La più alta temperatura di processo e la più lunga durata del tempo di soak delle leghe a formulazione LF richiedono un cambiamento nella gestione della rifusione. Il tempo si soak, il picco di temperatura raggiunto, il tempo di permanenza al di sopra della fase liquida e la velocità di incremento della temperatura richiedono oggi un più stretto controllo che non in passato anche per via di una finestra di processo che si è contratta. Ci sono poi altre considerazioni che intervengono come la velocità di raffreddamento, la temperatura a cui esce la scheda dal forno e la gestione dei vapori di flussante. Per queste ragioni e per il fatto che ogni configurazione di scheda è diverso dall'altro, i vari circuiti assemblati hanno la potenzialità di essere unici e di conseguenza diventa più difficile rispetto al passato poterli correttamente processare con un unico profilo termico. È si vero che il processo di saldatura è stato ampiamente consolidato nel tempo, ma lo è altrettanto il fatto che è stato ultimamente rinnovato con l'introduzione della lega senza piombo; la saldatura vede tra le attuali variabili anche una presenza estremamente eterogenea di componenti che al 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 (l'utilizzo di 01005 è ancora pochissimo diffuso).
Indipendentemente dal tipo di componenti o dalla composizione del materiale di consumo impiegati, le schede si differenziano poi per dimensione, numero di layer e layout, che messi in relazione alle caratteristiche del forno impiegato danno vita a un complesso di variabili che richiede molta precisione per evitare che le specifiche escano da una finestra di processo estremamente ridimensionata; di conseguenza risulta difficile pretendere con un paio di profili termici di poter soddisfare una moltitudine di situazioni differenti.
SolderStar, distribuito in Italia da I-Tronik, ha creato una famiglia di profilatori per caratterizzare tanto il processo di rifusione quanto quello di saldatura a onda, dando all'operatore uno strumento semplice e intuitivo nell'uso, ma completo ed esaustivo nell'indagine tecnica e nel determinare parametri termici ottimali e i loro tempi di applicazione per i diversi prodotti.
SolderStar nella saldatura a onda
SolderStar Plus e SolderStar Pro hanno rispettivamente sei e nove canali di acquisizione dati, che vengono rilevati con un'accuratezza di +1 °C e una risoluzione di 0,02 °C. Ambedue i sistemi sono adatti per lavorare sia su saldatrici che su forni di rifusione; in particolare il modello SolderStar Pro si presta a monitorare la temperatura su componenti sensibili come per esempio i μBGA. La robusta custodia dei due datalogger ne assicura la protezione anche alle elevate temperature di rifusione delle leghe senza piombo, permettendo il continuo e corretto funzionamento.
Nell'ambito della saldatura a onda si può utilizzare una normale scheda di produzione per rilevare l'andamento delle variabili di interesse, oppure utilizzarne una scheda dedicata su cui posizionare stabilmente un insieme di sonde k opportunamente disposte o meglio ancora utilizzare uno dei due modelli di WaveShuttle appositamente studiati da SolderStar. Un menu dedicato a rilevare i profili nelle saldatrici a onda consente di scegliere se eseguire le misure con una scheda o con lo speciale pallet, senza bisogno di inserire dati supplementari. Il pallet è strutturato per garantire un'elevata ripetibilità nel controllo del processo, diventando anche un metro di misura sull'efficienza della manutenzione delle saldatrici. Costruito in materiale CDM antistatico WaveShuttle Plus è lo strumento dal costo contenuto ideale anche per chi la saldatrice non la usa quotidianamente, ma non per questo rinuncia a un accurato controllo di processo. In particolare consente di controllare la velocità del convogliatore, il dwell time, il parallelismo, la temperatura raggiunta superiormente dal substrato e la temperatura della lega nel crogiolo.
Dall'esperienza diretta è rilevato come, in funzione dell'aumentata quantità di materiale organico presente nei flussanti destinati al processo lead-free, sia aumentata la contaminazione dei pannelli radianti delle sezioni di preriscaldamento, la cui opacizzazione può provocare una diminuzione dell'efficienza con perdite anche di 25 °C durante un singolo turno di lavoro.
WaveShttle Pro costituisce il top di gamma, consente di effettuare la dettagliata analisi di tutti i principali parametri della saldatura a onda. Anche questo pallet è costruito in CDM, ma con uno spessore di ben 10 mm ed è munito di alette laterali in titanio per il trasporto. La campionatura dei contatti avviene 100 volte al secondo e il tempo è conteggiato con una precisione di + 0,01 sec. Il dwell time è registrato sia sull'onda chip che sulla principale; la temperatura al lato top è rilevata sia sul lato destro che sinistro. Oltre alla velocità del trasporto, è controllata anche l'area di contatto e il parallelismo tra PCB e convogliatore. L'utilizzo di questa famiglia di strumenti solleva l'operatore, anche se esperto, dall'onere di leggere e interpretare i dati ottenuti, come avveniva con strumenti appartenenti alla passata generazione. Particolarmente utile è la possibilità di richiamare a monitor un profilo su cui poterne comparare altri ed effettuare dei paragoni diretti.
La qualità nasce dalla conoscenza
Molti problemi relativi alla rifusione LF sono indotti da un processo che lavora al limite o al di fuori delle specifiche. Alcuni dei più comuni problemi riguardano la scarsa affidabilità del giunto di saldatura per via dell'ispessimento dello strato intermetallico (diretto risultato di una lunga esposizione alla fase liquida), separazione del filetto dalla piazzola durante la fase di cooldown, presenza di void che pregiudicano la tenuta e la bontà del giunto. Oltre a questi inconvenienti specifici, altri problemi di carattere più generale come solder ball, ponticelli e tombstoning, distorsione della scheda, possono intervenire e solo uno stretto controllo della saldatura 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 codici prodotto. Oggi non solo è richiesto un più stretto controllo termico, ma è necessario anche un maggior numero di profili termici per ottenere giunti affidabili e di qualità, assecondando contemporaneamente le esigenze di una sempre più larga fascia di componenti. Lo stretto controllo serve per evitare anche una sovraesposizione alla temperatura dei componenti più sensibili e in particolare dei più piccoli. Il Profile Central Software è la suite che costituisce la mente dei tre diversi sistemi proposti da SolderStar a copertura delle varie esigenze produttive. Software concepito secondo i più moderni criteri di utilizzo (disponibile anche in italiano), è suddiviso in vari menu dove la grafica domina come strumento di comunicazione. Questa prerogativa rende l'utilizzo e la comprensione estremamente elementari (user-friendly oriented), pur nella complessità di un'esaustiva raccolta dati e nell'analisi di ogni variabile che possa influire sul risultato finale del processo. Al fine di rendere quanto più veritiera ogni analisi, per i forni a rifusione è stata inserita la possibilità di selezionare se l'attività di saldatura sia svolta in presenza di aria o in ambiente inertizzato a base di azoto.
Nella sezione Product Manager si imposta la richiesta per il profilo adeguato ad ogni prodotto; la scelta delle impostazioni del datalogger così come per i punti di posizionamento delle termocoppie, sono memorizzati per facilitare il compito dell'operatore. La scelta della pasta saldante concorre nel definire il profilo adottabile: una vasta scelta di tipi di paste saldanti è disponibile nella Solder Paste Library, dove la selezione di un dato prodotto imposta automaticamente i limiti del processo. Accanto ai prodotti già inseriti, l'operatore può aggiungerne di nuovi, tramite un comodo wizard che guida passo a passo l'introduzione dei dati necessari. Con la stessa semplicità, dal menu Machine Library si sceglie il tipo di forno di rifusione che si possiede e su cui si desidera eseguire il profilo. Questo evita all'operatore di dover inserire tutti i dati relativi al forno su cui lavorare, eliminando il pericolo di introdurre errori o dati non appropriati all'obiettivo desiderato. Inoltre con la funzione che consente di predire il corretto profilo da impostare in base a informazioni contenute nelle librerie della pasta saldante e dei modelli di forni, si risparmia una notevole dose di tempo e di prove infruttuose.
Analisi del profilo termico
Essendo l'analisi del profilo termico il principale obiettivo di Profile Central Software, ben tre menu sono stati dedicati allo scopo: Profile Explorer and Viewer, Profile Checker e Profile Seeker. Il primo accompagna l'operatore nell'organizzare l'archivio dei profili rilevati, ognuno scrupolosamente associato al rispettivo codice prodotto. Il doppio vantaggio che ne deriva è la costruzione di un archivio storico, su cui operando con un apposito tool di ricerca si ottiene come conseguenza un efficace strumento di tracciabilità. Il comando di richiamo rintraccia nel database e mostra sul monitor il profilo desiderato su cui l'operatore può, per mezzo di quattro cursori, misurarne le variabili di suo interesse. L'elaborazione del profilo è traducibile poi in rapporti stampabili o in file da inviare via mail, opzione questa comune a tutti i menu. Il secondo menu, partendo dal profilo rilevato, calcola i parametri di processo di interesse, li associa automaticamente con quelli della pasta saldante utilizzata e come risultato evidenzia graficamente se e quanto si è all'interno della finestra di processo definita.
In passato si spendeva molto tempo nel correlare la velocità di trasporto con i valori di temperatura impostati nelle varie zone al fine di ottenere il profilo desiderato. Profile Seeker è lo strumento di simulazione fuori linea che permette di formulare le varie ipotesi di associazione dei parametri di velocità e di temperatura, senza la necessità di far fisicamente transitare nessuna scheda all'interno del forno. È lo strumento virtuale che consente all'operatore di capire se, agendo su una data variabile (meglio operare un cambiamento alla volta per una maggior chiarezza di comprensione), il processo migliora o peggiora. Con questo strumento si esegue un lavoro di studio a computer, senza dover tenere il forno a disposizione per le prove.
Un'importante innovazione è costituita dalla funzione di “trigger” che abilita il campionamento dei dati, cioè le loro raccolta sequenziale, solo quando viene rilevata una temperatura preimpostata. Al lato pratico la raccolta dati non inizia all'accensione del datalogger, che avviene usualmente quando lo si pone sulla maglia (o sulla catena) all'ingresso del forno, ma quando il sensore di trigger rileva la temperatura di “start”, usualmente impostata al valore di 80 °C. Questa temperatura è indicativa dell'ingresso nella prima zona calda del forno. Si evita così da un lato di registrare dati insignificanti agli effetti dello studio del profilo, ma dall'altro si ottiene un tracciato termico che ricalca precisamente e realisticamente il susseguirsi delle zone di lavoro.
Il Test Report consente di avere il quadro d'insieme di tutte le informazioni relative a quanto avviene sulla scheda all'interno del processo di saldatura. Sotto forma grafica e numerica sono riportate le impostazioni in temperatura del sistema, l'andamento del profilo termico correlato con dovizia di particolari sui tempi e le temperatura, informazioni sul processo riferite ai suoi limiti e altro ancora.
Stabiliti tempi, temperature e velocità a cui lavorare, bisogna poi sincerarsi che queste impostazioni vengano rispettate e mantenute nel tempo; attraverso il menu SPC Manager si esegue un controllo statistico del processo che è reso comprensibile all'operatore a mezzo delle comuni carte statistiche e col calcolo automatico dei valori Cp e Cpk.
Nella suite software è incluso anche un tool per la valutazione del processo di saldatura a onda che, organizzato similmente a quello dei menu dedicati ai forni, facilita l'acquisizione e la comprensione delle principali variabili che caratterizzano il processo di saldatura TH, sia che si usi l'onda singola che la doppia onda.
Entry level, ma versatile e funzionale
SolderSta Lite è il modello che per costo di investimento può definirsi lo strumento entry level, pur incentrandosi sulla tecnologia della famiglia SolderStar. Il datalogger ha quattro canali di ingresso per altrettante sonde K e può memorizzare oltre 65.000 punti campionando a una velocità selezionabile tra 0,1 secondi e 10 minuti. Si può tranquillamente utilizzare anche nelle applicazioni lead-free grazie all'ampio range di misura della temperatura che varia da -150 °C a 500 °C.
Le tipiche applicazioni per cui è consigliato sono la rifusione in vapor phase, il processo di polimerizzazione della colla e la rifusione di schede non particolarmente complesse (il suo limite consiste nell'avere solo 4 canali) o in quelle linee di produzione per bassi volumi. L'utilizzo di questo strumento è indicato sia nelle aziende di piccole dimensioni che come secondo strumento presso chi, avendo più linee, deve controllare che il processo non subisca derive nel tempo.
