Defective soldering

Solder Defect

1.       Jenis jenis solder defect

Dalam PCB Assembel process, kita mengenal jenis defective solder berdasarkan pengelompokan sbb:

a.       Defect secara Mekanis :  Blow Hole, insufficient solder,  icicles dan solder ball

b.      Defect secara fisik : De wetting, non wetting, solder leaching dan intermetallic alloy

c.       Defect secara kimiawi : Korosi, berubah warna, migration

d.      Defect secara elektris : Un soldered, bridge solder, crack

2.       Penyebab solder defect dan pemecahannya

Secara umum penyebab defective soldering ada 4 macam yaitu : Design, base metal, material (solder dan flux  )dan process problem  (Reflow dan dipping ). Kita akan membahas satu per satu penyebab permasalahan tersebut dan pemecahannya.

a.       Design problem

a.1.  Pattern PCB

         Dalam design layout PCB yang harus diperhatikan adalah pattern, arah rangkaian dan susunan komponen. Arah dalam PCb sebaiknya dibuat secara tegak lurus arah aliran solder.  Arah rangkaian yang segaris dengan aliran solder besar kemungkinan menyebabkan bridge solder.

 

                                W =  ( D – d ) /2

a.2.  Diameter through hole

        Ketidak seimbangan perbandingan antara diameter through hole dengan diameter kaki komponen bisa menyebabkan beberapa permasalahan seperti blow hole. Jika diameter through hole terlalu besar, maka akan banyak flux yang menempel dan banyak solder yang masuk. Dengan waktu cooling yang panjang, akan terjadi goyangan pada solder yang menyebabkan terjadinya blowhole. Gas penyebab blow hole ini berasal dari reaksi solder.  Semnakin besar diameter through hole, makin memudahkan gas dari flux keluar dan makin memudahkan terjadinya blow hole.

Kalau through hole terlalu kecil, maka solder susah untuk memasuki through hole karena hambatan antara flux dan solder makin besar. Diameter yang kecil juga mempersulit pengerjaan mounting ( Auto Insert machine ).

Jadi jalan terbaik adalah mendesign layout PCB sedemikian sehingga through hole diperkecil secara seimbang. Untuk masalah penetrasi flux dan PCB, bisa diatasi dengan pre-treatment, aktivasi flux, temperature solder dan dipping time.

a.3. Cara Insert komponen

        Susunan chip komponen juga berpengaruh pada terjadinya blow hole dan de-wetting/non wetting. Karena itu harus disesuaikan dengan arah aliran solder. Selain itu, tiap komponen juga memiliki daya serap panas yang berbeda. Sehingga posisi dan kepadatannya harus diperhatikan.  Jika komponen dengan daya serap panas yang berbeda menumpuk diarea tertentu, maka hasil soldering sangat tidak teratur dan sulit dicari penyelesaiannya.  Kadang- kadang bagus, tetapi kadang2 juga jelek.

b.      Base material problems

b.1. Impurities dalam solder

        Kandungan Aluminium dan seng  yang tinggi dapat menyebabkan terjadinya de-wetting dan non wetting, bridging, icicles dan dross solder.

Kandungan Cu juga akan mempengaruhi flowing solder  yang memudahkan terjadinya bridging. Untuk lead free, kandungan Cu dibawah 0.9% sedangkan pada eutectic solder harus dibawah 0.3%. Cu  dan  Pb ini larut dari  coating  kaki komponen.

b.2. Gas dari lingkungan solder

       Oksida timah ( dross solder ) sebagai reaksi antara timah dengan oksigen diudara juga mempengaruhi hasil soldering.  Untuk process reflow, gas nitrogen juga dipakai agar solder pasta tidak teroksidasi oleh oksigen didalam udara. Selain itu, gas nitrogen bisa larut kedala larutan solder, dan biasanya akan dilepaskan pada saat process cooling. Terlalu banyaknya gas yang larut, akan menyebabkan terjadinya blow hole.

b.3. Aktivitas flux dan gas hasil reaksi flux

       Terjadinya blow hole terutama disebabkan oleh gas dari flux. Solvent flux adalah IPA yang diuapkan pada pre-heat. Jika tidak diuapkan secara menyeluruh, maka akan tertinggal pada saat soldering dan menyebabkan blow hole problem. Tetapi sumber gas yang utama juga berasal dari solid content ( resin ) flux itu sendiri, tergantung dari jenis flux. Pada design PCB biasanya ada tempat untuk membuang gas. Blow hole ini biasanya terjadi pada papan PCB through hole.

Jenis flux juga menentukan suhu aktivitas flux. Jika melting point lebih rendah dari aktivasi flux, maka wetting tidak terjadi sempurna dan menyebabkan blow hole. Harus diperhatikan juga mengenai gas dari flux yang bisa mampat pada bagian belakang komponen chip. Semakin besar sudutnya, maka semakin besar kemungkinan terjadinya pemampatan gas. Untuk mencegah hal ini, dipakailah ultrasonic ataupun wave-1 yang khusus untuk chip komponen.

c.       Prosess problem

Sebagaimana dipahami bahwa prosess soldering menyangkut masalah solder, flux , pre-heat, dip solder dan dipping time yang tepat. Hal ini bisa dikontrol dengan pengaturan conveyor speed, angle dan setting suhu pada pre-heat dan solder pot. Defective pada proses dipping solder disebabkan oleh hal2 berikut:

c.1. Supply flux dan solder  yang tidak teratur

       Supplu solder yang kurang menyebabkan fillet solder joint yang tipis sehingga secara mekanis sangat lemah solder strengthnya. Terlalu banyak supply solder meneybabkan inconsistent bentuk  fillet dan memudahkan terjadinya blow hole. Sudut kontak fillet yang baik dengan PCb adalah < 75o. sedangkan di through hole PCB diantara 15o dan 45o.

Supply flux yang terlalu banya menyebabkan terjadinya korosi dan blow hole. Jika supply flux kurang, menyebabkan wetting yang buruk dan banyak sekali solder defect.

c.2.  Working Temperature

        Makin tinggi temperature akan menyebabkan makin banyaknya dross solder, leaching base material. Juga berpengaruh terhadap ketahanan kompoenen. Pada manual solder, temperature soldering tip yang terlalu panas, akan menyebabkan hangus terbakarnya flux yang berujung pada terbentuknya crack, dan solder tip akan cepat aus.

3.       Defect Visual secara umum,

a.       Bridge Solder

Penyebabnya adalah aktivitas flux yang kurang  dan tegangan permukaan solder yang turun dan berakibat pemisahan solder yang tidak bagus. Bridge solder juga bisa disebabkan oleh supply solder yang kurang

Penyelesaiannya adalah mengatur conveyor speed dan angle, supply solder yang cukup, pemilihan flux yang baik dan control densitas  flux .

b.      Less solder

Penyebabnya: Kurang aktifitas flux, banyak gas yang terjadi dari flux serta design pattern PCB. Penyelesaiannya : memilih flux ber solid content ( resin ) yang rendah ,  memperbesar wave-1 serta mengubah sudt conveyor sehingga kontak timenya bertambah.

c.       Blow Hole

Blow hole terjadi bila kecepatan lepas gas dari flux saat penyolderan lebih lambat dari mengerasnya solder, sehingga seperti mampat pada solder joint.

Penyebabnya: ketidak seimbangan antara diameter through hole dan kaki komponen dan terlalu banyak flux.

Penyelesaiannya: memperpanjang kontak time ( speed diperlambat dsb ), memperkuat pre-heat untuk memperkuat aktivasi flux dan mempercepat cooling.

d.      Migration

Keberadaan ion halogen, uap air dan residue flux menyebabkan terhubungnya kutub atau komponen PCB.