L'arte di unire è in continua evoluzione. La migrazione quasi esclusiva verso la tecnologia di produzione SMT ha influito, ed è stata favorita, dai miglioramenti delle tecnologie di saldatura. In particolare, è cresciuta la tecnologia di saldatura selettiva, mentre le tecnologie di rifusione hanno beneficiato dell’introduzione del vuoto
La saldatura selettiva non è un modo più nuovo e migliorativo di procedere rispetto alla saldatura a onda; sono due tipi completamente diversi di tecniche di saldatura per applicazioni molto diverse. Mentre la saldatura a onda è ampiamente utilizzata per la saldatura economica e sicura di schede con solo componenti a foro passante, la saldatura selettiva è utilizzata su schede con un mix di componenti a montaggio superficiale e a foro passante.
La saldatura a onda è un metodo veloce ed efficace per saldare tutti i componenti THT presenti sulla scheda in un’unica passata; la saldatura selettiva, sebbene eseguita con un sistema a più stazioni, tende a essere notevolmente più lenta perché salda un singolo giunto per volta o al più una serie di giunti posizionati in linea.
Le schede con un mix di componenti THT e SMT esistono per vari motivi. Nonostante la proliferazione di componenti a montaggio superficiale, che sono perfetti per schede ad alta densità su ingombri ridotti, la tecnologia a foro passante è ancora la preferita per applicazioni ad alta potenza e con connettori che richiedono un giunto robusto.
La saldatura selettiva è applicata sulla parte inferiore della scheda senza influire sulla parte superiore. Il sistema di trasporto porta la scheda a transitare sul sistema di flussatura, sul preriscaldo e poi sul crogiolo. Le varie operazioni avvengono automaticamente in base a come il sistema di controllo del processo è stato programmato per ogni diverso codice prodotto.
Per ogni giunto di saldatura sono date le coordinate per la flussatura, il tempo di preriscaldo e le coordinate per l’esecuzione del giunto di saldatura, singolo o multiplo per trascinamento in linea.
Sebbene spesso non ci siano alternative per gestire schede con componenti a tecnologia mista, se non la saldatura manuale, la saldatura selettiva presenta, come per altri processi, sia vantaggi che svantaggi.
Le saldature sono realizzate a regola d’arte, la qualità è ripetitiva, l’efficienza produttiva è elevata, mentre i costi di manodopera sono inferiori rispetto alla saldatura manuale.
Il costo del sistema in linea è generalmente superiore rispetto all'onda mentre la velocità è relativamente più lenta, ma notevolmente più veloce rispetto alla saldatura manuale. Come per tutti gli altri tipi di saldatura automatica, esistono diversi metodi di flussatura, di preriscaldamento e di saldatura.
Flussatura, preriscaldo e ugelli
La scelta per la stazione di flussatura è tra spray e microdrop.
Il tipo spray è generalmente più veloce, ma lo svantaggio è dato dalla maggior parte di residui che lascia attorno ai punti da saldare. La gestione con microdrop è più precisa, consente un riempimento migliore dei fori e lascia pochissimo residuo. Di contro costa di più ed è leggermente più lenta.
Come per altre tecnologie di saldatura, il compito del preriscaldamento è di ridurre al minimo lo shock termico prima della saldatura e di attivare il flussante. Sono in genere utilizzati pannelli IR, ma sono anche disponibili unità ad aria calda, utilizzati in alternativa o in affiancamento ai pannelli IR, che possono essere utilizzati sia sul fondo che sulla parte superiore della linea. L'infrarosso fornisce una risposta rapida ed è controllabile in gradiente, mentre la convezione fornisce un gradiente inferiore, ma una qualità di trasferimento del calore più uniforme.
Il pozzetto può essere fisso ed è la scheda ad essere movimentata oppure il PCBA rimane in posizione ed il pozzetto è movimentato sugli assi X, Y, Z.
Un ugello per saldatura selettiva è uno strumento specializzato, progettato per erogare un flusso di lega controllato e preciso su aree mirate sul circuito stampato, garantendo la realizzazione di un giunto di saldatura affidabile e di alta qualità. Gli ugelli per saldatura selettiva sono disponibili in varie forme e dimensioni per soddisfare diversi requisiti e possono essere personalizzati per soddisfare specifiche esigenze.
Quando si sceglie un ugello per saldatura selettiva, ci sono diversi fattori da considerare per garantire prestazioni ottimali e qualità. Le dimensioni e la forma devono essere compatibili con i componenti da saldare, il diametro di saldatura più piccolo è di 3 o 4 mm. Nella scelta va considerata la portata capace di realizzare il volume di saldatura appropriato per ottenere la qualità e la consistenza desiderate del giunto di saldatura.
I materiali comunemente utilizzati per realizzare gli ugelli includono titanio, acciaio inossidabile e ceramica; il materiale deve poter resistere alle alte temperature richieste per la saldatura senza deformarsi o deteriorarsi.
Gli ugelli possono essere personalizzati per soddisfare requisiti di saldatura specifici, con forme o configurazioni speciali.
La saldatura per rifusione
La saldatura per rifusione è il processo (critico) utilizzato per fissare i componenti a montaggio superficiale sui circuiti stampati realizzando contemporaneamente connessioni meccaniche ed elettriche.
Previa l'applicazione di pasta saldante (di volume appropriato) sulle piazzole del PCB e il posizionamento dei componenti sulla pasta, si porta il tutto alla temperatura di fusione della lega, che una volta solidificata da luogo alla formazione dei giunti di saldatura. La qualità di queste connessioni ha un impatto significativo sulle prestazioni e l'affidabilità del prodotto elettronico finale.
Durante il processo di reflow, vari fattori intervengono nell’influenzare la qualità del giunto di saldatura, tra cui la composizione della pasta saldante, il tipo di forno di rifusione e il profilo di temperatura. Comprendere questi fattori e il modo in cui interagiscono è essenziale per ottenere risultati di saldatura ottimali.
I forni di rifusione sono i sistemi utilizzate per portare la pasta saldante alla temperatura di fusione e creare una connessione solida tra i componenti e PCB. Si utilizzano profili di temperatura (rapporto tempo-temperatura) ottimizzati per ottenere la qualità e l'affidabilità desiderate per la giunzione di saldatura. Il processo di rifusione è costituito da quattro fasi principali: preriscaldamento, soaking, rifusione e raffreddamento. Ogni fase è fondamentale per ottenere un giunto di alta qualità e prevenire difetti correlati alla saldatura.
Durante la fase di preriscaldamento, il forno aumenta gradualmente la temperatura del PCB assemblato (a partire dalla temperatura ambiente) per prevenire shock termici e danni ai componenti. La fase di soaking, da circa 150 °C al punto di fusione della lega, assicura che l'intero PCB raggiunga una temperatura uniforme, consentendo al flussante presente nella pasta saldante di attivarsi e rimuovere gli ossidi dalle superfici da saldare.
Nella fase di rifusione il forno raggiunge la temperatura massima consentita, causando la fusione della pasta saldante e la formazione di un forte legame metallurgico tra i terminali dei componenti e i pad del PCB. Infine, la fase di raffreddamento abbassa rapidamente la temperatura per solidificare i giunti di saldatura ed evitare la formazione di pronunciati composti intermetallici che potrebbero indebolire la connessione di saldatura.
Unire per convezione e vapor phase
Sono disponibili sul mercato diversi tipi di forni di rifusione, ognuno caratterizzato dai suoi vantaggi tecnologici. I due tipi principali sono i forni a convezione e i forni vapor phase.
Per entrambi esiste l’opzione del vuoto, utilizzata per eliminare le inevitabili inclusioni gassose (void) dai giunti di saldatura. I void indeboliscono la tenuta meccanica e ostacolano la dissipazione termica.
I forni a convezione utilizzano aria calda (o azoto) per trasferire calore al circuito stampato e ai componenti; possono essere utilizzati in linea o stand alone. Il trasferimento di energia termica per convezione è meno efficiente di quanto avveniva nelle generazioni precedenti con l’infrarosso, ma è più controllabile e non risente della differenza di finitura e colore dei componenti; i forni a convezione forniscono un riscaldamento uniforme dell’assemblato e riducendo al minimo il rischio di scompensi termici tra varie zone della scheda.
I forni in fase di vapore utilizzano un liquido tecnico per il trasferimento del calore, caratterizzato da un preciso punto di ebollizione. Quando il liquido vaporizza, trasferisce calore all'assemblato, con un processo di riscaldamento altamente controllato e uniforme.
Anche questa famiglia di forni è disponibile nelle versioni in linea e stand alone. La loro gestione è più economica dei forni a convezione perché consumano meno potenza elettrica. La dispersione del liquido vaporizzato è minima perché dispongono di un sistema di condensazione che riporta i vapori allo stato liquido impedendone la dispersione nell’ambiente.
Una selezione adatta del forno di rifusione dipende da fattori quali volume di produzione, budget e requisiti di processo specifici. Per tutti i modelli una corretta calibrazione e manutenzione sono essenziali per garantire una qualità ottimale dei giunti di saldatura e ridurre al minimo i difetti correlati a questo processo.
