Sinds 2006, na de implementatie van EU-richtlijn 2002/95 / EG in de Electrical Equipment Act, is voor de overgrote meerderheid van industriële elektronicafabrikanten bepaald dat ze loodvrij soldeer moeten gebruiken voor de productie van hun samenstellingen. Volgens deze wet betekent “loodvrij” soldeer dat niet meer dan 0,1% lood bevat en dus onder de aangegeven grenswaarden ligt. Deze EU-richtlijn is in 2013 vervangen door 2011/65 / EU. Aan de toegestane grenswaarden voor soldeer voor zachtsolderen is niets veranderd; ook zijn er enkele vlamvertragers toegevoegd die bij de productie van printplaten werden gebruikt.
In juni 2018 is lood toegevoegd aan de lijst van zeer zorgwekkende stoffen in de Europese Wet op chemische stoffen (SVHC – “Substances of Very High Concern”). Dit leidt tot een gewijzigde etiketteringsvereiste voor alle loodhoudende soldeerproducten (bijv. Soldeerdraden) met meer dan 0,3% lood in vaste vorm, aangezien lood vanaf deze datum terecht als giftig voor reproductie wordt geclassificeerd. Dit is zeker geen chicane, maar weerspiegelt de noodzaak dat de omgang met loodhoudend soldeer moet worden aangepast aan de huidige kennis over hun gevaarlijkheid.
Deze classificatie als giftig voor de voortplanting betekende dat soldeer dat lood bevatte alleen verkocht mocht worden aan speciaal opgeleide mensen. Verschillende wettelijke vereisten kwamen samen, zodat tegenwoordig ook veel particuliere elektronicahobbyisten te maken hebben met het onderwerp legeringconversie. Er zijn natuurlijk uitzonderingen, de RoHS verwijst naar het “op de markt brengen” van elektronische assemblages. Is dat wat een particuliere gebruiker doet, die zijn hobbyprojecten zelf uitwerkt, soldeert en vervolgens gebruikt – en die ze niet “op de markt brengt”? Waarschijnlijk niet, maar dat verandert niets aan wat we weten over de gevaren van het omgaan met lood.
De omschakeling naar loodvrij soldeer
De omschakeling van loodhoudend naar loodvrij soldeersel heeft op grote schaal goed gewerkt in de industrie. Uiteraard waren aanpassingen aan de systeemtechnologie nodig, en natuurlijk moesten de productieparameters aangepast worden. Het ene of het andere onderdeel en printplaten moesten worden geoptimaliseerd in termen van temperatuurbestendigheid. Maar op het gebied van handsolderen met een soldeerstation worden de nodige aanpassingen binnen nauwe grenzen gehouden. Sommige van de eerste loodvrije assemblages zijn al 15 jaar in gebruik – en er zijn geen oorzaken van storingen die alleen kunnen worden herleid tot het gebruik van loodvrije legeringen.
Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen de legeringen die in de legeringssector worden gebruikt? Bevat lood Sn63Pb37 als eutectische legering met een smeltpunt van 183 ° C of variaties met meer lood of een beetje koper / zilver als additief met smelttrajecten rond de 179 – 190 ° C. Deze vormden jarenlang de standaard. Deze legeringen konden goed worden verwerkt met een 30-50 W soldeerstation met een ingestelde soldeerpunttemperatuur van 300-320 ° C. Het soldeer werd vloeibaar, de flux verwijderde de oxiden van de te solderen oppervlakken, het tin uit het soldeer loste het koper (of andere metallisaties) op op de component of printplaat en er ontstond een intermetallische fase. Dit maakte de soldeerverbinding goed gevormd, veerkrachtig en duurzaam.
De loodvrije legeringen hebben doorgaans een veel hoger gehalte aan tin. In plaats van 63% is het meer 95 – 99% Sn. Als resultaat stijgt het smeltpunt van de legering tot 217 – 227 ° C, maar het tin is altijd de component in het soldeer geweest die de intermetallische fase vormt en kan alle soldeerbare metalen oppervlakken “losmaken”. Lood was altijd slechts de “inerte” (inactieve) component van de legering, met als voordeel dat het goedkoper werd en het smeltpunt van tin daalde van 232 naar 183 ° C. Maar meer tin in het soldeer in combinatie met een hogere soldeertemperatuur betekent nu dat je meer aandacht moet besteden aan je gereedschappen en componenten metallisatie. Het soldeer lost niet alleen koperoppervlakken sneller op, het lost ook sneller op. Voor je het weet is het kussentje op de printplaat opgelost.
Standaard loodvrije legeringen
Maar laten we enkele loodvrije standaardlegeringen eens nader bekijken: Als u de bovengenoemde 217 ° C wilt bereiken als een van de laagst mogelijke temperaturen in het SnAgCu-bereik, is de samenstelling met Sn95,5%, Ag3,8% Cu0,7% gebruikt. Het voordeel is het relatief lage smeltpunt, het nadeel is de bijna 4% zilver in het soldeer, wat de prijs van het soldeerdraad bijna kan verdubbelen. Deze zilverhoudende legering is in principe wat goedkoper te maken door het zilvergehalte te verlagen tot 3%. Dan heeft de legering een smelttraject van 217 – 223 ° C, maar dit is niet echt merkbaar, noch bij de verwerking, noch bij het beschouwen en de levensduur van een soldeerverbinding. Als goedkoopste legering kan de tin-koperlegering (Sn99,3% Cu0,7%) worden gebruikt als eutectische legering met een gedefinieerd smeltpunt van 227 ° C zonder zilver. Ook bij deze legering hoeft de temperatuur aan de soldeerpunt niet per se met 10 ° C verhoogd te worden vergeleken met een legering die zilver bevat.
Voor alle loodvrije soldeer geldt dezelfde vuistregel voor het bepalen van de vereiste soldeerpunttemperatuur als voor loodhoudende soldeer:
Liquidus (liquefaction point) van de legering + 120 ° C = werktemperatuur aan de soldeerpunt
Dus rekenkundig resulteert een loodhoudend soldeer met een smelttraject van 183-190 ° C in een soldeerpunttemperatuur van 310 ° C als startwaarde, met Sn99.3 Cu0.7 met 227 ° C is 350 ° C een goede startpunt voor het solderen beginnen. Als er 10 – 20 ° C meer nodig is om in korte tijd een bepaalde hoeveelheid warmte in te voeren, kan dit zeker een optie zijn. Temperaturen boven 380 ° C beschadigen de printplaten en componenten meestal meer dan ze helpen. De flux in de draad verbrandt ook veel sneller, zodat deze bij een bepaalde temperatuur maar een bepaalde tijd zijn taak kan vervullen. Elke temperatuurstijging van 10 ° C halveert de actieve duur van de flux. De tijd die nodig is om de oxiden te verwijderen, wordt korter – op een gegeven moment is het te kort. Uiteindelijk gaat het niet om absolute temperaturen die nodig zijn. Bij zachtsolderen is altijd de input van de nodige energie nodig en het bereiken van bepaalde minimumtemperaturen. Het soldeer moet vloeibaar zijn, het moet een bepaalde temperatuur boven de liquidus zijn om de metallisatie te laten oplossen en zo de intermetallische fasen te vormen en dus een veerkrachtig soldeerpunt.
De loodvrije legeringen die hierboven kort zijn geschetst, hebben allemaal voldoende langdurige weerstand: men kan de zilverhoudende soldeer grofweg omschrijven als geschikter voor toepassingen met hogere temperatuurveranderingen, vaak geassocieerd met permanente mechanische belasting (trillingen). Als voorbeeld kan het gebruik in auto’s worden genoemd. De zilverarme of zilvervrije soldeer wordt vaak, maar niet uitsluitend, gebruikt in consumentenelektronica. Geen overmatige temperatuurschommelingen, lagere mechanische belasting. Dit zijn de gebieden waar u zeker zonder zilver kunt. Daarnaast hebben factoren als de hoeveelheid soldeer, de lay-out van de soldeergeometrie en de gebruikte metallisering op de component en printplaat ook een grote invloed op de beoordeling van de betrouwbaarheid op lange termijn van een soldeerverbinding. Het is dus nooit alleen de vraag met welk soldeersel het wordt afgebroken en beantwoord.
Ontwikkelingen in soldeerlegeringen
Daarnaast zijn er de afgelopen jaren veel ontwikkelingen geweest op het gebied van soldeerlegeringen die de langdurige betrouwbaarheid en andere eigenschappen van standaard soldeer kunnen optimaliseren. Deze microgelegeerde soldeer is gebaseerd op het tin-koper of tin-zilver-koper basissoldeer dat hierboven is genoemd, maar er wordt ongeveer 500 ppm aan gecontroleerde microcomponenten toegevoegd. Dit zijn vaak nikkel, kobalt of andere metalen en semi-metalen. Deze verminderen de oplossende eigenschappen en zorgen voor een verfijning van de microstructuur in de soldeerverbinding. Wat betekent een verfijning van de microstructuur? Fijnere korrelgrenzen in het soldeer zorgen ervoor dat de soldeerverbinding aanzienlijk meer mechanische energie kan absorberen voordat deze mechanisch wordt vernietigd in thermische schokafwisselingstests – betrouwbaarheid op lange termijn is beter. De soldeerpunten gaan ook langer mee omdat de bevochtigbare ijzerlaag op de punt veel langzamer oplost. Koper lost ook veel langzamer op in het soldeer, het soldeeroogje op de print blijft langer zitten, het reparatieproces kan betrouwbaarder zijn. Een bekende kavelreeks zijn de kavels van de FLOWTIN-serie. Bij zorgvuldige omgang met soldeerparameters en gereedschappen kan een langere levensduur van de soldeerpunten in vergelijking met standaard soldeer worden bereikt van 30 – 50%.
Aangezien een soldeerdraad niet alleen uit de legering bestaat, maar ook een essentieel bestanddeel is van de flux die deze bevat, volgt hier een korte excursie naar het verschil in de fluxen die worden gebruikt in loodvrije / loodhoudende soldeerdraden. De taak van de flux is het verwijderen van de oxides op de betrokken componenten: component, printplaat en natuurlijk ook vloeibaar soldeer. Het moet dit zo lang mogelijk doen om een groot procesvenster te hebben bij het solderen. Afhankelijk van het type en de hoeveelheid oxide op het te solderen item, moet de activiteit worden aangepast. Er zijn halogeenvrije fluxen, evenals de iets sterkere halogeenhoudende fluxen. Beide groepen verwijderen de oxiden door middel van een zuur-metaaloxidereactie. De flux voor loodvrij soldeersel moet dit reactiemechanisme echter bij een hogere temperatuur uitvoeren en dus ook bij een hogere soldeertemperatuur langer actief zijn. De flux moet in voldoende hoeveelheid kunnen stromen voor het soldeer, de oxiden verwijderen, de resulterende zouten wegvoeren voor het soldeer en het vloeibare soldeer achterlaten met een mooi schoon, puur metalen oppervlak. Vervolgens kan het diffusieproces plaatsvinden en wordt de soldeerverbinding gevormd. Met de verhoogde soldeertemperaturen moet ook de flux worden aangepast zodat het sproeien van de flux en de bevochtiging worden geoptimaliseerd. Dit is waar de twee verschillend geactiveerde fluxen Kristall 600 en 611 in het spel komen. Deze zijn ontwikkeld in combinatie met de loodvrije en microgelegeerde soldeer en kunnen zo hun volledige potentieel uitoefenen op verschillend geoxideerde oppervlakken.Wanneer u de flux selecteert, moet u altijd de zwakkere gebruiken. Alles wat niet als activator op het samenstel achterblijft en hun reactieproducten in het residu kunnen geen problemen veroorzaken met de betrouwbaarheid op lange termijn. Altijd zo sterk en zoveel als nodig is om een goede bevochtigingsreactie te krijgen.
Een ander voordeel van deze soldeerdraden is dat ze alleen gemaakt zijn met tin uit het Stannol Fairtin assortiment. Niet alleen de kwaliteit van de grondstoffen speelt hierbij een rol, maar ook andere factoren zoals arbeidsomstandigheden bij de tinwinning, gehanteerde milieunormen en nog veel meer.
Werken met loodvrij soldeer
Laten we nu eens kijken naar het proces van het werken met het loodvrije soldeer. Voor een loodvrije soldeerverbinding heb je meer energie nodig in vergelijking met de loodhoudende onder dezelfde randvoorwaarden. Dit geldt voor alle soldeerprocessen, ongeacht of je soldeerdraad of soldeerpasta gebruikt.Omdat de benodigde hoeveelheid energie hoger is, moet de warmteoverdracht naar het soldeerpunt ook bij het solderen als het belangrijkste aspect worden beschouwd. Hierbij is het belangrijk om een optimaal contactoppervlak te creëren voor de warmteoverdracht. In deze context optimale middelen zo groot mogelijk! Dit is vrij eenvoudig te doen: gebruik gewoon de soldeerpunt met het grootste contactoppervlak en laat de dunne naaldpunt niet de hele dag zitten. Elke soldeertaak heeft daarom een optimale soldeerpunt. Door een groter overgangsoppervlak levert dit tegelijkertijd een grotere hoeveelheid energie op, zodat de hogere energiebehoefte voor het smelten van het loodvrije soldeer niet gecompenseerd hoeft te worden door het verhogen van de werktemperatuur. Dat zou weer leiden tot snellere slijtage van de soldeerpunt.
Onderzoek heeft uitgewezen dat een temperatuurstijging van 360 ° C tot 410 ° C de slijtage van de soldeerpunt bijna exponentieel verhoogt bij gebruik van loodvrije legeringen. De levensduur van de soldeerpunt wordt niet alleen gehalveerd, hij wordt ook aanzienlijk verkort. Overweeg daarom over het algemeen een iets langere soldeer- of contacttijd voor het soldeerpunt om de werktemperatuur niet onnodig te verhogen.
Een andere belangrijke factor is het kiezen van de juiste tool. De warmteoverdrachtstechnologie speelt een essentiële rol. Snelle reactietijden van de soldeerbout op een verhoogde warmtevraag is een fundamentele factor om de werktemperatuur zo laag mogelijk te houden.
Actieve soldeerpunttechnologieën, waarbij de soldeerpunt een “eenheid” van verwarmingselement, sensor en bevochtigbaar gebied vormt, hebben een zeer snelle opwarmtijd (ca. 3 seconden) en kunnen dienovereenkomstig snel worden bijgesteld. Dit voordeel van de direct verwarmde tips gaat hand in hand met een veel hogere prijs. Maar dankzij de snelle opwarmtijd kunnen deze soldeerpunten automatisch sneller in stand-by-temperatuur gaan, wat slijtage en stroomverbruik vermindert.
Passieve soldeerpunttechnologieën scheiden de besturingselektronica in de soldeerbout (verwarmingselement / sensor) van de soldeerpunt, die vervolgens als slijtageonderdeel kan worden vervangen – en goedkoper is. Om de efficiëntie van de passieve technologie optimaal te kunnen benutten is een goed contactoppervlak tussen de soldeerpunt en de soldeerbout belangrijk en is een krachtig soldeergereedschap met minimaal 80 W of meer essentieel (bijv. Weller WSP 80, WTP 90, WXP 120).
Als je dan de soldeerdraad met de optimale flux hebt gekozen, die de aanwezige oxiden kan verwijderen, kun je een goede bevochtigingsreactie bereiken.
Het uiterlijk van loodvrije soldeerverbindingen verschilt een beetje van loodhoudende soldeerverbindingen. Terwijl de “3G-regel” (gelijkmatig, glad en glanzend) nog steeds van toepassing is op loodhoudende soldeerverbindingen, gelden deze criteria slechts in beperkte mate voor loodvrije soldeerverbindingen. Het belangrijkste criterium voor een loodvrije soldeerverbinding is de zuiver gevormde “meniscus”. Deze zichtbare bevochtigingshoek is te zien op het oppervlak van de soldeerverbinding. Omdat de samenstelling van de loodvrije, zilverhoudende legeringen betekent dat de oppervlakken ruwer zijn, kunnen ze niet zo mooi glanzen en kunnen ze niet echt voldoen aan de “3G” -regel. Maar ook hier zijn er zilvervrije soldeer met componenten van microlegeringen die een glanzende soldeerverbinding kunnen creëren met een SnCu-basissoldeer. Flowtin TC of SN100c worden hier als voorbeelden genoemd.
Gevolgtrekking
Loodvrij solderen is niet moeilijk – het is gewoon anders dan solderen met loodhoudend solderen.
De kwaliteitscriteria veranderen en de te gebruiken soldeergereedschappen moeten mogelijk worden aangepast. Maar de elektrische veiligheid van een loodvrij soldeerpunt doet in geen geval onder voor een loodvrij soldeerpunt! Als u zich vertrouwd heeft gemaakt met het gewijzigde spreidings- en bevochtigingsgedrag van een loodvrije legering en een iets langere soldeertijd accepteert om de temperatuur niet onnodig te verhogen, zult u snel merken dat het solderen feitelijk ongewijzigd is.
Test verschillende loodvrije legeringen als goedkope testverpakkingskaarten zonder grote financiële uitgaven om het juiste soldeer voor uw toepassing te vinden:
Soldeertin HS10 FAIR loodvrij met kopergehalte, Ø 1,0 mm, 5 g
Stannol soldeerdraad HS 10 FAIR FLOWTIN TC + Sn99 Cu1 + ML in 1,00 mm Ø op wikkelkaart (5g)
Deze bijdrage is afkomstig van de firma STANNOL GMBH & Co. KG
