Dankzij de komst van het milieuvriendelijke hittetransfermedium perfluorpolyether is condensatiesolderen weer in beeld als methode om complexe smd-componenten perfect maar toch relatief simpel te bevestigen op een printplaat. Marc van Stralen van Imdes Creative Solutions legt uit hoe het proces werkt en wat de voordelen zijn.
Om surface-mounted devices te kunnen solderen op pcb’s moeten we de toekomstige verbindingen op de printplaat eerst voorzien van soldeerpasta. Deze pasta bestaat uit een metaalpoeder met een korrelgrootte van 25 tot 45 µm en een vloeimiddel, ook wel flux genoemd. Aanbrengen kan op verschillende manieren: via sjabloon- of stencildrukken voor grote series of handmatig met een injectiespuit voor prototypes en kleine aantallen.
De te solderen componenten worden echter steeds kleiner, net als de afstanden tussen hun aansluitingen. Dat maakt het steeds lastiger om de pasta handmatig met een injectiespuit aan te brengen. Sjabloondrukken zien we daardoor ook steeds meer toegepast op enkele stuks of kleine series.
Bij deze techniek drukken we de soldeerpasta door de openingen van een sjabloon dat speciaal is vervaardigd voor de te produceren printplaat. De pasta belandt zo exact op de posities waar later de verbindingen van de componenten komen. Dit proces is van fundamentele invloed op alle daaropvolgende stappen; zestig tot zeventig procent van alle fouten in het totale traject is terug te voeren op het drukproces en de gebruikte pasta.
Na het sjabloondrukken plaatsen we alle smd-componenten op hun posities in de soldeerpasta. Het geheel warmen we op om de flux in de pasta te activeren, waarna die de oxidatielaag op de poederdeeltjes verwijdert voor een betere hechting. Dan voeren we de temperatuur verder op tot het poeder smelt en een soldeerverbinding vormt tussen de componentaansluitingen en de bijbehorende contactvlakken op de printplaat. Even afkoelen en het soldeerproces is voltooid. Dit is de bekende reflowtechniek.
Terug in beeld
Een vorm van reflowen is vapor phase soldering ofwel condensatiesolderen. Hierbij verwarmen we een chemisch inerte en elektrisch neutrale vloeistof in een gesloten ruimte tot het kookpunt. Boven de kokende vloeistof ontstaat een verzadigde damp met praktisch dezelfde temperatuur. Vervolgens brengen we een geassembleerde printplaat in de ruimte. Omdat die aanvankelijk een lagere temperatuur heeft, slaat er damp op neer. Deze condensatie gaat door tot het hele oppervlak van de print op temperatuur is. Zodra alle neerslag weer is verdampt, laten we de ruimte afkoelen.
De soldeerlegeringen op de printplaat hebben een lager smeltpunt dan de temperatuur van de damp; geheel omhuld door damp worden zij vloeibaar. Als het medium afkoelt, stollen ze weer, onder de vorming van een soldeerverbinding. Aan het eind van het hele proces ligt er een gesoldeerde printplaat in de proceskamer.
Condensatiesolderen was zeer populair vlak na de opkomst van de smd-techniek begin jaren tachtig. Het in die dagen toegepaste medium om de hitte over te brengen, had echter nogal wat nadelen. Zo kwamen er bij de verwarming stoffen vrij die schadelijk zijn voor mens en milieu. Daardoor is condensatiesolderen uit de gratie geraakt en is infraroodsolderen de standaard geworden.
Bij infraroodsolderen verhitten we de pcb’s met smd-componenten meestal in een infraroodoven, eventueel met stikstof als beschermgas tegen oxidatie. De soldeer smelt dan door blootstelling aan intense ir-straling. De donkere delen absorberen echter veel meer warmte dan bijvoorbeeld de glanzende zilveren pinnen. Hierdoor is de verhitting zeer onregelmatig en vooral ongunstig voor de ic-componenten met hun zwarte behuizing; die mogen juist niet te heet worden.
Met de invoering van loodvrij solderen is hier een belangrijk nadeel bij gekomen: in een infraroodoven tot stand gebrachte loodvrije verbindingen zijn zeer gevoelig voor defecten. Dat leeft op gespannen voet met de steeds hogere eisen aan kwaliteit en betrouwbaarheid. Daarom is de industrie op zoek gegaan naar betere soldeermethodes.
Ook condensatiesolderen is weer in beeld gekomen, dankzij perfluorpolyether. Deze stof, door Solvay op de markt gebracht onder de naam Galden, bestaat uit vloeibare polymeren die uitsluitend zijn opgebouwd uit fluor-, koolstof- en zuurstofatomen. De in de moleculen aanwezige verbindingen zijn zeer stabiel en de in de polymeerketting gebonden fluoratomen beschermen het koolstofraamwerk tegen allerhande chemische en thermische aanvallen. Perfluorpolyether heeft een hoge dichtheid, een lage oppervlaktespanning en een zeer goede warmteoverdrachtscoëfficient. En last but not least: bij verwarming komen er geen schadelijke stoffen vrij.
Extreem schoon
Condensatiesolderen is een van de weinige manieren waarmee we de complexe smd-componenten van tegenwoordig perfect maar toch relatief simpel kunnen bevestigen op een printplaat. De methode is vooral een uitkomst voor wie prototypes of kleinere series met hoge kwaliteitseisen wil solderen, in industriële toepassingen én hobbyprojecten. Met een eenvoudig hulpmiddel kunnen we er bovendien grote componenten zoals fpga’s mee verwijderen, gemakkelijk en zonder beschadigingen. De industrie past condensatiesolderen ook toe voor grote aantallen printplaten; verschillende bedrijven leveren daarvoor (inline) batchreflowmachines.
Met perfluorpolyether is condensatiesolderen nu een milieuvriendelijke methode, met goed reproduceerbare procescondities en zonder arbeidsintensieve procedures om de gewenste temperatuurprofielen te bepalen. Doordat de soldeerruimte geheel gevuld is met inert gas, kunnen er geen andere gassen in aanraking komen met het werkstuk en is het niet meer nodig om stikstof te gebruiken ter bescherming, bijvoorbeeld om oxidatie door contact met zuurstof tegen te gaan.
De warmteoverdracht gaat via een vloeistoffilm, die veel directer en effectiever werkt dan straling of luchtverwarming en doordringt tot in de kleinste openingen (Figuur 1). Zo komt de film gemakkelijk onder componenten als bga’s en fpga’s. Hierdoor bereiken we een extreem hoge efficiëntie en is de opwarming van de print onafhankelijk van diens vorm of kleur. Omdat de temperatuur van de damp niet hoger wordt dan het kookpunt van de vloeistof, is oververhitting uitgesloten.
Het wordt ook steeds belangrijker dat printplaten schoon zijn na het solderen; leds, potentiometers en schakelaars ondervinden steeds meer last van (flux)verontreinigingen en uitgassende pcb’s. Vanwege de zuurstofvrije omgeving waarin we condensatiesolderen, kunnen we daar pasta’s gebruiken met een veel lager fluxgehalte. En omdat fluxresiduen niet kunnen inbranden en hun chemische structuur niet verandert, zijn eventuele resten eenvoudig van de print te verwijderen met standaard schoonmaakprocessen.
Daarnaast is het milieu in een condensatiesoldeermachine altijd extreem schoon. Als in een distillatiekolom verdwijnen gassen uit de pasta en de print vanwege hun lagere dichtheid onmiddellijk uit de condensatiezone, waardoor eventuele vuildeeltjes geen kans krijgen om neer te slaan op de printplaat. In infraroodovens komt het hele pcb-oppervlak in contact met lucht die mogelijk verontreinigingen bevat. Bij condensatiesolderen is het wel zaak om de bodem van de proceskamer regelmatig te reinigen, aangezien zich daar de fluxresten, soldeerballetjes en andere vaste stoffen verzamelen die ontstaan tijdens het solderen.
Een nadeel van condensatiesolderen is de hoge prijs van perfluorpolyether. De investering verdienen we echter al snel terug omdat we nooit meer slecht gesoldeerde, verbrande of oververhitte prints met dure componenten hoeven af te voeren. Daarbij hebben we maar een kleine hoeveelheid nodig: twee- tot driehonderd milliliter in een kleine laboratoriummachine. Als we ons aan de werkinstructies van de machineleverancier houden, is het verbruik ook nog eens gering. En raakt het medium vervuild, bijvoorbeeld door de fluxresiduen van de pasta, dan kunnen we het eenvoudig reinigen – al met een goedkoop papieren koffiefilter – en daarna hergebruiken.
Vijftien minuten
De benodigde apparatuur is evenmin goedkoop: de aanschafprijs van een kleine professionele batchreflowmachine voor condensatiesolderen ligt tussen de zes- en achttienduizend euro. Dergelijke systemen moeten we bovendien koelen met water. Niet zo handig als we de machine willen opstellen in een laboratoriumomgeving.
Bij Imdes Creative Solutions hebben we daarom de Mini-Condens-It ontwikkeld, een compacte reflowmachine voor condensatiesolderen met ingebouwde geforceerde luchtkoeling. Hiermee zijn producten te solderen tot 250 mm lang, 190 mm breed en 20 mm hoog (dubbel eurokaartformaat). Dit systeem is te koop voor nog geen duizend euro.
De Mini-Condens-It bevat een geperforeerde lichtmetalen werkstukdrager, waarop we de te solderen printplaat leggen. Onder deze drager, op de bodem van de proceskamer, ligt een laag Galden. Na het sluiten van het deksel en een druk op de startknop warmt het systeem dit medium op tot zijn kookpunt rond 230 graden Celsius. De stoom die ontstaat, stijgt op, omhult de print en condenseert op het koudere oppervlak, zijn warmte-energie daarbij afgevend aan het werkstuk.
De hittetransfer zet het reflowproces in gang. Dit stopt als de condensatie ophoudt, dus zodra het pcb-oppervlak dezelfde temperatuur heeft als de stoom. Dat is na ongeveer tien seconden. Stoom en daarmee werkstuk worden niet warmer dan het kookpunt van het gebruikte Galden. Van de printplaat stijgt de damp verder op tot deze de dampdeken-temperatuursensor bereikt. Dan schakelt het systeem de verwarmingselementen uit en de koelventilatoren in, die de dampdeken verdrijven. Om oververhitting te voorkomen, gaat de verwarming ook uit als een sensor op de bodem van de proceskamer geen Galden meer detecteert.
Tijdens het afkoelen verdampt overblijvend condensaat op de print door de eigen warmte van het werkstuk. Uiteindelijk komt het als Galden-druppels terug in de voorraad op de bodem van de proceskamer. Het verbruik van het medium is minimaal, zeker als we het werkstuk voldoende koelen en het deksel tijdens het proces gesloten houden.
Als de ventilatoren stoppen, is de koelprocedure afgelopen en kunnen we het deksel openen en de gesoldeerde printplaat eruit halen. Het hele proces neemt ongeveer tien tot vijftien minuten in beslag. In principe komen er geen schadelijke stoffen vrij, behalve de harsdampen uit de soldeerpasta.
De Mini-Condens-It is bij uitstek geschikt voor het veilig en hoogwaardig (loodvrij) solderen van prototypes. Daarnaast is het systeem te gebruiken om de kwaliteit van printplaten en pasta’s te controleren en om foutief gesoldeerde pcb’s te repareren. Voor het de- en re-solderen van smd-componenten is een speciale tool beschikbaar (Figuur 2).
