L’affidabilità delle saldature è il tema centrale, si potrebbe dire addirittura la bussola che ha indirizzato lo sviluppo della nostra azienda nel corso degli anni. La passione per i processi che stanno alla base del lavoro che facciamo è stata infatti il volano che ha portato la Governance aziendale ad intraprendere scelte ben precise per raggiungere livelli di eccellenza nel nostro core business: la microsaldatura in elettronica.
Nel campo della produzione di schede elettroniche l’affidabilità è determinante ogni volta che il prodotto è pensato per garantire performance costanti nel tempo anche in situazioni critiche.
Molti sono gli ambiti in cui l’affidabilità si dimostra un valore aggiunto. Se infatti è ovviamente vitale ad esempio per i prodotti che vanno in volo, che gestiscono le dotazioni di sicurezza nei trasporti o per i prototipi destinati a grandi esperimenti della ricerca di base, l’affidabilità può essere un grande fattore di competitività anche nelle applicazioni industriali dove diventa strategica per limitare gli oneri dei rientri e delle assistenze, per il gradimento dei prodotti commercializzati e quindi per la fidelizzazione dei clienti in tempi nei quali la reliability è una discriminante importante tra competitor.
Inoltre un partner che sa produrre apparati saldati affidabili tende ad avere un approccio sistematico ed efficiente in tutti i suoi processi aziendali perché è abituato “a fare i conti con i processi speciali”.
l’affidabilità può essere un grande fattore di competitività anche nelle applicazioni industriali dove diventa strategica per limitare gli oneri dei rientri e delle assistenze, per il gradimento dei prodotti commercializzati e quindi per la fidelizzazione dei clienti in tempi nei quali la reliability è una discriminante importante tra competitor.
Un processo speciale
Il processo di saldatura – non solo in elettronica ma in tutti gli ambiti – viene definito “speciale” perché è una di quelle lavorazioni industriali i cui risultati non possono essere completamente accertati tramite controlli visivi non distruttivi. Ciò significa, in pratica, che per poter essere sicuri che ogni giunto saldato sia stato realizzato perfettamente lo si dovrebbe ogni volta sezionare ed analizzare al microscopio a scansione.
È chiaro che questo approccio non è compatibile con la produzione in quanto ci si troverebbe a distruggere ogni pezzo prodotto per verificarne la conformità.
Per questo motivo, in presenza di processi speciali, è necessario applicare un metodo.
Per prima cosa bisogna assicurarsi che il processo produttivo pianificato sia veramente ottimale attraverso una validazione che preveda effettivamente l’analisi distruttiva di uno o più pezzi realizzati come campioni.
Una volta validato il processo che permetta di ottenere i migliori risultati bisogna quindi istituire un sistema di controlli che garantisca la ripetibilità dei risultati raggiunti su tutti i pezzi prodotti successivamente con quello stesso processo produttivo.
Per poter istituire un sistema di controllo efficace c’è molto lavoro da fare. La prima cosa è individuare tutti gli elementi fondamentali da tenere monitorati e quindi il primo passo inizia con la conoscenza delle basi su cui si fonda il processo che si vuole controllare.
Una questione metallurgica
Saldatura nel nostro campo è un termine di uso corrente ma in realtà il processo metallurgico usato per la realizzazione di giunti saldati in elettronica tecnicamente si chiama “brasatura dolce”.
La brasatura (in inglese: soldering) si distingue dalla saldatura (in inglese: welding) perché l’unione tra i due metalli non avviene per fusione tra i due ma si realizza tramite l’aggiunta di un metallo d’apporto.
La brasatura utilizzata nel nostro settore è detta “dolce” perché avviene a temperature inferiori a 450°C e il metallo d’apporto è tipicamente una lega formata dallo Stagno (Sn) insieme ad uno o più metalli diversi come per esempio: Piombo (Pb); Rame (Cu); Argento (Ag) e, più raramente altri.
Le due parti metalliche da legare con il metallo d’apporto sono da un lato i terminali dei componenti elettronici e dall’altro le loro sedi previste nel circuito stampato dette comunemente “piazzole” ricavate nei circuiti stampati e ognuna di queste parti è a sua volta realizzata con metalli diversi.
La finitura dei componenti elettronici
I componenti elettronici sono ormai costruiti in tantissime tipologie, formati e dimensioni per rispondere alla più svariate esigenze ma ognuno di essi presenta terminali metallici adatti ad essere saldati sul circuito stampato in appoggio superficiale (Surface Mount Devices – SMD) o attraverso dei fori metallizzati (Trough Hole Devices – THD).
A seconda della loro forma e dimensione i componenti elettronici hanno terminali metallici costruiti da un buon conduttore come ad esempio il Rame che però ha il problema dell’ossidazione che renderebbe la sua superficie insaldabile in breve tempo e viene quindi ricoperto di un sottile strato di una altro metallo che ne preservi la saldabilità come a esempio Stagno, Argento o Oro che vi vengono deposti con varie tecniche: elettrolisi, immersione e altri. Un particolare tipo di componenti SMD sono i BGA (Ball Grid Array) e CGA (Column Grid Array) che invece di avere terminali esterni da saldare hanno sotto il loro corpo metallico o ceramico delle sfere o colonne fatte completamente di lega saldante invece che da un metallo conduttore che rimane estraneo al processo di brasatura.
Queste sfere o colonne letteralmente si fondono con la lega depositata per la saldatura e vanno a costituire un’unica giunzione saldata che va dalla superficie inferiore del componente al circuito stampato senza soluzione di continuità.
Le “piazzole” del circuito stampato
Dal lato del circuito stampato o PCB (Printed Circuit Board) la zona immediatamente interessata al giunto di saldatura è la parte di conduttore disegnata per alloggiare il terminale metallico del componente che è quindi realizzata in forma adatta e lasciata libera dalla copertura protettiva del solder mask per poter essere saldata al componente.
Questi spazi vengono chiamati comunemente “piazzole” e sono parti di conduttori in rame che, per non soffrire l’ossidazione dell’ossigeno presente nell’aria, vengono ricoperti con un sottile strato di altri metalli che mantengono buona saldabilità come ad esempio Nichel/Oro, Argento o la stessa lega di Stagno della saldatura che può essere con Piombo o senza in caso il processo sia LeadFree (RoHS compliant). Le leghe sovrapposte al rame per mantenerlo saldabile vi sono depositate attraverso vari processi chimici come: immersione, ossido-riduzione, deposizione galvanica etc…e ognuno di questi processi porta con se’ potenziali criticità tecnologiche e impurità chimiche, conoscere quindi i processi costruttivi di un circuito stampato è fondamentale.
Il discorso sul PCB sarebbe amplissimo e merita di essere approfondito in un articolo dedicato perché le implicazioni costruttive vanno molto al di là delle sole piazzole di saldatura: ogni parte del circuito, infatti, a partire dai materiali di base e attraverso gli innumerevoli processi che consentono di realizzarlo è cruciale per ottenere schede elettroniche affidabili nel tempo, il circuito è la base su cui è costruito tutto il lavoro di realizzazione della scheda elettronica e saperlo valutare e trattare è di fondamentale importanza per avere processi di brasatura costanti e affidabili.
I componenti elettronici sono ormai costruiti in tantissime tipologie, formati e dimensioni per rispondere alla più svariate esigenze ma ognuno di essi presenta terminali metallici adatti ad essere saldati sul circuito stampato in appoggio superficiale (Surface Mount Devices – SMD) o attraverso dei fori metallizzati (Trough Hole Devices – THD)
Compatibilità chimica e fisica
Alla luce di quanto detto fin qui appare quindi chiaro che nel processo di brasatura possono entrare in gioco molti metalli diversi provenienti da varie lavorazioni e la loro compatibilità è essenziale per creare giunti saldati di ottima qualità.
Inoltre è preferibile realizzare saldature che non siano formate da troppi metalli diversi, per questo è molto importante saper riconoscere le materie prime con cui di volta in volta ci si trova a lavorare per poterle associare correttamente e individuare i processi più corretti da applicare.
Ma anche un processo perfettamente bilanciato può essere vanificato da difetti o impurità presenti nei materiali di base ed è quindi essenziale mantenere sotto controllo costante la qualità degli elementi di base per ottenere una buona riuscita del processo di brasatura.
I fenomeni fisici che permettono il legame tra i metalli sono infatti la penetrazione capillare, la bagnatura e la diffusione atomica della lega nel pezzo da brasare. Per questo anche le condizioni in cui si trovano le superfici da saldare (componenti e circuiti stampati) sono determinanti per la buona riuscita del processo.
Per realizzare una solida unione tra i metalli che garantisca tenuta meccanica e conducibilità elettrica serve quindi non solo la compatibilità tra i metalli ma anche l’assenza di impurità quali ossidazione o inquinamento delle superfici che, se presenti, interferirebbero tra i legami metallici impedendo la corretta formazione dei giunti saldati.
Selezione e tenuta sotto controllo dei materiali di base
Arrivati fin qui abbiamo capito che i tre elementi fondamentali della brasatura in elettronica sono: la lega saldante (metallo d’apporto), il componente elettronico e il circuito stampato. Per questi è necessario stabilire un sistema di selezione e controllo in modo che il processo possa partire da basi solide.
Le leghe e i suoi attivatori, i flussanti, dovrebbero essere selezionati – dopo attenta valutazione delle proprie macchine e dei propri cicli di lavoro – applicando i Test methods suggeriti dagli standard IPC: slump test, solderball test, copper mirror test..in base ai risultati ottenuti sarà possibile identificare prodotti compatibili che ci offrano le performances più adatte al tipo di schede elettroniche e di processi che trattiamo dandoci la confidenza di muoverci su un terreno ben conosciuto fatto di prodotti ideali per il nostro lavoro e di cui conosciamo molto bene le caratteristiche e il comportamento.
Una volta selezionati e validati, i prodotti chimici devono essere controllati costantemente in ingresso secondo piani di controllo dedicati in modo da poter contare su una stabilità di rendimento e scongiurare derive inattese.
Anche i PCB e i componenti elettronici devono essere mantenuti sotto controllo. Si devono stabilire i requisiti a priori e, quando è possibile intervenire nel processo di approvvigionamento vanno richieste ai nostri fornitori le prove e le misure che dimostrino il rispetto di tali requisiti.
Quando lavoriamo su materiali acquistati o selezionati da altri bisogna essere in grado di valutare le caratteristiche fondamentali durante i controlli in ingresso e dialogare con chi li ha forniti per risolvere eventuali dubbi e limitare le possibilità di variabili durante il processo produttivo.
Tutti gli elementi fondamentali della lavorazione devono quindi essere trattati in incoming con particolare attenzione, per ognuno deve esistere una procedura di controllo dedicata e gli operatori che se ne occupano devono avere formazione specifica.
Dai materiali ai processi
Una volta che ci siamo assicurati di avere sotto controllo i materiali di base è il momento di porre l’attenzione sui processi di realizzazione della brasatura.
I processi di brasatura pur prevedono tutti la fusione della lega d’apporto per realizzare il legame e si distinguono in diverse tipologie:
Manuali
che sono realizzati appunto manualmente da un operatore che posiziona e salda un componente alla volta utilizzando un saldatore a stilo e la lega in filo.
In questo caso la realizzazione della saldatura ottimale è determinata dalla compatibilità tra componenti, filo e flussanti e dalla conoscenza dell’operatore che deve saper attivare la chimica nei tempi corretti, impostare le temperature giuste per il tipo di saldatura che sta realizzando e mantenere i tempi corretti nelle varie fasi. Questo richiede formazione professionale degli operatori e la presenza di procedure aziendali specifiche come le BPS per i vari tipi di saldatura da realizzare.
Automatici
che vengono invece realizzati con macchinari e permettono di preparare e saldare contemporaneamente tutti i componenti montati sulla scheda e addirittura più schede insieme.
I montaggi automatici si distinguono poi a seconda del tipo di componenti che si vogliono saldare: per gli SMD che sono montati in appoggio sulla superficie del circuito stampato si usa la lega in forma di pasta e il processo prevede la serigrafia, il montaggio Pick&Place, la rifusione e il controllo; per i THD che invece attraversano il PCB da un lato all’altro i componenti vengono montati da macchinari o da operatori sulla linea e la brasatura avviene sulla saldatrice a onda caricata con verghe di lega solida che si liquefanno nel pozzetto di saldatura.
Il profilo di saldatura
Come tutti i processi metallurgici anche la brasatura dolce avviene durante un ciclo termico governato da una curva che descrive una variazione di temperatura in un determinato intervallo di tempo e si chiama profilo di saldatura.
Le sue fasi sono: pre-riscaldo, rifusione e raffreddamento e ognuna di esse è essenziale per il controllo del processo e quindi per il risultato finale.
La fase di pre-riscaldo è importantissima per preparare le superfici riscaldandole progressivamente evitando di sottoporre i materiali ad eccessivi stress termici che potrebbero causare danni meccanici quali delaminazioni e rotture di PCB e componenti, ed è anche essenziale perché è la fase in cui i flussanti vengono attivati.
Essi sono infatti inattivi a temperatura ambiente ma si attivano nella prima fase di riscaldamento e preparano le superfici desossidandole e attivandole in modo che possano ricevere capillarmente la lega d’apporto.
La fase di rifusione è quella cruciale in cui tutte le parti devono arrivare insieme allo stato liquido in modo da fondersi e andare a creare un nuovo legame.
Le corrette temperature di fusione e il tempo appropriato di permanenza in liquido permettono di realizzare giunti puri con uno spessore intermetallico sottile. Più contenuto è il composto intermetallico – cioè la linea in cui le diverse leghe si uniscono per formare un nuovo legame – più la saldatura sarà infatti affidabile.
Anche la fase di raffreddamento è molto importante perché una curva equilibrata permette ai diversi elementi metallici di ritornare progressivamente allo stato solido stabilizzando i nuovi legami in modo armonico e serve inoltre a riportare l’intero prodotto a temperatura ambiente in modo graduale prevenendo gli shock meccanici correlati alle dilatazioni termiche.
Utilizzando una metafora golosa si può dire che il profilo di saldatura è quindi “la ricetta magica” per ottenere saldature eccellenti da ingredienti accuratamente selezionati e controllati.
Caratterizzare un profilo: una questione di armonia.
Caratterizzare un profilo richiede la valutazione di diversi parametri: per prima cosa i materiali di base utilizzati dato che ognuno di essi ha diverse temperature di rifusione, poi le masse metalliche dei componenti ed il layout del PCB che costituiscono elementi di assorbimento termico, infine le tecniche di montaggio utilizzate, la disposizione dei componenti sulla scheda e altri aspetti che di volta in volta possono condizionare il prodotto o il processo.
Tutto concorre alla riuscita di un processo molto delicato in cui spesso ci troviamo a lavorare in condizioni non ottimali perché, anche se le materie prime sono state selezionate con la massima cura, una scheda elettronica può avere molte variabili come zone di massa disomogenee, componenti grandi vicini a componenti molto piccoli con differenti assorbimenti termici e, magari, per necessità di progetto, componenti con finiture diverse che hanno quindi tempi di rifusione non sempre sincronizzati.
Per questo motivo il profilo deve tenere conto di tutte queste variabili ed armonizzarle. Inoltre il profilo varia a seconda delle attrezzature e dei macchinari che si utilizzano per il processo termico: forno ad aria o vapor phase per i montaggi superficiali (SMT), saldatrice a onda per i montaggi a foro passante (THT) e ognuno di questi necessita di diversi parametri impostati per realizzare la curva termica desiderata.
Ci sono poi profili adatti alla saldatura di un pezzo nuovo e curve adatte invece alle operazioni di rework come la rimozione di componenti o il reballing.
Per ogni necessità si tratta di analizzare la componentistica, i materiali e gli obiettivi e impostare i parametri ottimali in coerenza con le tecnologie utilizzate.
Due parole sul forno vapor phase
Da anni la nostra azienda ha scelto di privilegiare la tecnologia vapor phase per i montaggi SMT perchè il forno fase vapore, se correttamente integrato nel ciclo produttivo con la giusta scelta di materiali di base, attrezzature e set ups, permette di ottenere processi di rifusione eccellenti con trasferimenti termici più omogenei e controllati rispetto ai forni ad aria, minimizzando gli stress meccanici e i fenomeni di overheating.
Con la funzione vacuum, che può essere attivata nella fase di liquido, è possibile anche eliminare i residui d’aria intrappolati sotto i componenti durante i processi di montaggio e avere quindi risultati eccezionali in termini di riduzione dei voids specialmente nei componenti flat pack come qfn, d-pack, castellati ed elettrolitici che sono tipicamente afflitti da questo problema a causa proprio del loro formato.
Inoltre il forno vp lavora naturalmente in un’atmosfera completamente priva di ossigeno fornendo le condizioni ottimali per ottenere saldature affidabili, con intermetallici contenuti e quindi pure e durevoli nel tempo.
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