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.