De verbinding wordt tot stand gebracht door de verbindende metaallegering te smelten en tussen de delen te laten vloeien d.m.v. verhitting met contact verhitting,  hete lucht of gas.  Bij het Loodhoudende en het loodvrije solderen is dit steeds een verbinding / legering tussen meerdere metalen.

Waarom Loodvrij??
Lood is slecht voor het milieu en daarom beperkt toegelaten. Lood komt in het milieu via vuilstortplaatsen, waar het in het grondwater terecht komt en vervolgens de voedselketen binnendringt. Gezondheidvragen zijn er rond de kankerverwekkende en giftige eigenschappen van lood. De overgang naar loodvrij solderen is bekrachtigd door wetgeving. In Europa betreft het de WEEE  (Waste from Electronic and Electrical Equipment).
Deze wetgeving beperkt de mogelijkheden voor het deponeren van elektronisch (en daarmee dus lood) afval door recycling- en hergebruiktechnologieën. De RoHS directive (Restriction of Hazardous Substances) beperkt het gebruik van bepaalde materialen in vervaardigde producten, zoals metalen als lood, kwik, cadmium en chroom. Voor lood betekent dat minder dan 0,05-0,10 gewichtsprocenten aan lood (ISO 9453). Volgens WEEE en RoHS zal elektronische apparatuur vanaf 1 juli 2006 vrij moeten zijn van lood.

Door het verbannen van lood uit het soldeer, zijn alternatieven gevonden:

Smelttemperaturen van verschillende soldeerlegeringen:

• Tin-Lood (SnPb) 183 ºC
• Tin-Bismuth (SnBi) 138 ºC
• Tin-Zilver-Koper (SnAgCu) 217 ºC
• Tin-Zilver-Koper-Antimoon (SnAgCuSb) 217 ºC
• Tin-Zilver (SnAg) 221 ºC
• Tin Koper (SnCu) 227 ºC
- Ook wel bekend zijn de SAC305,  SAC-X, SN100-C en varianten daarvan.  

In tegenstelling tot SnPb soldeer is de wetting (bevochtiging) van loodvrije soldeerlegeringen minder (wetting is het uitvloeien van de soldeer op het te solderen oppervlak). Hierdoor is er vaak meer actieve soldeerflux nodig.  Het zuurstofgehalte in de lucht van 20,9% maakt het soldeerproces zeer gevoelig voor oxidevorming daarom kan er beter met stikstof gewerkt worden.Voor het solderen onder optimale omstandigheden, met een minimale hoeveelheid aan flux, is het voor de huidige soldeerprocessen gebruikelijk om deze in een nagenoeg zuurstofvrije atmosfeer te laten plaatsvinden. Doordat bij hogere temperaturen de onderdelen gevoeliger zijn voor oxidatie, biedt het inert solderen (met stikstof) of in een dampfase (Vapor Phase) een wezenlijke bijdrage aan het verbeteren van de soldeeromstandigheden. Onderzoek op dit gebied heeft aangetoond, dat een stikstofatmosfeer de bevochtiging bevordert, hiervoor minder tijd nodig is, de oververhitting temperatuur van de soldeer beperkt kan worden, de werking van de flux bevorderd wordt en dat na het solderen minder fluxresten op de print achterblijven. Specifiek wordt bij het golfsolderen de dross-vorming, oftewel afval, aanmerkelijk beperkt (dit in tegenstelling tot onder een luchtatmosfeer), omdat contact van de soldeergolf met stikstof nagenoeg geen oxidatie oplevert.  

Het zo dat er niet één alternatieve legering beschikbaar is voor alle toepassingen. Voor golfsolderen zijn SnCu -, voor reflowsolderen SnAgCu- en voor handsolderen SnAgCu-legeringen het meest geschikt. De directe verschillen tussen loodvrij solderen t.o.v. loodhoudend solderen zijn hieronder aangegeven.

Handsolderen
• Soldeerpunt hogere temperatuur > 343 ºC (was 315 ºC).
• Langer aantippen voor beter warmteoverdracht.
• Soldeertang sneller verwijderen anders draden.
• Soldeerpunt moet schoon blijven.
• Doffere, korrelige verbinding vaak meer flux nodig.

Golfsolderen
• Snelheid van de band net als bij SnPb. • Temperatuur soldeerpot: 260 ºC.
• Voorverwarmingstemperatuur 165 ºC (i.p.v. 120 ºC).
• Speciale gereedschappen; tin beschadigt soldeerpot.
• Meer soldeerafval (minder met N2).
• Meer agressieve flux nodig (N2).
• Doffere, korrelige verbinding en meer oneffenheden in het oppervlak.

Reflowsolderen
• Hogere reflowsoldeer temperaturen 240-260 ºC en variabele thermische profielen.
• N2 atmosfeer nuttig voor wetting en minder soldeerafval.
• Bestaande ovens voor reflowsolderen kunnen hogere temperaturen aan, (afhankelijk van legering en thermische
   massa PCB) echter lagere bandsnelheden en meer preventief onderhoud is nodig.
• Nieuwe ovens voor loodvrij op de markt

Vapor Phase solderen

• In damp een homogene soldeertemperatuur creeeren
• N2 wordt natuurkundig bereikt
• milieu vriendelijk
• temperatuurverhoging niet nodig
• en meerdere voordelen.

Een van de grootste veranderingen bij loodvrij solderen buiten de soldeersamenstelling (legering) is de temperatuurverhoging voor de conventionele soldeer methodes. Deze temperatuurverhoging heeft zijn invloed op alles wat met het solderen te maken heeft en met alle onderdelen van een te assembleren product; componenten, onderdelen, machines, gereedschap en natuurlijk de printplaat. Vapor Pahse vormt hierop een uitzondering.

De keuze van componenten dient grondig bekeken te worden. Niet alle componenten zijn geschikt voor het loodvrij soldeerproces. Veel componenten zijn gekwalificeerd tot 235 ºC voor reflow solderen of zelfs tot 220 ºC (compatible met de J-STd-20 standaard), dit is niet voldoende. Indien componenten RoHS conform en zelfs loodvrij zijn is dit nog geen garantie voor een goede soldeerverbinding. De componenten die voldoen aan de J-STD-20C en hoger zijn loodvrij soldeerbaar op grond van de thermische vereisten.

Een goede soldeerverbinding (metallurgisch), kan tot stand komen als de soldeer oppervlakten en de soldeerlegering goed op elkaar zijn afgesteld. Bijvoorbeeld bij BGA’s, hiervan dienen de soldeerbollen aan de onderzijde (terminals) uit hetzelfde materiaal bestaan als de soldeerlegering. BGA’s met PbSn soldeerballen zullen geen betrouwbare soldeer verbinding krijgen bij solderen met een loodvrij soldeerlegering.

De finish van de PCB dient geschikt te zijn voor het loodvrij soldeerproces. De bekende HASL finish (PbSn) past niet in het loodvrij soldeerproces. Buiten het feit dat deze finish lood bevat, reageert het niet lekker met de SAC loodvrij soldeerlegering. De smelttemperatuur van PbSn van 179 ºC ligt aanzienlijk lager dan 217 ºC van een loodvrij soldeerlegering. De aanwezigheid van lood in de verbinding levert een verhoogd risico op een verzwakking in de soldeerlegering. Tegenwoordig kan men de printplaat laten finishen met een loodvrij HASL afwerking.

NiAu word regelmatig toegepast als finish. NiAu gaf bij loodhoudend solderen al regelmatig problemen en de soldeerverbinding is sterk afhankelijk van de kwaliteit van NiAu, wat moeilijk te garanderen is. Bij loodvrij solderen is de kwaliteit van de NiAu finish nog belangrijker. Wanneer het goud te dik is kan dit tot brosse SnAu verbindingen leiden, wat op zich weer een brosse soldeerverbinding oplevert. Bij ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) is de hoeveelheid goud gemaximeerd en vrij constant dit komt door een natuurlijk uitwisselproces (immersion) tussen Ni en Au. Ondanks dat bij ENIG de goud dikte vrij constant is, is het de hoeveelheid fosfor (P) in het nikkel die een zwakke verbinding tussen Ni en Sn kan opleveren. Tezamen met de sterke oppervlakte spanning van het SAC soldeer kan dit de betrouwbaarheid van de soldeerverbinding op langer termijn beïnvloeden.

Als alternatief voor de loodhoudende HASL finish kunnen de volgende finishes toegepast worden; SnCu HASL, Immersion Sn, Immersion Ag, ENIG en OSP. Al deze finishes solderen minder goed dan de SnPb HASL, maar de meeste benaderen de SnPb soldeerverbinding betrouwbaarheid. Zo heeft ieder van deze finishes zijn voor- en nadelen.

Het meest gebruikte loodvrij soldeerlegering is de zogenaamde SAC legering (SnAgCu) in verschillende procentuele samenstellingen. Het hoge smeltpunt van deze legering, met daardoor een hogere soldeertemperatuur, heeft over het algemeen een negatieve impact op de betrouwbaarheid van het gesoldeerde product. Doordat de PCB en de componenten aan een hogere temperatuur worden blootgesteld zullen de mechanische eigenschappen van deze onderdelen sneller degraderen en kunnen daardoor de componenten en PCB ook sneller beschadigen. Doordat de SAC legering een stijvere, sterkere en minder plastisch vervormbare samenstelling is zal dit tot een hogere mechanische spanning in de soldeerverbinding leiden. De verschillende uitzettingscoëfficiënten van de PCB en de componenten levert, door de hoge smelttemperatuur van SAC, een extra spanningsniveau tussen de componenten en de PCB. Deze extra mechanische belasting moet gedragen worden door alle elementen tussen de PCB en het component; de verbinding van het soldeereiland en de PCB, het soldeereiland en de inter-metallische laag, de inter-metallische laag met de soldeerverbinding, de soldeerverbinding met de component terminal.

De loodvrije soldeerverbinding is onder lage mechanische belasting sterker dan de PbSn soldeerverbinding, maar bij hoge mechanische belasting is het tegenovergestelde het geval. Met name is de SAC soldeerverbinding minder bestand tegen schokken. Dit komt door de minder plastische vormbaarheid van SAC, waardoor sterke vibraties minder goed opgevangen worden en buigingen van de printplaat sneller een destructief effect op de soldeerverbinding zal hebben.

De verbindingen die met deze SAC soldeerlegering worden gemaakt zien er over het algemeen doffer en korreliger uit.  

 

Het doffe uiterlijk wordt veroorzaakt door de vorming van tin-dendrieten, deze ontstaan tijdens het afkoelen van de soldeerverbinding. Dit verschijnsel doet zich meer voor bij pure tin dan bij lood-tin. Bij loodvrije soldeerverbindingen is het tin (Sn) gehalte aanzienlijk hoger, zo rond de 95%, waardoor dit fenomeen zichtbaarder wordt. Dit proces van tin-dendrieten vorming zal niet stoppen na het solderen, weliswaar zal dit in een aanzienlijk lager tempo geschieden.

Door de metallische eigenschappen van loodvrij solderen en de verhoogde soldeertemperatuur treden andere fenomenen met een groter regelmaat op:

Tombstoning

Tombstoning is een fenomeen welke bij loodvrij solderen vaker kan optreden. Dit fenomeen waarbij een component tijdens het (reflow) solderen rechtop gaat staan, wordt veroorzaakt door verschillen in de oppervlakte spanning van de soldeereilanden. Wanneer een aansluitpunt van het component niet voldoende contact maakt met het soldeereiland zal door de oppervlakte spanning van de andere aansluiting, welke een beter contact heeft met het soldeereiland, het component doen stijgen. De juiste footprint en de plaatsing van het component zijn hierin heel belangrijk.

 

Solder Wicking

Solder wicking ontstaat wanneer er een overgroot deel van het soldeer naar het contactvlak van het component vloeit. Het gevolg hiervan is een open verbinding tussen het contactvlak van het component en het soldeereiland. De oorzaak van dit fenomeen is een warmte verschil tussen het contactvlak van het component en het soldeereiland. Het contactvlak van het component is warmer, waardoor het soldeer eerder naar het contactvlak zal vloeien.

 

Solder bridging

Solder bridging is een sluiting met soldeer tussen twee naast elkaar gelegen aansluitingen. Bij reflow duidt dit fenomeen doorgaans op teveel pasta op de soldeereilanden of het wordt veroorzaakt door oxidatie op het soldeereiland waardoor het soldeer minder tot niet hecht aan het soldeereiland maar uitvloeit op de terminal. Oxidatie vorming gaat sneller bij loodvrij solderen dan bij loodhoudend solderen. Bij golfsolderen kunnen de eerder genoemde factoren een grote rol spelen maar het is ook mogelijk dat de uitlopers van de componenten te lang zijn of dat de afstand tussen naast elkaar gelegen soldeereilanden te klein is en er door de terugslag van de golf een brug ontstaat.

 

Pad lifting

Pad lifting is het fenomeen waarbij het soldeereiland los komt van het basismateriaal al dan niet met brokstukken van het basismateriaal. Doorgaans komt dit voor bij uitlopers van draadcomponenten in doorgemetalliseerde gaten. Door het krimpen van het soldeer nadat het de vaste vorm heeft bereikt ontstaat er een behoorlijke kracht op het soldeereiland wat het loskomen van het basismateriaal kan veroorzaken. De mate van uitzetting van het basismateriaal in Z-richting heeft hier grote invloed op.

 

Fillet lifting

Bij fillet lifting komt de soldeerverbinding los van het soldeereiland. Dit komt voort uit de verschillende uitzettingcoëfficiënten van de toegepaste materialen, met name als er loodhoudende componenten zijn toegepast en deze met een SAC legering word gesoldeerd.

 

Voids

Voids zijn gaten in de soldeerverbinding. Dit fenomeen komt eigenlijk bij bijna alle soldeerverbindingen voor en zijn afhankelijk van de vorm en uitvoering van het component. Een soldeerverbinding die aan de bovenzijde wordt afgesloten bevat doorgaans meer voids dan soldeerverbindingen die aan de bovenzijde vrij zijn. Dit komt doordat de void lichter is dan de soldeersamenstelling en zich omhoog zal verplaatsen, wanneer de soldeerverbinding aan de bovenzijde is afgedenkt kan de void niet weg (BGA’s). Vervuiling van de oppervlakten kan voids veroorzaken. Een void is eigenlijk een lege ruimte in de soldeerverbinding. Ontgassen van de doorgemetalliseerde gaten kunnen ook voids veroorzaken. Niet te vergelijken met “blowholes”. Bij loodvrij solderen komt dit fenomeen vaker voor. Voids groter dan 25% van de soldeerverbinding worden doorgaans ge-reject. Voids zijn met het blote oog niet zichtbaar maar kunnen met een X-ray gevonden worden.

 

Blow holes

Blow holes zijn vergelijkbaar met de bovengenoemde voids. De term blow hole geeft eigenlijk meer de grote van de gaten aan. Blow holes worden veroorzaakt door het uitgassen van de printplaat via de doorgemetalliseerde gaten. De grote is afhankelijke van de hoeveelheid waterdamp dat tijdens het solderen ontsnapt op het moment waarop de soldeerverbinding zijn vaste stadium heeft bereikt. Om dit fenomeen volledig uit te bannen dient de koperdikte in het gat minimaal 25µm dik te zijn om eventueel waterdamp in het basismateriaal niet via het doorgemetalliseerde gat te laten ontsnappen. Pre-baking van de print alvorens deze in het assemblage proces op te nemen, laat al veel waterdamp uit de print verdwijnen.

 

Bulbous joint

Bulbous joint is wanneer er te veel soldeer op de soldeerverbinding aanwezig is. Dit komt doorgaans door de terugslag van de soldeergolf. Op zich is dit effect geen defect en behoeft niet noodzakelijkerwijs gerepareerd te worden. Het effect komt derhalve bij solderen met stikstof, wat veel bij loodvrij solderen word toegepast, meer voor dan solderen in een zuurstofrijke omgeving.

 

Soldeer ballen

Soldeer ballen zijn kleine ronde soldeer ballen die als het ware tijdens het golfsolderen rond springen en zich hechten aan het oppervlak van de printplaat. De herkomst kan verschillende oorzaken hebben; gasvorming van de flux tijdens het contact met de soldeergolf (veroorzaakt door onjuiste proces parameters) waardoor de flux gaat spetteren, onvoldoende voorverwarming waardoor uitgassen van de PCB plaats vind tijdens het contact met de soldeergolf, te veel flux is toegevoegd, de combinatie flux en soldeermasker (soldeer ballen hechten zich makkelijker aan gladde soldeermasker dan aan matte soldeermasker). Soldeer ballen kunnen als ze op de verkeerde plek terecht komen kortsluitingen veroorzaken.

 

Onvoldoende gat vulling

Het doorgemetalliseerde gat is niet voldoende gevuld met soldeer en is dus niet volledig doorgevloeid naar de bovenkant van de print. Dit kan verschillende oorzaken hebben; De gat/terminal verhouding is incorrect waardoor de soldeer niet voldoende kan optrekken of door zijn eigen gewicht weer terug zakt, door incorrecte voorverwarming of onvoldoende flux word de gat-wand en de terminal niet voldoende bevochtigd, de bovenzijde van de printplaat is niet voldoende opgewarmd, de soldeergolf heeft onvoldoende contact met de printplaat gemaakt.

 

Popcorning

Popcorning is wanneer de behuizing van een component delamineerd als gevolg van verhitte vocht in het component. De naam is afgeleid van het geluid wat word geproduceerd tijdens dit effect. Het vocht kan zich bevinden in het materiaal van de behuizing of tussen verschillende materialen in de behuizing van het component. Door de hoge temperaturen tijdens het solderen zet het vocht uit en kiest de weg van de minste weerstand. Het levert kleine gaten of bobbels op aan het oppervlak of veroorzaakt beschadigingen binnenin het component.

 

Blackpad

Black pad is het fenomeen waarbij de nikkel laag is geoxideerd en zichtbaar wordt als donker grijze vlekken. Deze donkere vlekken zijn met het blote oog nauwelijks to niet zichtbaar. Als printplaat finish voor loodvrij solderen wordt regelmatig goud toegepast (ENIG). Goud kan niet direct op koper worden aangebracht doordat de koper in het goud opgaat, daardoor wordt eerst een nikkel laag op het koper aangebracht en daarna goud op de nikkel laag. Goud oxideert niet snel als het in aanraking komt met zuurstof, nikkel daarentegen oxideert zeer snel. Tijdens het solderen lost het goud op in de soldeerlegering en blijft de nikkel laag over om aan te hechten. Door de oppervlakte spanning van de SAC legering is er kans dat het nikkel word blootgesteld aan zuurstof en zal direct oxideren. Er ontstaat een brosse verbinding, die onder mechanische belasting snel breekt. Deze brosse verbindingen komen vaker voor bij BGA’s en andere grote fine pitch componenten als QFP’s. Als het goud het nikkel niet goed afgedekt (ENIG proces) oxideert nikkel en ontstaan de black pads, met slechte soldeerbaarheid tot gevolg.

Tin wiskers

Tin whiskers zijn elektrisch-geleidende kristalstructuren van tin (boardfinish) welke soms uitgroeien tot enkele millimeters lengte. Veel elektronica applicaties zijn uitgevallen door kortsluitingen als gevolg van dit fenomeen. Niet alleen tin vertoont dit verschijnsel, materialen als zink en cadmium hebben hetzelfde verschijnsel. Whisker wordt vaak verward met het fenomeen dendrieten. Wiskers hebben doorgaans de vorm van een enkele zeer dunne (5µm) haarachtig uitgroei in Z-richting aan het oppervlak. Dendrieten hebben een sneeuwachtige patroon en groeien aan de oppervlakte in x- en y-richting. Om dendrieten te vormen moet er vloeistof aanwezig zijn die in staat is het metaal op te lossen en een elektro-magnetisch veld, wat de dendrieten doet groeien. Van whisker is het niet helemaal duidelijk waardoor het ontstaat, er is geen vloeistof of een elektro-magnetisch veld nodig om te vormen. De meest gehanteerde theorie over tin whisker is dat wanneer de Tin op het koper is aangebracht er een oxide laag word gevormd. Op hetzelfde moment verspreiden koper atomen zich in de tin die een Sn-Cu inter-metalische verbinding vormen, wat een samengeperste spanning oplevert. Deze (mechanische) spanning drukt de overgebleven Sn atomen naar buiten en zullen op de zwakste punten van de oxide laag naar buiten komen. Zo ontstaat een lange dunne draad van tin. Door het toevoegen van 3% lood (Pb) wordt dit effect verminderd en door het toevoegen van 5% zelfs geheel geëlimineerd. Daar bij het loodvrij solderen het lood uit de soldeerlegering is verwijderd zien we dit fenomeen weer terug komen. Om tot een acceptabele whisker vorming te komen kan men de tin laag dikker maken, een extra laag op het koper aan te brengen van nikkel (Ni) of door het toevoegen van een extra stof Bismut. Gebleken is dat met matte tin (immersion tin) in combinatie met pre-baking het effect vele malen kleiner en acceptabel is.

 

Micro cracking

Micro cracking komt veelal voor bij loodvrij soldeerverbindingen. Het ontstaat door het krimpen van de soldeerlegering op het moment dat de soldeerverbinding zijn vaste vorm krijgt. Er komen behoorlijke krachten op het oppervlak tijdens dit stadium. Het effect is afhankelijk van de toegepaste finish en de snelheid waarmee het board afkoelt. Op zich is micro cracking geen defect maar het oogt minder mooi.