Het grootste deel van de elektronica die wereldwijd wordt geproduceerd, wordt gesoldeerd met convectie ovens. Ook voor in het laboratorium of voor kleine serieproducties zijn deze ovens beschikbaar. Deze zijn echter niet gemakkelijk in gebruik en vormen een goed alternatief.
Conventionele reflow ovens smelten de soldeerpasta op de printplaat door de lucht te verwarmen, of door de elektronica direct te verwarmen. Hier kleven echter enkele nadelen aan:
- De stralingswarmte moet door het te solderen component heen om de soldeerpasta op te warmen. Dit zorgt voor enorme opwarming van het component.
- Het ene component is gevoeliger voor stralingswarmte dan het andere component. Hierdoor kan het bijvoorbeeld voorkomen dat een header smelt in de oven terwijl de pasta onder een BGA chip nog niet is gesmolten.
- De ingestelde temperatuur moet een stuk hoger zijn dan de smelttemperatuur van soldeerpasta. Dit vergroot de kans op oververhitting.
- Om oververhitting te voorkomen, is het verstandig om een zo laag mogelijke temperatuur te gebruiken, maar daarbij loopt met het risico dat tin niet smelt.
Vooral bij kleine soldeerovens die populair zijn in laboratoria of voor kleine series, komen deze problemen veel voor. De T962A is een goed voorbeeld van zo’n oven. Het vergt oefening om goede resultaten te halen met deze oven en zelfs dan zijn consistente resultaten niet gegarandeerd. Vapour phase is een erg goed alternatief voor deze soort ovens.
De T962A soldeeroven die verwarmt door middel van stralingswarmte
Hoe werkt vapour phase solderen?
Bij vapour phase solderen wordt de te solderen elektronica ondergedompeld in een hete damp. De hete damp brengt de hitte over op de soldeertin, die hierdoor smelt. Doordat hete damp een 10 tot 100 maal betere warmteoverdracht heeft, kan gesoldeerd worden met een lagere temperatuur.
Daarnaast verdringt de damp alle lucht rond de elektronica, dus er blijven geen delen ongesoldeerd.
Het grootste voordeel van het gebruik van een damp is dat deze een vaste temperatuur heeft, namelijk de kooktemperatuur. De temperatuur van de damp zal nooit hoger zijn dan deze temperatuur. Hierdoor zullen componenten nooit meer oververhitten.
Vergeleken met reflow ovens, biedt vapour phase een betere warmte overdracht, een uniforme temperatuur, is oververhitting uitgesloten, is de kans op ongesoldeerde onderdelen kleiner en componenten worden door de lagere temperatuur minder belast. Al met al zal vapour phase leiden tot betere en consistentere soldeerresultaten.
Bij convectiesolderen moet de hitte door het component om de tin te verwarmen en zal het component hierdoor flink belast worden.
Bij vapour phase solderen komt de damp ook onder componenten direct in contact met de soldeertin.
Het vapour phase proces
Er bestaan verschillende vapour phase processen, waarvan het “heat level adjustment” proces het eenvoudigste is. Dit is ook het proces dat wordt gebruikt in de vapour phase oven die wij verkopen, dus dit proces leggen we hier uit.
Stap 1: De startfase
De vapour phase machine bestaat uit een bak. Onderin de bak bevindt zich de soldeervloeistof. Enkele centimeters boven de vloeistof wordt de PCB met soldeerpasta en componenten geplaatst en de bak wordt afgesloten. De vloeistof is nog koud en er is dus geen soldeerdamp. Onderin de bak zijn ook vewarmingselementen en koelelementen aanwezig om de temperatuur van de vloeistof te regelen.
De startfase
Stap 2: De actieve fase
Tijdens de actieve fase wordt de vloeistof verwarmd, die hierdoor zal koken en dus verdampen. Deze damp stijgt op en drijft de lucht naar boven. Hierdoor zal de damp de PCB helemaal omvatten zoals in de afbeelding hierboven te zien is. De damp raakt de PCB en doordat de PCB kouder is dan de damp, zal de damp op de PCB condenseren. Hierdoor vindt de warmteoverdracht plaats.
De actieve fase
Stap 3: afkoelen
De actieve fase is afgelopen als de PCB dezelfde temperatuur heeft als damp. Hierdoor stijgt de damp verder omhoog. Op dit moment wordt de verwarming uitgeschakeld en de koeling ingeschakeld. De damp zal weer naar beneden zakken en de PCB koelt af. Als alles voldoende is afgekoeld, kan de bak geopend worden en kan de PCB via de bovenkant uit de bak genomen worden.
De vapour phase vloeistof
Bij het vapour phase solderen wordt er dus een vloeistof verdampt. De damp van deze vloeistof mag niet reageren met de materialen in elektronica en moet een kooktemperatuur net boven de smelttemperatuur van soldeertin hebben. Het bedrijf Solvay heeft een vloeistof ontwikkeld speciaal voor vapour phase solderen, deze wordt Galden genoemd. Deze vloeistof is verkrijgbaar in verschillende kooktemperaturen, voor het solderen met loodvrije pasta werkt Galden LS-230, met een kooktemperatuur van 230°C het beste.
De belangrijkste eigenschappen van Galden voor vapour phase solderen zijn:
- De vloeistof is inert en reageert dus niet met andere materialen.
- Millieuvriendelijk en niet giftig
- De vloeistof geleidt geen stroom.
- Galden is niet brandbaar.
- Galden biedt een uitstekende warmte overdracht.
Solvay heeft de formule voor Galden gepatenteerd en weet dat Galden gewild is voor vapour phase solderen, dus ze vragen een stevige prijs voor Galden. Gelukkig is er slechts een kleine hoeveelheid nodig om te solderen en wordt er per keer solderen slechts een kleine hoeveelheid gebruikt.
De vapour phase soldeeroven
Voor het vapour phase solderen is een “oven” nodig die het vapour phase proces regelt. Wij hebben de Vaporflow 275 vapour phase oven in het assortiment. Dit is een vapour phase oven die volgens het hierboven beschreven “heat level adjustment” proces werkt. De oven biedt plaats aan PCBs met een oppervlak tot 235 x 170 mm.
Vaporflow 275 vapour phase oven
Onderin de oven wordt de Galden gegoten en die hoeft er in principe nooit meer uit. De te solderen PCB wordt enkele centimeters boven de Galden op een plateau geplaatst. Wanneer de PCB is geplaatst, kan de oven worden afgesloten met een deksel en het soldeerproces worden gestart met één druk op de knop. Het hele proces duurt ongeveer 10 minuten, waarna de PCB uit de oven genomen kan worden. Ook is het mogelijk om custom soldeerprofielen aan te maken en de soldeercycles naar een SD-kaart te loggen als CSV bestand.
Omdat het deksel de oven niet 100% luchtdicht afsluit (dit kan ook niet vanwege druk opbouw) zal er een klein beetje Galden weglekken. Deze hoeveelheid is minimaal en zal voor weinig verlies per soldeercyclus zorgen.
Naast het verwarmen en afkoelen van de Galden en de procesbegeleiding, zorgt de oven ook voor de nodige beveiligingen. Het is belangrijk dat Galden nooit warmer wordt dan 295°C , want boven die temperatuur komen er giftige dampen uit de Galden vrij. De oven is uitgerust met een beveiligingssensor, waardoor dit niet zal gebeuren.
Met de vapour phase soldeeroven is het zelfs mogelijk om dubbelzijdig SMD te solderen. Soldeer eerst de onderzijde van de PCB met kleine componenten en daarna de zijde met grote componenten. Door de oppervlaktespanning van de soldeertin, zullen de kleine onderdelen aan de onderzijde gewoon aan de PCB blijven hangen tijdens het solderen van de bovenzijde.
Conclusie
Vapour phase solderen is de ideale oplossing voor het solderen van kleine batches met SMD componenten. Het soldeerproces is eenvoudiger, de resultaten beter en consistenter dan bij het gebruik van een kleine convectie oven.
De Vaporflow soldeeroven is een goed voorbeeld van een betaalbare vapour phase oven die ideaal is voor het gebruik in laboratoria, onderwijsinstellingen en kleine bedrijven waar relatief kleine batches worden gesoldeerd. Er hoeft praktisch niets te worden ingesteld en de procescontroller van de oven zorgt voor een goede afwikkeling van het vapour phase proces.
Heb je vragen over vapour phase solderen, of heb je een ervaring die je zou willen delen, dan kun je hieronder een reactie achterlaten.
