Saldatura reflow

FORNI E PROFILI TERMICI –

Nel contesto produttivo attuale è quanto mai indispensabile poter assicurare l’esecuzione del processo di saldatura con parametri particolarmente calzanti rispetto alla produzione in atto.

Molti problemi relativi alla rifusione sono dovuti a un processo che lavora al limite delle specifiche. La più alta temperatura di processo e la più lunga durata del tempo di soak delle leghe a formulazione LF richiedono un accurato studio del profilo termico più indicato per ogni tipo di pcb.
Il tempo di soak, il picco di temperatura raggiunto, il tempo di permanenza al di sopra della fase liquida e la velocità di incremento della temperatura richiedono uno stretto controllo per via della finestra di processo meno ampia rispetto al passato. La saldatura per rifusione è un processo ampiamente consolidato nel tempo, ma l’introduzione della lega senza piombo qualche problema l’ha creato.
Ci sono poi altri fattori a cui prestare attenzione, come la velocità di raffreddamento, la temperatura a cui esce la scheda dal forno e la gestione dei vapori di flussante. Tra le attuali variabili va considerata anche una presenza estremamente eterogenea di componenti che, a fianco degli ormai tradizionali QFP o PLCC, ha visto crescere l’utilizzo di QFN, BGA e μBGA tra i componenti attivi e degli 0201 tra i chip. Per queste ragioni e per il fatto che ogni configurazione di scheda è diverso dall’altro, i vari pcb rasentano l’unicità e talvolta diventa difficile poterli correttamente processare con un unico profilo termico. Indipendentemente dal tipo di componenti, le schede si differenziano poi per dimensione, numero di layer e layout. Prese tutte le variabili e messe in relazione con le caratteristiche del forno impiegato si da vita a un sistema complesso che richiede molta precisione per evitare che le specifiche di processo escano da una finestra piuttosto limitata. Per questa ragione può risultare difficile coprire con un paio di profili termici un’ampia gamma di casistiche differenti.

La saldatura per rifusione
L’obiettivo del processo di saldatura è quello di formare uno strato intermetallico tra la lega di apporto e la metallizzazione delle piazzole del circuito stampato, tra la lega e la metallizzazione dei terminali del componente. È solo l’intermetallico che, se correttamente formato, conferisce al giunto le sue caratteristiche di resistenza meccanica e di conduzione elettrica. Per una corretta riuscita del giunto si rende necessario lo studio del profilo termico più confacente sia al forno utilizzato sia al pcb che si vuole saldare e alla pasta saldante che si vuole utilizzare. Le fasi di pre-heat, soak, reflow e cooling che compongono il profilo, per durata e gradiente, dipendono dal pcb, dai componenti e dal tipo di pasta utilizzata. La variazione in dimensione e geometria dei componenti e il cambio di lega nelle paste saldanti hanno richiesto la modifica dei profili termici che, comunque li definisca, hanno in comune una rampa di salita, una permanenza al di sopra dello stato liquido e una rampa di discesa. Che poi la temperatura prima della rifusione sia in continua salita o mantenga un andamento più o meno costante per un certo intervallo di tempo, non ha grande importanza. L’importante è che vengano controllate esattamente le temperature e i tempi, così come i gradienti termici di salita e discesa.

Conoscere il proprio processo
Un processo che lavora al limite o al di fuori delle specifiche può generare molti problemi, indipendentemente che si tratti di serigrafia o di saldatura. Per quanto riguarda la rifusione, alcuni dei più comuni problemi riguardano la scarsa affidabilità del giunto, o per via dell’ispessimento dello strato intermetallico dovuto a una prolungata permanenza nella fase liquida, o per la separazione del filetto dalla piazzola durante la fase di cooldown, piuttosto che per la presenza di void che pregiudicano la tenuta e la bontà del giunto. A questi inconvenienti specifici, possono affiancarsi altri problemi di carattere più generale come la formazione di solder ball, di ponticelli e tombstoning o la distorsione della scheda. Solo uno stretto controllo del processo di rifusione può evitarli. La lega eutettica SnPb non solo aveva una temperatura di rifusione più bassa, ma poteva usufruire di una finestra di processo decisamente più ampia, motivo per cui molte aziende potevano, con solo due profili, rifondere un significativo numero di pcb differenti. Oggi non solo è richiesto un più stretto controllo termico, ma è a volte necessario disporre di più profili termici per ottenere giunti affidabili e di qualità, considerando che uno stretto controllo serve anche per evitare una sovraesposizione alla temperatura dei componenti più sensibili e in particolare dei più piccoli. Tanto la rampa che porta alla rifusione quanto quella di raffreddamento saranno meglio caratterizzate e mantenute se il forno possiede una serie di peculiarità tecniche di alto livello tecnologico.

Efficienza nel trasferimento termico
L’efficienza del trasferimento termico di un forno di rifusione per convezione è funzione di variabili quali il volume del flusso trasferito in direzione del pcb, la velocità del getto, la configurazione del forno e in particolare dei suoi elementi riscaldanti. L’efficienza nel trasferimento termico è in funzione di come avviene l’impatto del fluido, dal volume del flusso e dalla sua velocità L’accurato controllo del flusso e della sua temperatura è una garanzia della ripetibilità del profilo nel tempo così come della capacità di mantenere un’uniforme distribuzione della temperatura sul pcb in transito nel tunnel del forno. In un forno a convezione è decisamente importante la corretta progettazione della geometria della matrice di aperture, dove si origina il flusso convettivo, per avere un elevato livello di efficienza nel trasferimento termico. E’ rilevante notare che è la velocità del flusso e non il volume a determinare il trasferimento termico. La dimensione del flusso, quando messo in rapporto con la distanza da cui ha origine, determina l’angolo d’impatto, ma determina anche il volume di gas e la velocità con cui viaggia in direzione della superficie del pcb. La combinazione di queste variabili determina la bontà del flusso. Il trasferimento termico è massimo quando la velocità d’impatto è perpendicolare alla scheda e diminuisce quando l’angolo d’impatto diventa inferiore a 90°. Il volume del flusso utile è solo quello che colpisce la scheda col massimo grado di trasferimento termico, un eventuale eccesso avrebbe l’effetto contrario di creare turbolenza andando a scaldare le pareti del forno.

Tratti somatici generali di un forno a convezione
Il numero e la lunghezza delle zone in cui è suddiviso il tunnel caratterizzano il forno. Ogni zona comprende elementi riscaldanti e una turbina di mandata dell’aria o dell’azoto. L’avere una bassa massa e un’ampia superficie riscaldante è garanzia di una veloce risposta. Usualmente nelle prime e nelle ultime zone (sia top sia bottom) si utilizzano elementi riscaldanti a maggior potenza, mentre nelle intermedie si utilizzano elementi meno potenti. Le zone di ingresso devono imprimere un buon innalzamento di temperatura al pcb che arriva a temperatura ambiente, mentre le zone di rifusione devono portare allo stato liquido la pasta saldante; le intermedie sono di mantenimento, devono consentire l’evaporazione delle parti volatili e l’attivazione degli agenti decappanti. La temperatura arriva a un massimo di 350 °C
All’interno di ogni zona è studiato un percorso che lateralmente alla direzione di transito del pcb recupera il gas rimandandolo in circolo attraverso l’elemento riscaldante, per migliorare l’uniformità della temperatura e la ripetibilità del processo. C’è un isolamento in temperatura tra zone contigue per evitare che s’influenzino reciprocamente; nella progettazione del forno ci si cura anche che il delta termico trasversale alla direzione di trasporto sia mantenuto il più basso possibile, nei forni di fascia alta il ΔT della zona di rifusione viene mantenuto all’interno di ±2 °C. Il controllo della temperatura avviene con sistema PID in ognuna delle zone top e bottom, con un’accuratezza attorno ai ±5 °C (misurati in assenza di carico). La velocità del convogliatore varia mediamente da un minimo di 300 mm/min a un massimo di 1500 mm/min. Nel caso di un trasporto a maglia, la larghezza del tappeto è tra i 450 e i 500 mm. Nel trasporto a catena la distanza spazia tra i 50 e i 500 mm. In un forno con controllo di processo a loop chiuso è possibile pilotare la velocità di rotazione delle ventole all’interno degli elementi riscaldanti, controllando così il flusso convettivo. La zona di cooling è usualmente singola sia top sia bottom, ma con la possibilità di essere a loop chiuso per meglio programmare i gradienti di raffreddamento. Tutti i forni sono ormai dotati di sistema di flux management per la cattura del flussante presente nel tunnel e prevenirne il deposito sulle pareti del tunnel.

L’importanza del cooling
Dall’esperienza con la lega SnPb si sa che il materiale metallico con granulometria grossolana ha usualmente una resistenza meccanica inferiore rispetto a uno con granulometria fine, in particolare se è di tipo anisotropo (cioè se le sue caratteristiche fisiche – conducibilità elettrica e termica – o il suo comportamento meccanico differiscono in direzione longitudinale e trasversale). Da questa considerazione nasce la richiesta di avere un raffreddamento veloce così da ottenere una granulometria fine (IPC-JEDEC J-STD-020D e 020E limitano la velocità di raffreddamento a 6 °C/sec). Di conseguenza, uno degli aspetti del profilo termico che sta ricevendo maggiore attenzione è proprio il gradiente termico di raffreddamento. Alcuni studi hanno appurato che la forza di taglio della lega SAC è leggermente inferiore rispetto a quella della lega eutettica SnPb e che la fine granulometria del metallo, ottenuta inducendo il suo veloce raffreddamento, può recuperare parte di questa forza.
D’altro canto i BGA di grosse dimensioni richiedono al contrario un tempo di raffreddamento piuttosto lento. Sembra che l’utilizzo della SAC abbia reso fragili le ball per cui la differenza che si ottiene dalla diversa contrazione tra il circuito stampato e il BGA sviluppa, durante il raffreddamento, uno stress che si rivela dannoso per le saldature del componente. Limitando la pendenza della rampa di discesa della temperatura si allevia questo stress. Il problema si estende a quei pcb fortemente popolati con masse non omogenee. Il dilemma che si pone a questo punto è tra l’avere un veloce raffreddamento che permetta di ottenere una granulometria fine garanzia di un’elevata tenuta meccanica e l’adottare una bassa velocità di raffreddamento che minimizzi lo stress. Non c’è una regola guida che definisca univocamente una soluzione, l’esperienza la conoscenza e il buon senso sono le uniche direttrici su cui pianificare l’intero profilo termico. Si opterà per un cooling veloce se sul pcb ci sono solo componenti di piccole dimensioni, a diminuire in funzione del numero e del tipo di componenti di grosse dimensioni presenti. In ogni processo di cessione del calore ci sono due regole di fisica che intervengono sempre e in ogni caso, che calate nel contesto in cui si trova il pcb in saldatura si possono enunciare come:
1)    se la temperatura dell’ambiente in cui si trova il pcb gli è superiore, questo inizierà a scaldarsi; allo stesso modo se la temperatura dell’ambiente è inferiore a quella del pcb questo inizierà a raffreddarsi
2)    maggiore è la differenza di temperatura tra ambiente e pcb (Δ termico), maggiore sarà la velocità con cui il pcb cambierà la sua temperatura (sia in salita che in discesa)
Da un punto di vista operativo un cooling veloce richiede la presenza di una barriera termica tra zona di rifusione e zona di raffreddamento, una veloce convezione di aria fredda e un efficiente sistema di raffreddamento dell’unità di cooling.
La barriera tra zona di rifusione e zona di cooling serve a mantenere ben separate la zona di massima temperatura e la zona fredda, per creare il massimo differenziale termico tra le due zone contigue. Indipendentemente che il forno possegga un sistema di cooling efficiente, l’utilizzo di un chiller aiuterà ad avere un raffreddamento più veloce. Rimane comunque importante avere di base una veloce convezione di aria fredda perché questo consente di rimuovere quell’aria che si è scaldata a contatto con la schede per poterla sostituire con della nuova, mantenendo così il massimo differenziale di temperatura. In questo, come detto, gioca un ruolo primario la bontà dei getti che quando ben calibrati contribuiscono enormemente nel dare efficienza al sistema.

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