Lo sviluppo di un processo di rifusione efficace e controllato impatta notevolmente sulla formazione dei giunti e sulla qualità finale della scheda. Un processo di questo tipo può essere raggiunto soltanto grazie allo studio di come i parametri critici portano al sorgere di difetti, alla comprensione dell’interrelazione tra i componenti, la pasta, il flussante e il materiale della scheda. Le problematiche principali dell’elettronica attuale riguardano il processo lead-free, principalmente negli aspetti che coinvolgono la logistica, i costi, la selezione dei materiali e dei sistemi coinvolti. Le maggiori sfide odierne in ambito produttivo sono strettamente legate ai costanti cambiamenti nel tipo di materiali, uniti allo costante sforzo per minimizzare i costi, alla ricerca di materiali economici ma funzionali. Un’altra problematica è quella della complessità delle schede: continuano ad aumentare gli strati e lo spessore, e questo comporta sfide maggiori per il processo di saldatura selettiva, a onda e a rifusione. Il risultato di quanto sopra detto è una situazione nella quale i materiali sono spinti al limite delle rispettive specifiche in termini di esposizione alle alte temperature per periodi prolungati.
Una strada obbligata
Il passaggio al lead-free, unito alla crescente complessità dei materiali, porta alla necessità di soluzioni innovative che consentano all’operatore di sviluppare un processo di saldatura ottimale, che minimizzi le inefficienze e garantisca una qualità al first pass. I parametri critici di qualsiasi processo a rifusione lead-free o stagno-piombo possono essere suddivisi in diverse categorie tra cui performance termiche, tracciabilità, flessibilità dell’atmosfera inerte, ottimizzazione del tasso di raffreddamento, gestione del flusso e operatività dei sistemi. I valori di riferimento che caratterizzano questi parametri includono l’uniformità termica lungo la zona di riscaldo, l’efficienza termica, la ripetibilità del processo a vuoto e – in condizioni di pieno carico a livello 6 sigma – il livello di parti per milione di ossigeno, la stabilità e la tracciabilità di processo. L’obiettivo di questo studio è di identificare specifici parametri di processo e di quantificare la relazione tra le impostazioni di processo e la conseguente qualità dei giunti. I moderni forni a rifusione, dotati di convezione forzata, sono concepiti per controllare il processo di riscaldo con grande uniformità e stabilità; esistono altri due parametri che influenzano la flessibilità di processo: questi sono il tasso di raffreddamento e l’atmosfera di saldatura. Questo studio riassume l’impatto del tasso di raffreddamento e dei livelli di ppm di ossigeno sulla formazione dei giunti e sulla qualità. Il sistema di raffreddamento di solito influenza la temperatura di uscita della scheda e l’handling che segue la fase di rifusione. Nelle applicazioni lead-free, la temperatura di processo più alta potrebbe richiedere un tasso di raffreddamento maggiore per compensare le temperature di uscita. I benefici derivanti da tassi di raffreddamento più elevati includono temperature di uscita più basse, una riduzione del tempo di esposizione della scheda ad alte temperature, la finitura della scheda stessa, i componenti sensibili al calore, il flussante e la pasta saldante, e minimizza la formazione di un legame intermetallico disomogeneo. Tuttavia, tassi di raffreddamento più bassi minimizzano lo stress interno delle schede dovuto alle differenze nel coefficiente di espansione termica o della capacità termica dei vari materiali. Al fine di stabilire il tasso di raffreddamento ottimale si è fatto riferimento allo standard IPC/JEDEC 020C per definire il livello accettabile per il tasso di raffreddamento. Questo standard elenca una lista che va dai 2 ai 6 gradi/secondo come limite per il tasso di raffreddamento. Sulla base di questo parametro è stato condotto un esperimento per valutare la formazione dei giunti e la performance. Questo studio ha selezionato diversi tassi di raffreddamento di valore pari e superiore al limite definito dallo standard IPC/JEDEC. Dai risultati emersi è stato possibile fare le seguenti osservazioni:
- non sono stati riscontrati difetti visibili sull’intera superficie della scheda indipendentemente dal tasso di raffreddamento;
- una buona formazione dei giunti è stata osservata su tutti i componenti;
- è stato riscontrato un cambiamento nella formazione dei legami intermetallici;
- è stata osservata una parabola delle performance dei giunti in funzione dei cicli termali.
La performance dei giunti in funzione del tasso di raffreddamento è misurata attraverso la valutazione della resistenza dei giunti. Il risultato evidenzia che la formazione dei giunti è influenzata dal tasso di raffreddamento: mentre un rapido raffreddamento porta a performance migliori, questo trend raggiunge il picco massimo verso i – 4,5 gradi/secondo, dopodiché il trend diminuisce. Come precedentemente detto, le schede possono essere di vario spessore e complessità, possono contenere un ampio mix di componenti caratterizzati da tassi di raffreddamento che eccedono il limite specifico. Questo scenario offre una visione preliminare sul potenziale impatto che quanto sopra potrebbe avere sulle performance attese. Benché l’operatore non possa essere in grado di riconoscere visivamente il difetto, potrebbero comunque esserci problemi sul campo. Per questo motivo i parametri di controllo devono mantenere il tasso di raffreddamento entro una certa finestra. L’atmosfera di saldatura è potenzialmente in grado di influenzare la qualità di saldatura di una data scheda elettronica. Le diverse variabili di atmosfera, unite ai diversi tipi di materiali utilizzati, possono portare all’ampliamento o alla riduzione dell’effettiva finestra di processo. Un’atmosfera di saldatura a base di azoto è utilizzata sia per proteggere la superficie metallica dall’ossidazione, sia per minimizzare la reazioni avverse in presenza di flussante. È a causa di questi due fattori che l’azoto amplia l’effettiva finestra di processo.
Purtroppo, definire le condizioni atmosferiche ottimali di azoto non è così semplice: i costi e la disponibilità ne limitano il consumo desiderato. Come risultato di ciò, l’operatore è portato a variare il livello della purezza dell’azoto. Il delicato equilibrio tra costo e qualità finale dei giunti è un fattore considerevole, che porta a ricercare nuove soluzioni per il controllo di processo. Le ricerche in questo ambito evidenziano che la variazione dell’atmosfera mediante l’aumento dei livelli ppm di ossigeno impatta sulla formazione dei giunti sia dal punto di vista dell’aspetto che della robustezza. Alcuni tipici giunti QFP lead-free formati utilizzando lo stesso processo di rifusione ma variando i livelli ppm di ossigeno unito all’azoto. La differenza nell’aspetto dei giunti è principalmente dovuta al solidificarsi della lega e alla formazione di residui. In caso di saldatura in aria, le superfici metalliche sono sottoposte ad un processo di ossidazione continuo, al punto tal da rendere la pasta saldante meno efficiente nel produrre un giunto di saldatura resistente e dotato del giusto livello di bagnabilità. Benché entrambi i giunti QFP siano accettabili, la saldatura in aria porta ad una minore flessibilità di processo. In quest’ultimo caso, nel momento in cui la complessità della scheda dovesse aumentare, aumenterebbe anche la possibilità che si formino giunti qualitativamente non accettabili. Questo fattore può essere testato attraverso l’analisi della struttura meccanica dei giunti di saldatura per gli area array bumps. In questa analisi, è stato osservato un trend di comportamento sulla base di una scala che va dall’ azoto puro fino ad un’atmosfera completamente in aria. Inoltre, l’utilizzo di livelli da 250 a 2500 ppm di ossigeno all’interno del forno a rifusione fornisce all’operatore la possibilità di ottimizzare il processo in funzione del costo. Definire i parametri critici di un processo di saldatura è il primo passo necessario a sviluppare un corretto controllo di processo. Il passo successivo è quello di caratterizzare l’impatto che i vari livelli dei parametri impostati hanno sulla formazione dei giunti e sulle loro performance. Una volta che questo è stato fatto, l’operatore sarà quindi in grado di impostare i limiti di riferimento all’interno dei quali il processo deve rientrare.
Solo un processo di saldatura a rifusione completamente controllato può garantire un’alta affidabilità senza riparazione e quindi un’alta resa.
Adattare i profili termici del forno
Il passaggio alla saldatura lead-free ha avuto un impatto minimo per la maggior parte delle schede. E’ stato dimostrato che per un gran numero di applicazioni il compito maggiore è quello di cambiare il bill of material e la logistica, mentre dopo aver trovato il settaggio ottimale di processo la saldatura senza piombo è raggiungibile con gli stessi o con migliori risultati rispetto a quella con leghe stagno-piombo.
Sfortunatamente, a causa della grande varietà dei prodotti, esistono delle eccezioni: ciò che va bene per una scheda può essere deleterio per un’altra. Schede già difficili da lavorare con un processo stagno-piombo, ad esempio con caratteristiche termiche e di bagnabilità scarse, risultano doppiamente laboriose con l’uso della tecnologia lead-free. Possono manifestarsi problemi derivanti da differenti punti di fusione, diversi strati intermetallici o da altre caratteristiche ancora. Implementare il processo di rifusione richiede un’attenta valutazione di come i profili termici del forno devono essere adattati per far fronte a un processo di saldatura lead-free. Occorre osservare quattro aspetti principali del processo:
• Preriscaldo: l’utilizzo di un profilo di tipo “lineare” piuttosto che di tipo a “sella” influenza il comportamento del flussante e ottimizza la relazione fra ΔT (differenziale termico tra i componenti) e TAL (Time Above Liquidous).
• Picco di temperatura e TAL: il raggiungimento delle corrette temperature di picco minimo e massimo, associato a un appropriato TAL, è necessario per mantenere integra la scheda e i componenti, e assicurare un’efficace formazione dei giunti.
• Gradiente di raffreddamento: quando si utilizzano leghe lead-free, il gradiente di raffreddamento ha una forte influenza sulla formazione e sulla microstruttura del giunto, oltre che sullo spessore di intermetallico. Una maggiore velocità di raffreddamento rende la microstruttura più omogenea e i giunti più resistenti; tuttavia i componenti, il materiale della scheda e la lega non possono essere esposti a tempi di raffreddamento eccessivamente rapidi perché potrebbero danneggiarsi.
• Tempo: la produttività è determinata dal rapporto tra la dimensione delle schede e la velocità del convogliatore e, ovviamente, dipende dalla lunghezza della zona di rifusione del forno.
Flessibilità, accuratezza, alta capacità di trasferimento termico e precisione sono caratteristiche fondamentali per un processo di rifusione di qualità. Dal punto di vista dell’utilizzatore finale, un forno “lead-free compatible” deve saper ottimizzare la fase di preriscaldo, il differenziale termico tra componenti (ΔT), il TAL e il gradiente di raffreddamento, rientrando nei limiti della finestra di processo e mantenendo un cycle time simile a quello del processo con leghe stagno-piombo.
L’importanza del forno a rifusione
Il processo di saldatura dipende dalle caratteristiche dei materiali e del forno utilizzato. Maggiore è il numero di zone, maggiore sarà la flessibilità che si otterrà nella definizione dei profili. Un aspetto fondamentale è la capacità di ogni singola zona del forno di trasferire calore alla scheda nel momento giusto e nella giusta quantità: il trasferimento di calore permette di mantenere la differenza di temperatura fra componenti, necessaria ad evitarne il danneggiamento.
Poiché i tassi di convezione non possono essere superati e gli aumenti della temperatura del gas sono da evitare per il pericolo di danneggiare i componenti, è necessario diminuire la velocità del convogliatore. Questa precauzione, però, allunga il tempo di transito nella zona ad alta temperatura, riducendo il differenziale termico ma prolungando anche lo stato del tempo liquido del giunto di saldatura. Questo può pregiudicare la struttura finale del giunto e la sua resistenza.
