Questione di tempi e temperature

FORNI E PROFILI TERMICI –

Il profilo di saldatura rappresenta solo l’andamento della temperatura in funzione del trascorrere del tempo. La capacità di impostare il corretto profilo implica invece una buona conoscenza di numerose variabili a cui far riferimento nel momento in cui si debbano scegliere le temperature e i tempi.

Il profilo di saldatura o profilo termico è una delle variabili principali nel processo di produzione delle schede elettroniche che significativamente incide sulla produttività, sulla qualità e sull'affidabilità del prodotto finito.
L'adozione del corretto profilo termico non mette comunque al riparo dai problemi dovuti a una cattiva progettazione o a quelli sorti in serigrafia, può eventualmente aiutare se c'è stato un impreciso piazzamento dei componenti, ma non sempre e non per tutti i componenti.
L'adozione del corretto profilo di temperatura non è funzione solo dai PCB da saldare, ma anche dal tipo di pasta saldante e dal fattore di carico, cioè da quante schede inseriamo in sequenza nel forno. Molte variabili che interessano la formazione del profilo termico sono condivise sia dai forni a convezione che da quelli vapor phase.
Il flussante, per esempio, può essere danneggiato se si superano determinate temperature o se si prolungano troppo i tempi di permanenza a alle temperature impostate. Tutti i flussanti contengono acidi, composti che iniziano a decomporsi attorno ai 150 °C, alcuni acidi organici sono comunque attivi anche se vicini ai 200 °C. All'atto della decomposizione incomincia a venir meno la loro capacità di favorire la formazione del giunto.

Composizione canonica del profilo termico
Ogni profilo termico si può pensare diviso in quattro zone canoniche: preheat, soak, reflow e cooling.

Preheat
Il tasso di incremento della temperatura nella zona di preriscaldo, detto anche slope, varia dai 2 ai 3 °C/sec; dalla temperatura ambiente si raggiungono i 100-135 °C. In questa fase se la velocità di salita della temperatura è troppo elevata, le sostanze volatili contenute nella pasta saldante potrebbero entrare in evaporazione esplosiva, disperdendo powder e solder ball sulla superficie della scheda circostante l'area dove si è manifestato l'evento. Contrariamente con un innalzamento della temperatura troppo lento si avrebbe l'effetto contrario con la non completa evaporazione. Il controllo della rampa di riscaldamento è utile anche per prevenire l'insorgere di shock termici nei componenti più delicati e sensibili, come i chip ceramici.

Soak
La zona di soak, la cui durata si aggira dai 60 ai 120 secondi, è deputata a permettere al complesso costituito da circuito stampato e componenti di raggiungere una temperatura uniforme. In questo tratto di profilo l'aumento della temperatura è decisamente moderato, la curva ha un andamento poco più che piatto. Questo tratto di profilo accompagna il pcb verso la temperatura da cui poi si innalza l'ultimo tratto che porta alla rifusione. Durante questa fase del profilo si ha l'evaporazione delle sostanze volatili e l'inizio dell'attivazione del flussante e della sua azione decappante; una temperatura troppo alta ne esaurisce anzitempo la funzione lasciando aperta la strada all'ossidazione con conseguente formazione di solder ball, spattering e mancata bagnabilità. Fondamentalmente ci sono due geometrie di profilo termico, quello con la zona di soak ad andamento pianeggiante e quella in cui la salita del profilo prosegue senza soluzione di continuità la fase di preriscaldo (che in questo caso ha un gradiente meno accentuato), assumendo un andamento più lineare e non a gradino.

Reflow
Nella zona di picco la temperatura deve poter consentire al flussante di completare la sua azione e alla lega di bagnare adeguatamente le parti da unire. Non deve essere però così elevata da causare scolorimento del circuito stampato o bruciature. Questa fase è anche definita tempo al di sopra della fase liquida (time above liquidus) ed è la fase in cui si raggiunge la massima temperatura. Una regola empirica suggerisce di impostare come limite il valore ottenuto sottraendo 5 °C dalla massima temperatura sopportata dal componente più vulnerabile. Mantenere il pcb per un tempo troppo lungo al di sopra della temperatura di fusione compromette i componenti più sensibili e provoca un accrescimento eccessivo dello strato intermetallico che rende il giunto di saldatura fragile e ne diminuisce la resistenza meccanica. Al contrario una temperatura troppo bassa o un tempo di permanenza troppo corto compromettono l'adeguata rifusione e la richiesta bagnabilità.

Cooling
Anche la zona di cooling o di raffreddamento riveste notevole importanza e non è solo l'inevitabile coda del profilo termico. Un raffreddamento veloce porta ad ottenere una granulometria fine della lega solidificata, indice di notevole resistenza alle sollecitazioni meccaniche e inibisce il proseguimento della formazione dello strato intermetallico. Una granulometria grossolana comporta una scarsa resistenza alle sollecitazioni meccaniche. C'è da notare che una discesa eccessivamente rapida della temperatura, oltre i 4 °C, riporta al problema di provocare dannosi stress meccanici sui componenti più delicati. A prima vista la misura e il controllo del raffreddamento sembrano operazioni semplici, ma in realtà sono complessi se sul pcb c'è la presenza di componenti appartenenti alla famiglia dei grid array così come componenti con grosse differenze nella loro massa termica. Ad esempio la velocità di raffreddamento tra il centro e la periferia di un BGA può variare notevolmente.
La formula

Q = h●A●t●ΔT

descrive il trasferimento di calore tanto nel caso che un corpo lo acquisti (riscaldamento) quanto che lo ceda (raffreddamento)

Q = quantità di calore trasferita (positiva per il riscaldamento, negativa per il raffreddamento)
h = capacità del materiale di assorbire o cedere calore
A = superficie del corpo
T = tempo
ΔT = differenza di temperatura tra sorgente di calore e il corpo che la riceve (o corpo che cede e ambiente che riceve)

I valori A e h sono fissi tanto per il pcb quanto per i componenti. Per vari motivi, produttività inclusa, è difficile giocare sul tempo, per cui l'unico fattore su cui poter agire è la differenza di temperatura ΔT. Nel caso del cooling una grande differenza di temperatura creerà un raffreddamento veloce e al contrario un basso delta termico darà luogo a un raffreddamento lento.

Time above liquidus
Il “time above liquidus” misura il tempo di permanenza al di sopra della temperatura di rifusione. Il flussante riduce la tensione superficiale alla congiunzione dei metalli per realizzare il legame metallurgico. Il tempo minimo richiesto è di 30 secondi, un intervallo considerato idoneo a favorire una buona bagnabilità è di 60 secondi. In linea di massima, tempi più lunghi possono portare a un aumento della fragilità del giunto per via dell'eccessiva crescita dell'intermetallico, ma 90 secondi non sono infrequenti nei casi di PCB di grosse dimensioni, dove sono presenti componenti con sostanziale diversità nella massa termica. Anche il circuito stampato e i componenti potrebbero soffrire da un'eccessiva esposizione a temperature superiori a quella di fusione, in particolare i componenti per i quali il tempo limite dato per l'esposizione alle alte temperature è piuttosto rigido. Si è notato che un tempo troppo corto espone al rischio che parti di flussante e diluente rimangano intrappolati all'interno dei giunti formando void o si formino saldature fredde con scarsa bagnabilità. La valutazione visiva di quanto la lega abbia bagnato il giunto e l'angolo formato dalla saldatura sono due criteri di giudizio indicativi nello stabilire la bontà del processo di rifusione. L'alto grado di copertura e un basso angolo di saldatura (indicativamente 75 °C o meno) sono indici di buona rifusione e di conseguenza di un giunto affidabile. A livello di cosmesi il giunto si presenta brillante e liscio (almeno con la lega SnPb).

Le caratteristiche del forno
Un forno, oltre a dare la possibilità di creare un preciso e ripetibile profilo di saldatura, dovrebbe anche consentire di ottenere il minimo (e identico) delta termico tra vari punti di una stessa scheda. Il profilo, così come l'uniformità nella distribuzione del calore, dipendono dalle caratteristiche del forno utilizzato e non solo da come si selezionano le variabili del processo. In un forno a convezione l'efficienza nel trasferimento termico deriva dalla velocità del flusso e dalla configurazione degli elementi del tunnel. Ai fini di una buona efficienza termica deve esserci lo studio della griglia dei fori d'uscita; i singoli getti devono creare un coerente rivestimento sulla scheda in transito; una copertura omogenea consente di avere un'alta velocità senza causare lo spostamento dei componenti. Inoltre il flusso convettivo deve essere quanto più possibile perpendicolare al pcb, ogni altra direzione del flusso tende semplicemente a disturbare il processo, andando a trasferire calore su altre parti del forno. Altro particolare importante è che il ritorno dell'aria o dell'azoto, esausti perché hanno colpito il pcb cedendo il loro calore, non vadano a interferire, ostacolandolo, col percorso del flusso principale che apporta calore. La dimensione dei fori d'uscita determinano il volume e la velocità del flusso di aria o azoto caldi, ma ai fini dell'efficienza del trasferimento termico è solo la velocità a giocare un ruolo rilevante. Nel momento in cui il flusso di gas in temperatura colpisce la scheda, disegna rispetto a questa un angolo di 90 °C e la sua velocità (misurata in m/sec) si azzera: in questo istante il trasferimento di calore è al suo apice. Nel momento in cui il flusso di calore diminuisce al di sotto dei 90 °C l'angolo di impatto, diminuisce la sua capacità di trasferire calore. Gli elementi riscaldanti devono invece avere una bassa inerzia termica per poter dare una risposta immediata ad ogni richiesta di fornitura di calore.

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