Soluzioni per la saldatura manuale

SALDATURA MANUALE –

La potenza del saldatore non è l’unica variabile coinvolta nel processo di saldatura manuale, sul risultato finale incidono la dimensione e la geometria della punta, ma anche la tecnologia costruttiva del saldatore.


L'
operazione di saldatura manuale si presenta spesso più problematica rispetto al processo automatico perché il risultato è vincolato alle capacità dell'operatore.
L'esperienza di questi ultimi anni ha ormai confermato a tutti la difficoltà nell'utilizzo delle leghe senza piombo per via della scarsa fluidità nel bagnare adeguatamente le parti da saldare, dovuta in parte alla maggiore tensione superficiale e alla minore densità che caratterizza queste famiglie di lega, anche se la pratica quotidiana  dimostra che la scelta della lega tipo Sn100 rispetto a una SAC, assicura una migliore bagnabilità in termini di velocità e distribuzione.
Nell'intento di alleviare alcuni di questi problemi, i produttori di materiali hanno aumentato la quantità di flussante all'interno del filo di saldatura o ne hanno potenziato l'attività (aumento della capacità decappante); generalmente, per ottenere una buona efficienza, è richiesta una presenza in peso attorno al 2-3% contro 1-2% utilizzato nelle leghe a base di piombo.
Questa variazione si riflette sulla cosmesi finale del giunto di saldatura, dove si riscontra una maggiore quantità di residuo, ma in molte applicazioni questo è di secondaria importanza rispetto alla necessità di avere un giunto di saldatura elettricamente e meccanicamente affidabile.
Tanto nella fase di saldatura tanto in quella di controllo, l'istruzione del personale è una parte fondamentale del processo al fine di contenere i costi e raggiungere buoni livelli qualitativi, evitando frustranti esperienze.
Tra le caratteristiche operative osservabili nell'utilizzo delle leghe senza piombo risalta la diversa fluidità, che incide sulla bagnabilità; a livello di cosmesi del giunto, la sua geometria appare a volte più grossolana, con maggiore massa, un menisco dall'angolo piuttosto aperto e la superficie granulosa. La temperatura richiesta è decisamente elevata  e costituisce un aggravio di difficoltà se si è in presenza di notevoli masse termiche. 

Ewig, l'esperienza italiana
Anni di esperienza maturata progettando e realizzando saldatori, ha consentito a Ewig (brand commerciale di Elettrotermica Italiana) di velocizzare l'acquisizione di know how sull'utilizzo delle leghe lead free nella saldatura manuale, calibrando la potenza richiesta all'ergonomia dello stilo e alle procedure di come utilizzare al meglio il saldatore per ridurre al minimo l'usura delle punte. In realtà non esiste un'unica formula universalmente valida, ma una somma di consigli e raccomandazioni che scaturiscono dalle osservazioni sul campo, in relazione al tipo di saldatore impiegato, ai PCB su cui si sta operando e naturalmente alla lega e al flussante con cui si lavora.
Innanzitutto c'è la scelta della stazione di saldatura che deve possedere l'adeguata potenza per saldare continuativamente senza che intervengano cadute termiche sulle punte, causa di saldature fredde. Particolare attenzione va posta anche nella scelta delle punte, che devono possedere un buon rivestimento protettivo che ne assicuri la durata nel tempo. Dove coesistono lavorazioni con leghe SnPb e LF è buona norma identificare chiaramente la destinazione d'uso delle diverse stazioni saldanti, per evitare che vengano accidentalmente interscambiate nell'uso quotidiano, anche le punte devono essere chiaramente identificabili, per via del diverso rivestimento protettivo.
Ewig dispone di una linea completa di saldatori e stazioni saldanti LF creati per dare una mirata risposta tecnica a ogni esigenza che si possa presentare nel quotidiano di ogni azienda. Black, Rapid e Power costituiscono le tre soluzioni professionali per l'assemblaggio elettronico rispettivamente per piccole e medie saldature di precisione, dove è richiesta la doppia potenza e dove è richiesta la regolazione continua della temperatura. All'interno di ogni linea sono disponibili varie potenze d'esercizio, con temperature che nel modello Power arrivano a 500 °C. L'elemento attivo è costituito da una resistenza monotubolare corazzata in acciaio inox. Tutti i modelli si contraddistinguono nel possedere una linea ergonomicamente compatta, con impugnatura in nylon-vetro piacevole al tatto, peso ridotto, ma soprattutto emerge l'elevata funzionalità nell'impiego in aree di difficile accesso grazie anche alla semplicità dei comandi e alla geometria dell'impugnatura che evita un fastidioso ritorno di calore sulla mano dell'operatore che potrebbe inficiare sulla concentrazione nel lavoro e sulla produttività.

Punte long life
Quando l'operatore preleva il saldatore dal suo supporto ed esegue la prima saldatura lavora a una temperatura leggermente superiore rispetto alla seconda, che decade per via della perdita subita durante il primo trasferimento termico. Le punte long-life di ultima generazione hanno una buona efficienza per via della massa termica ridotta che permette maggiore velocità nel reagire alle cadute di temperatura che intervengono nell'esecuzione continua di più saldature; per la stessa ragione i tempi di riscaldamento sono alquanto ridotti, motivo che accomunato alla  trascurabile caduta di potenza in fase di lavoro rende questi saldatori adatti a prolungate fasi di utilizzo.
Lo stretto controllo della temperatura è un requisito irrinunciabile nel processo di saldatura manuale e costituisce la pietra angolare su cui poggia lo sviluppo di ogni progetto Ewig. Molti saldatori utilizzano il riscaldatore integrato nella punta, quando questa è usurata si è costretti a gettare il tutto sebbene l'elemento riscaldante abbia ancora una vita residua di molti mesi o di anni. Ewig ha risolto di inserire l'elemento riscaldante direttamente nello stilo, mettendolo a diretto contatto con la punta così che non ci siano dispersioni di calore e sia garantita la massima resa termica. Questa soluzione è tecnicamente funzionale, e consente di avere interessanti vantaggi da un punto di vista economico, abbattendo i costi operativi. Le caratteristiche costruttive della punta, opportunamente trattata perché possa lungamente resistere all'azione corrosiva delle leghe senza piombo, ne fanno un ottimo conduttore termico, capace di trasferire il flusso di calore generato dall'elemento riscaldante, direttamente  sul giunto di saldatura in lavorazione.
Sebbene tutti i saldatori Ewig utilizzino punte long life, si consiglia, come temperatura di esercizio della punta, di impostare un valore attorno ai 370 °C, in ogni caso è bene non superare i 420 °C. Altra precauzione da adottare è quella di mantenere sempre ben bagnata con la lega liquida la punta del saldatore, sia nel caso si stia saldando (la lega liquida costituisce un ponte che facilita il passaggio termico) che nel caso si riponga lo stilo nel proprio supporto.
Utilizzare la geometria della punta che, compatibilmente con la dimensione della piazzola e del componente in gioco, possa garantire la massima superficie di contatto, questo per un ottimale trasferimento termico e naturalmente utilizzare solo le punte appositamente studiate e realizzate per le leghe senza piombo. Eseguire la manutenzione delle punte almeno due volte al giorno, di preferenza all'inizio del turno e alla ripresa del lavoro dopo la pausa pranzo; allo scopo utilizzare sempre il preparato consigliato dal fornitore del filo per essere sicuri sulla compatibilità dei prodotti.
L'esperienza consiglia inoltre di evitare quanto più possibile prolungati tempi di contatto; il risultato è più agevolmente raggiunto scegliendo il tipo di flussante idoneo alle saldature da eseguire e assicurandosi preventivamente sulla buona saldabilità delle piazzole e dei terminali. La quantità minima di flussante contenuta nell'anima del filo deve essere almeno il 2%, una bassa percentuale lascia sicuramente i giunti puliti, ma non sempre è sufficiente a portare a termine correttamente  la saldatura.

La linea Star
Ewig dispone di stazioni di controllo dedicate per sfruttare al meglio la potenza e le prestazioni di ogni singolo saldatore o dissaldatore. Ogni stazione è munita di display che può digitare sia la temperatura impostata che quella effettivamente raggiunta. Particolare cura è stata messa nel minimizzare le dimensione di ingombro delle stazioni di controllo, realizzate a norma ESD e impilabili tra loro, per non perdere spazio utile sui  banchi di lavoro.
Tra le varie stazioni saldanti della serie Star  il modello G8 eroga una potenza di 80 W e raggiunge la temperatura di lavoro, programmabile tra 150 e 480 °C, in meno di dieci secondi. Il supporto dello stilo è munito di estrattore e predisposto per ospitare fino a cinque punte.
Tra le altre soluzioni proposte, tutte parimenti funzionali, due sono quelle che attirano particolare attenzione: la stazione multifunzionale SDC e il sistema di rework semiautomatico MGN. SDC è la stazione multifunzionale digitale capace di pilotare in contemporanea, ma indipendentemente uno dall'altro, ben quattro utensili. Dispone di un manipolatore per il piazzamento dei componenti a montaggio superficiale, di un microsaldatore da 20 Watt, un saldatore ad aria calda da 80 Watt e un dissaldatore da 80 Watt. La stazione è progettata per mantenere organizzato e integrato il posto di lavoro occupando uno spazio molto limitato. Tre distinti display possono indicare sia la temperatura impostata che quella effettivamente raggiunta dai tre utensili di saldatura e di dissaldatura.
MGN è il sistema di rework semi-automatico per circuiti integrati a tecnologia superficiale e per BGA, dove alla potenza del cannello ad aria calda si associa quella prodotta dal generatore IR posizionato sul lato bottom. La precisione meccanica del carrello di posizionamento, la perfetta ortogonalità del flusso di aria calda rispetto alla scheda in lavorazione e il controllo di temperatura a microprocessore, garantiscono la ripetibilità delle operazioni e l'uniformità dei risultati.

Come saldare secondo Ewig
La stazione saldante dovrebbe erogare una potenza attorno agli 80 W, mentre la temperatura operativa dovrebbe essere compresa tra 370 °C e 385 °C. Queste condizioni sono il presupposto per  un efficace trasmissione del calore, prevenendo una caduta di temperatura durante la fase di saldatura, che rallenta l'operazione di saldatura stessa ed è potenziale causa di formazione di giunti freddi o incompleti. Ovviamente la scheda e  il componente devono essere portati alla temperatura  per permettere la formazione di un buon giunto (che deve essere superiore al punto di fusione della lega). Se serve una temperatura più elevata per via della presenza di grosse masse termiche, è buona norma la ricerca del valore minimo all'interno della finestra di processo richiesta, tornando poi ai valori normali appena possibile.
Per ottenere un più efficiente trasferimento di calore dal saldatore al giunto in lavorazione, non è necessario aumentare la temperatura oltre i 400 °C, perché la vita della maggior parte delle punte per lead free si riduce drasticamente; è meglio creare un piccolo ponte con la lega in fusione che favorisca il passaggio di calore tra la punta e il complesso piazzola/componente. Un'elevata temperatura induce anche il rischio che il componente possa essere danneggiato, e la piazzola delaminata dal substrato. È buona norma spegnere la stazione saldante durante le pause e ogni qualvolta  non è necessario l'utilizzo.
Il trasferimento termico è proporzionale all'area di contatto tra la punta e il giunto, maggiore è la sezione del condotto e maggiore è il flusso di calore che vi transita per cui una delle più efficaci soluzioni è l'adozione,  dove possibile,  di una punta di grosse dimensioni che consenta di aumentare l'area di interfaccia con il giunto da saldare. Le dimensionali dei componenti coinvolti restringono la possibilità di utilizzare determinate punte e la ricerca del compromesso è d'obbligo, ma  l'esperienza dimostra che la punta a taglio produce migliori risultati che non la puntiforme, la cui geometria fatica a trasferire calore contemporaneamente alla scheda e al componente. Durante la saldatura non esercitare un'eccessiva pressione sulla punta e nemmeno strofinarla contro le parti da saldare perché non è l'azione meccanica, ma la superficie di contatto che aiuta il trasferimento termico. La frizione meccanica ha come unico risultato di deteriorare la protezione della punta, accorciandone la vita; molto meglio sfruttare la quantità di lega fusa depositata sulla punta come stratagemma per aumentare la superficie di contatto.
L'esperienza insegna che ponendo la punta del saldatore a contatto con componente e piazzola prima che il flussante fuoriesca dal filo (e lo stesso cominci a fondere), si ottiene un effetto di preriscaldamento; è un aiuto in tutti quei casi di elevata massa termica, come per esempio sulle schede multilayer o dove le piazzole sono collegate con i piani di massa, ma non sempre questo sistema funziona.  In ogni caso bisogna fare attenzione a non indugiare troppo a lungo, pena la delaminazione della piazzola o il danneggiamento del componente. Per avere un buon livello di preriscaldo, dagli 80 °C ai 100 °C,  si ricorre allora all'utilizzo di moduli IR o a convezione d'aria, posizionati sotto la scheda. Questo accorgimento risulta molto utile anche nel caso si debba semplicemente dissaldare il componente, pur avendo avuto cura di attuare anche tutti gli accorgimenti precedentemente descritti. A volte può risultare utile aggiungere dell'ulteriore flussante per facilitare l'operazione di saldatura;  un'attenta selezione del flussante utilizzato è altrettanto utile quanto la determinazione della sua corretta quantità. Il flussante non deve inondare la scheda e i componenti, ma essere applicato localmente, e con moderazione, solo dove serve la sua azione. Le prove dovrebbero partire da un flussante tipo ROL 0, ROL 1, REL 0 o REL 1 (normativa IPC). che sono a bassa attività e di conseguenza non inducono problemi di isolamento superficiale o di corrosione (flussanti no-clean). Il ricorso a un flussante più aggressivo è sconsigliato, a meno che la scheda non debba essere lavata.

La manutenzione delle punte
La superficie della punta deve essere tenuta nelle migliori condizioni operative possibili; la parte terminale deve essere facilmente bagnabile dalla lega in fusione, che la deve rivestire con uno strato uniforme, esente da scorie e da residui di flussante cristallizzato. L'accumulo di incrostazioni di flussante (che appare nero o brunastro) agisce da isolante, riducendo l'efficienza del trasferimento termico, ma va anche notato che alcune scaglie possono finire intrappolate nel giunto. Quando durante l'uso la punta appare sporca, per esempio per l'accumulo di flussante cristallizzato, si consiglia di ripulirla utilizzando l'apposita spugnetta o la paglietta e aver cura di ritornare a coprirla di lega prima di riporre lo stilo sulla sua base, perché la superficie deve sempre essere protetta da un velo di lega per evitare corrosione e deterioramento. Per mantenere pulita la punta è caldamente consigliato di utilizzare l'appropriato composto a base di polveri e flussante che il fornitore di filo normalmente offre allo scopo. Per prevenire sia la formazione di uno strato barriera di ossido sia l'insorgere di uno strato intermetallico ugualmente dannoso, la punta deve essere pulita sull'apposita spugna e quindi passata delicatamente sul powder di pulizia. Dato che il flussante contenuto è particolarmente forte, è bene pulire nuovamente la punta sulla spugna, per poi ritornare a stagnarla col filo normalmente utilizzato. Queste operazioni possono essere ripetute più volte fino a ottenere una stagnatura uniforme della punta. Questa procedura mette al riparo dalla crescita veloce di uno strato barriera che ostacola la propagazione del calore. Si  sconsiglia caldamente il ricorso all'uso di carta abrasiva, che distruggerebbe il sottile strato protettivo di ferro con cui il cuore in rame della punta è rivestito per resistere all'azione corrosiva dello stagno.
Per inumidire la spugnetta è meglio non utilizzare acqua di rete, che potrebbe contenere eccessive dosi di calcare, che verrebbe poi depositato sulla punta; si consiglia acqua distillata o demineralizzata. La spugnetta deve essere solo leggermente imbevuta perché una quantità eccessiva di acqua comporta una perdita di calore sulla punta.

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