstaan van soldeerbruggen tussen aangrenzende pinnen.
Een gecontroleerde beëindiging van de soldeerbeweging is daarom belangrijk.
Een mogelijke methode is de soldeergolf aan het einde van het traject gecontroleerd te laten zakken. Hierdoor kan de meniscus geleidelijk worden verbroken terwijl de PCB haar positie behoudt.
Dat kan helpen om de vorming van bridges tussen aangrenzende verbindingen te beperken.
Bridging los je niet altijd op met één instelling
Wanneer twee aangrenzende soldeerverbindingen door overtollig soldeer met elkaar verbonden zijn, is het verleidelijk om één machineparameter als oorzaak aan te wijzen.
In werkelijkheid kan bridging verschillende oorzaken hebben.
Denk onder meer aan de beweging waarmee de PCB de soldeergolf verlaat, de soldeerhoogte, de geometrie van de component, de gekozen nozzle en de eigenschappen van flux en legering.
Daarom is het belangrijk om niet willekeurig instellingen te wijzigen.
Bekijk eerst op welk moment in het proces de bridge ontstaat. Pas daarna kun je gericht bepalen welke parameter moet worden aangepast.
Optimaliseren betekent parameters samen bekijken
Stel dat je de cyclustijd wilt verkorten door de soldeersnelheid te verhogen.
Dat kan alleen wanneer de verbinding in de kortere contacttijd nog steeds voldoende thermische energie ontvangt.
Je kunt dan bijvoorbeeld onderzoeken of:
- een grotere nozzle mogelijk is;
- de preheating kan worden geoptimaliseerd;
- de soldeerhoogte correct is ingesteld;
- de flux voldoende en op de juiste plaats wordt aangebracht;
- de gebruikte soldeerlegering geschikt is voor de gewenste procescondities.
Dat is precies waarom selective soldering niet gereduceerd kan worden tot een tabel met standaardinstellingen.
Een verandering aan één parameter kan gevolgen hebben voor verschillende andere delen van het proces.
Van machine-instelling naar stabiel proces
De kracht van selective soldering zit in de mogelijkheid om het proces nauwkeurig af te stemmen op de PCB en component.
Maar meer instelmogelijkheden betekenen niet dat meer instellingen automatisch een beter proces opleveren.
Een robuust proces ontstaat wanneer je begrijpt welke functie iedere parameter heeft:
nozzlekeuze bepaalt mee de warmteoverdracht → soldeerhoogte bepaalt het contact → soldeersnelheid bepaalt de contacttijd → de beweging uit de soldeergolf beïnvloedt de uiteindelijke verbinding.
Pas wanneer die factoren als één geheel worden bekeken, kun je gericht optimaliseren op soldeerkwaliteit én cyclustijd.
Daarbij blijft nog één belangrijk deel van het proces over: de chemie. De gebruikte flux en soldeerlegering bepalen mee hoe groot het procesvenster is en welke instellingen haalbaar zijn.
