La saldatura selettiva

SALDATURA –

La conversione sempre più accentuata verso il montaggio superficiale non ha totalmente eliminato la presenza di componenti TH, che vede così una crescente necessità di utilizzo dei sistemi di saldatura selettiva.

La crescita della domanda di saldatura selettiva ha trovato vasta applicazione con la crescente diffusione della tecnologia SMT dove, su un prodotto quasi interamente assemblato con componenti a montaggio superficiale e saldati mediante rifusione, sono presenti componenti di tipo tradizionale ad inserzione. La maggior parte dei componenti sono comunque saldati con le tradizionali tecniche di rifusione.
L’aumento di prestazioni e di funzioni delle schede elettroniche presuppone non solo una più alta densità di montaggio, ma anche un aumento del numero di dispositivi di connessione montati su ambo i lati della scheda. In risposta a questa necessità si sono rese disponibili sul mercato diverse tecnologie di saldatura selettiva. L’applicazione riguarda la famiglia di componenti pin through hole e quelli definiti odd-form tra cui pga, schermi rf, connettori, relay, bobine e piccoli motori. Altre soluzioni, saldatura manuale a parte, sono la saldatura a onda con carrelli mascherati, la saldatura dipping o la saldatura selettiva con sistemi robotizzati. Quest’ultima soluzione si suddivide a sua volta in sistemi con minionda, robot a ferro caldo o sistema di saldatura con laser. Per operare una scelta adeguata serve avere una visione d’insieme del prodotto e del processo su cui intervenire, infatti l’introduzione della saldatura selettiva è fondamentalmente una scelta di processo piuttosto che di sistema. L’indagine deve tener conto dei prodotti (pcb e componenti, dimensioni e geometrie), del processo, dei materiali e non ultimo delle capacità dell’operatore. Ogni tecnologia di saldatura selettiva è unica, con una sua finestra di processo e richiede la sua specifica gestione. Gli investimenti iniziali potrebbero essere piuttosto importanti, sicuramente superiori a una normale saldatrice a onda.

Tecnologie a confronto
Il termine di paragone di base è la saldatura manuale, per anni utilizzata nella ripresa di quanto non saldabile in linea. E’ flessibile e richiede un investimento modesto. Di contro il processo non è ripetitivo, non è controllato, i giunti sono dissimili nella formazione del menisco, varia la quantità di lega per giunto, aumenta la quantità di flussante sia sul giunto che nei dintorni della piazzola e ha un elevato costo di manodopera, oggi non più sopportabile. Le prime sperimentazioni di automazione sono state effettuate coi robot a più assi, utilizzando modelli scara o cartesiani. Questi robot sono attualmente utilizzati e garantiscono una buona flessibilità a fronte di investimenti non elevati; Weller produce saldatori e punte appositamente destinati all’applicazione. La produttività non è elevata e mantiene alcune controindicazioni tipiche della saldatura manuale.
L’utilizzo della saldatrice a onda garantisce una tecnologia consolidata con elevata produttività. Di norma non richiede investimenti essendo già presente in azienda. Qualità e ripetitività sono sotto controllo, ma manca la flessibilità perché sono necessari i pallet di mascheratura e la presenza continua di personale per le operazioni di carico e scarico. Tecnicamente ci sono limitazioni dimensionali tra zone protette e zone da saldare e il processo è “piuttosto sporco” perché la flussatura avviene su tutta la superficie del pallet e può raggiungere anche le parti coperte del pcb. Inoltre ci possono essere problemi in presenza di componenti sensibili alla temperatura. La saldatrice selettiva diventa la scelta ottimale perché garantisce la qualità e la ripetitività dei giunti e riduce la contaminazione ionica in quanto la flussatura avviene solo sui giunti interessati. Il processo di saldatura è compatibile con la presenza di componenti sensibili alla temperatura ed è flessibile in quanto applicabile anche su schede densamente popolate; garantisce una discreta produttività, che è comunque legata al layout del pcb, e necessita di una ridotta manodopera. I test di stiramento hanno dimostrato una buona resistenza per i giunti fatti con la saldatrice selettiva (a una buona risalita corrisponde una buona tenuta); le saldature reggono maggiormente le sollecitazioni dovute a vibrazioni e a stress termici. Con le saldatrici che tengono fermo il pcb e movimentano i nozzle si elimina inoltre la possibilità di creare delle microfratture dovute al movimento del reoforo durante la formazione del giunto. Le tecnologie di saldatura selettiva preferite sono principalmente quelle a minionda e quelle laser, meno richiesta è la saldatura robotizzata eseguita con ferro caldo. Una nuova tecnologia che va facendosi strada è la saldatura a ultrasuoni, che necessita comunque di un sistema robotizzato, cartesiano o scara, per la necessaria automazione.

Il processo di saldatura selettiva
Nell’ambito del processo sono sicuramente da considerare le variabili costruttive del pcb come dimensione, geometria, numero di layer, densità circuitale, caratteristiche delle piazzole, dei componenti TH e loro disposizione.
Come è di esperienza comune, la saldabilità diventa più difficoltosa quando la piazzola si raccorda con piste di massa o con strati diffusi, con l’aumentare del numero di layer e in presenza di componenti con grossa massa termica o che per la loro struttura fungono da dissipatori. Nella saldatura automatica con sistemi robotizzati interviene più pesantemente come variabile condizionante la geometria delle piazzole e in particolare la dimensione della corona circolare che ricevere il volume di lega necessario alla formazione del giunto. Nella formazione del giunto intervengono anche i rapporti dimensionali tra la corona circolare, il foro passante, la forma e la dimensione del pin, oltre alla lunghezza di quanto il terminale sporge dal lato saldatura. La lega risale nel foro per capillarità, di conseguenza se il diametro del terminale è troppo piccolo o troppo grosso rispetto a quello del foro si creano situazioni di difficoltà nella risalita. Se il pin sporge troppo, il calore applicato tende a concentrarsi sulla sua estremità, di conseguenza la lega, che tende sempre a fluire nella zona più calda, va concentrandosi sulla parte terminale del reoforo. Se è troppo corto c’è il problema inverso dovuto alla difficoltà della lega ad aderirvi e a iniziare la risalita.
L’affidabilità dei giunti di saldatura è attentamente considerata in ambito della progettazione finalizzata all’affidabilità del prodotto (Design for Reliability), che si occupa di assicurare che la realizzazione di quanto è stato progettato sia pienamente conforme alle specifiche di progetto, così da garantire l’affidabilità richiesta dall’applicazione. Le procedure del Design for Reliability si fondono con quelle della progettazione orientata alla produzione cioè il Design for Manufacturability. Insieme concorrono alla definizione della finestra di processo, influendo sulla capacità produttiva
Parte integrante della finestra di processo sono i parametri di saldatura che insieme concorrono alla definizione del profilo termico. Basandosi sulle caratteristiche della scheda e dei componenti, il profilo deve essere impostato per la corretta formazione del giunto tenendo conto che tempi troppo lunghi incidono negativamente sulle sue caratteristiche metallurgiche o provocano possibili delaminazioni delle piazzole. Un profilo non corretto si riflette anche nella formazione di void dovuti all’intrappolamento del flussante.

Saldatura con tecnologia laser
La disponibilità di dispositivi laser a stato solido ha consentito di realizzare moderne saldatrici selettive in grado di coprire trasversalmente tutte le esigenze tecnologiche. L’introduzione della saldatura laser è dovuta alla sua capacità di sfruttare l’elevata energia racchiusa nel fascio, focalizzata solo sul giunto da formare e che quindi non coinvolge né il substrato né i componenti attigui, neppure nel caso delle più elevate temperature di lavoro richieste per la saldatura con leghe senza piombo. La saldatura selettiva laser trova applicazione in tutte quelle situazioni in cui non è utilizzabile la saldatura a onda o a rifusione, vuoi per motivi di processo, d’ingombro o di convenienza. Salvaguarda i componenti sensibili alla temperatura, consente di operare su schede inserite in contenitori e su pcb tridimensionali, oltre ad avere un ampio margine di manovra su schede SMT ad alta densità.
Sono diversi i vantaggi che derivano dall’utilizzo di un sistema di saldatura laser. Per prima cosa si tratta di una tecnologia di saldatura senza contatto, dove il trasferimento termico è accuratamente sotto controllo e ripetitivo. Si ottiene una buona formazione del giunto senza stressare né la scheda né i componenti. La qualità rimane costante per tutto il lotto mantenendo al contempo un’elevata flessibilità di processo in quanto è possibile tanto l’utilizzo di leghe tradizionali quanto di leghe Pb-free, e questo senza la necessità di utilizzare azoto.

Saldatura con minionda
Il modello di saldatrice ideale da un punto di vista del processo è il sistema con minionda. La saldatura selettiva con minionda comprende sia saldatrici con un solo nozzle sia sistemi con più bocchette di saldatura, in pratica una fixture con camini posizionati in corrispondenza dei giunti da creare; ogni onda che compone la matrice di saldatura può avere dimensione e geometria differente in funzione del componente che deve saldare. La matrice (così come la saldatrice a nozze singolo) può avere anche bocchette che sviluppano un’onda di soli 3mm di diametro. Con un’onda di questa ridotta dimensione si può mantenere un’area di rispetto di solo un millimetro dal componente SMD più vicino.
In presenza di un singolo nozze l’altezza dell’onda è solitamente controllata da un sensore solidale con la grip di manipolazione della scheda. Il computer confronta il valore di set point impostato da programma con quello misurato e nel caso provvede a impartire la necessaria regolazione. Sui sistemi di ultima generazione l’altezza del bagno è controllata regolarmente ogni qualvolta l’onda è inattiva e un segnale di allarme viene generato se il crogiolo necessita di essere ripulito dalle scorie. Questi sistemi di saldatura selettiva permettono di automatizzare il processo dal livello più basso a quello più alto. A partire dalla cella robotizzata con carico e scarico manuale della scheda si arriva al sistema completamente in linea dove al trasporto del pcb si affianca la sua movimentazione per mezzo di una grip robotizzata, che a necessità ospita dei dispositivi antimbarcamento. La libertà di movimento della grip è ampia arrivando a raggiungere inclinazioni fino a 12°. Tutti i sistemi attuali sono dotati di sistema di visione per facilitare il corretto posizionamento dei pcb in saldatura; se la deviazione dell’immagine rispetto al fiducial acquisito eccede quella di un valore consentito e impostato in fase di programmazione, il sistema entra in allarme e non consente l’operazione.
La stazione di flussatura è di norma costituita da uno spray flux o da un flussatore drop jet. Il primo è più indicato per aree discretamente estese, mentre il secondo delimita l’area di lavoro con estrema precisione (+/- 0,1 mm si una scheda di 500 x 500 mm). Ambo i sistemi di flussatura lavorano su un piano xy, lo spray fluxer rilascia un cono di flussante mentre il drop jet fluxer rilascia delle microsfere di flussante che vanno a colpire direttamente la zona interessata evitando di contaminare quanto non interessato alla saldatura (come ad esempio i test pad). L’energia di attivazione del flussante arriva da elementi IR oppure da convezione di aria calda.
Non esiste un sistema di saldatura universale, ovvero che al tempo stesso soddisfi pienamente i requisiti di flessibilità e di produttività. Il compromesso desiderato deve essere individuato al momento della scelta di acquisto perché non è in seguito fattibile una modifica delle prestazioni.

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