L’evoluzione della specie

FORNI E PROFILI TERMICI –

La tecnologia vapor phase, sviluppata agli inizi degli anni ’70 da Robert C. Pfahl e Hans H. Ammann, sfrutta la proprietà della condensazione del vapore generato da un liquido per garantire un trasferimento di calore uniforme e dai limiti ben definiti

Prima rari e macchinosi, poi tecnicamente percorribili ma costosi, forni vapor phase sono oggi dei sistemi di rifusione perfettamente adatti alle produzioni occidentali sia in termini di prestazioni che di livello d’investimento. Una perfetta evoluzione in stile darwiniano ha caratterizzato la storia dei forni vapor phase, di cui Asscon è indubbiamente uno dei più prestigiosi protagonisti. Rappresentata in Italia da Cabiotec, l’azienda tedesca è nata nel 1995, anno di partenza per un serrato e continuo sviluppo dei nuovi forni VP che ha portato all’attuale serie contraddistinta da un contenuto tecnologico di tutto rispetto che ne facilita l’utilizzo e ne rende affidabili i risultati, facendo di Asscon il leader di mercato. Inizialmente utilizzato per la produzione elettronica in ambito militare e aerospaziale, il sistema vapor phase è oggi appannaggio di ogni azienda che intende sfruttarne i pregi del preciso e omogeneo trasferimento termico.
La versatilità del forno di rifusione vapor phase ne consente l’impiego come unica soluzione di saldatura per particolari casi di pcb, o come sistema aggiunto alla classica rifusione per convezione piuttosto che come sua valida alternativa.
Sicuramente la transizione che ha portato all’utilizzo delle leghe senza piombo ha beneficiato di questa tecnologia che ha consentito di mantenere una finestra di processo a più ampio respiro rispetto alla convezione; in pratica si è potuto rifondere anche in presenza di componenti sensibili alla temperatura grazie al minimo differenziale termico mantenuto tra temperatura di rifusione e temperatura di picco. La temperatura di rifusione è funzione della lega utilizzata, mentre la temperatura di picco è funzione del liquido tecnico scelto.

Una tecnologia all inclusive
La tecnologia di rifusione in fase vapore sfrutta le proprietà di un liquido tecnico caratterizzato dall’avere un preciso punto di ebollizione (±1 °C) in cui c’è il passaggio dalla fase liquida alla fase vapore. Questo vuol dire che raggiunto il punto di ebollizione ogni ulteriore apporto di energia termica non incrementa la temperatura del liquido, ma è sfruttato esclusivamente per eseguire il passaggio di stato da fase liquida a fase vapore. Oltre a possedere un’elevata stabilità termica, è inodore è totalmente innocuo (atossico) per la salute umana e l’ambiente, soprattutto è inerte nel senso che non interagisce chimicamente con nessun materiale presente sulla scheda da saldare, ma al contrario possiede ottime proprietà dielettriche. Chimicamente il Galden è un perfluoropolietere (PFPE), un polimero liquido costituito da una catena molecolare molto stabile contenente carbonio, fluoro e ossigeno. I legami tra le molecole che lo compongono sono i più stabili all’interno dell’intera chimica del carbonio, ragione per cui non ha flash point.
L’utilizzo di un fluido inerte conferisce al processo un ulteriore pregio, quello di poter saldare in atmosfera a 0 ppm di ossigeno, che come risaputo è la causa della formazione di ossidi sulle superfici da unire e sulla lega pregiudica la bagnabilità. Ciò che nel processo a convezione richiede un dispendio economico notevole per poter saldare in assenza di ossigeno , con la rifusione vapor phase è un beneficio incluso, perché i vapori avvolgono totalmente il PCB escludendo categoricamente ogni presenza di ossigeno, scongiurando quindi la possibile interferenza nel processo a opera di reazioni ossidative. Nella saldatura con leghe SnPb sono utilizzabili Galden LS200 e Galden LS215, rispettivamente con temperatura di ebollizione di 200 °C e 215 °C. Per le leghe LF si utilizzano il Galden LS230 e LS240. La temperatura di ebollizione è molto importante perché definisce anche la massima temperatura raggiunta dal liquido quando è in fase vapore e di conseguenza la massima temperatura a cui è esposto il PCB. Il fattore è rilevante perché costituisce la sicurezza di non avere sovraesposizioni di temperatura e di conseguenza di utilizzare un processo di rifusione affidabile oltreché efficace. Supponendo di avere sul pcb un componente che non deve essere esposto a temperature superiori ai 240 °C e utilizzando una lega LF (per esempio una Kester NXG1 con punto di fusione a 217-221 °C), utilizzando un Galden LS230 (massima temperatura raggiungibile 230 °C) si avrà la sicurezza matematica di portare in rifusione tutti i giunti presenti sulla scheda, indipendentemente dalle masse termiche di riferimento, senza sovraesposizione del componente sensibile.

Genere Vapor Phase, specie Asscon
Il principio di funzionamento del forno vapor phase è molto semplice. Il liquido contenuto nella camera di preriscado e rifusione è portato in temperatura per mezzo di riscaldatori. L’energia termica somministrata è utilizzata per portare il liquido alla temperatura massima raggiungibile, che è quella di ebollizione. Da questo momento ogni altra somministrazione di energia termica è utilizzata per passare dallo stato liquido allo stato vapore. Per una legge fisica la temperatura del vapore non può superare quella di ebollizione, pertanto l’ambiente di saldatura si trova a una temperatura uniforme e ben definita. Il pcb, caricato nell’apposito vano, è immerso nel vapore che per effetto della differenza di temperatura gli si condensa sopra (per quanto riscaldato il pcb ha inizialmente una temperatura inferiore rispetto al vapore). In questo nuovo passaggio di stato, da vapore a liquido, cede il calore precedentemente accumulato (calore latente), un’energia termica utilizzata per portare il pcb alla stessa temperatura del vapore e in rifusione la pasta saldante. Essendo il pcb completamente immerso nel vapore, ogni zona e ogni componente vengono completamente avvolti, il processo si può quindi considerare esente da condizionamenti di massa termica, colore e finitura superficiale, nonché dall’effetto ombra. Terminata la fase liquida (Time Above Liquidus) il pcb è trasportato fuori dal vapore. Il calore accumulato è sufficiente a far evaporare la frazione di liquido che ancora è rimasta sulle sue superfici. Inizia a questo punto la fase di raffreddamento, che avviene nel rispetto del gradiente termico desiderato.
Con questa tecnologia di rifusione i consumi di energia elettrica (5 kW allo spunto e 60% a regime) e di Galden sono decisamente competitivi rispetto alla convezione. Sebbene i liquidi tecnici siano piuttosto costosi, il consumo di pochi grammi giornalieri rende il processo competitivo rispetto all’utilizzo dell’azoto (N2), considerando che comunque l’azoto non consentirebbe di raggiungere realisticamente la soglia di 0 ppm di O2.

Il profilo termico
Con l’Automatic-Solder-Break (ASB) e il Temperature-Gradient-Control (TGC) la fase dedicata alla creazione del profilo (sia lineare che a step) viene fortemente semplificata, con i tempi determinati automaticamente e con un controllo costante della finestra di processo. Il TGC gestisce il gradiente di riscaldamento del liquido e in cascata della formazione del vapore e del riscaldamento del pcb. In particolare il gradiente termico sul pcb è definito da quanto vapore è condensato nell’unità di tempo e l’algoritmo Energy Transfer Rate (ETR) gestisce la quantità di vapore generato, assicurando non solo la precisione del processo, ma anche la sua massima ripetibilità. Il passaggio della lega da solido a liquido è riconosciuto in automatico dal sistema ASB che previene la formazione di giunti freddi. La fine della condensazione è rilevata da un sensore avente il compito di garantire che il PCB abbia fisicamente raggiunto la temperatura del vapore; il TAL (Time Above Liquidous), cioè il tempo in cui la lega è liquida e al di sopra della sua temperatura di rifusione, è programmato tramite un PLC.
Il profilo termico diventa così semplice da realizzare, senza la necessità di ricorrere ai profilatori; i tempi ciclo si attestano sui 5/7 minuti, con un TAL che si estende tra i 30 e i 60 secondi e il gradiente termico che spazia da 0,5 °C/sec a 3 °C/sec. Un valore consigliato è di 1,5 °C/sec per i pcb utilizzati in applicazioni militari e di 2 °C/sec per tutti gli altri utilizzi.

Perché il vapor phase
La variabile che per prima manifesta un significativo beneficio è la bagnabilità. Lavorando in ambiente completamente inerte l’ossidazione è drasticamente ridotta, a tutto beneficio dei giunti di saldatura la cui tenuta alle vibrazioni meccaniche e alle variazioni termiche diventa notevolmente affidabile.
Il benefico effetto si estende poi ai componenti, dai più semplici ai più complessi sono comunque salvaguardati dall’essere esposti a temperature troppo alte. Problemi di sensibilità all’umidità a parte (MSD), molti package dell’ultima generazione si stanno evolvendo verso il mondo PoP e SiP; assicurare un profilo termico che accanto alla giusta finestra di processo dia la sicurezza di non esporre a sovratemperature diventa un’assicurazione sull’affidabilità.
La tecnologia di saldatura vapor phase risulta particolarmente utile per dissolvere il limite tecnologico che si incontra con l’utilizzo di substrati metal core e thermal clad, dove la differenza di massa termica tra il substrato e i singoli componenti raggiunge soglie inimmaginabili (il rapporto può raggiungere ordini di 1:1.000.000). Altro interessante vantaggio è la possibilità di saldare in contemporanea componenti SMD e Th, ricorrendo alla tecnologia pin-in-paste. A livello di pcb c’è poi l’aumento della densità di componenti a bordo scheda, che vede spesso masse molto diverse coesistere sullo stesso substrato, con rapporti in peso tra componenti anche di 1 a 10.000, ma che nella rifusione vapor phase raggiungono le stessa temperatura nello stesso intervallo di tempo, indipendentemente dalla loro massa, dal diverso stand-off, dal colore, dalla finitura superficiale, dai materiali costruttivi.

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