Saldare oltre la barriera del suono

SALDATURA –

Temperature operative che vanno dai 150 ai 480 °C, la possibilità di saldare su ceramica, vetro, alluminio e acciaio inossidabile e, soprattutto, fare a meno del flussante sono solo alcuni fra i vantaggi della tecnologia di saldatura a ultrasuoni.

Nella sua marcia verso sempre più ambiti traguardi, rispettosi nei confronti della sostenibilità e con un occhio di riguardo ai costi, l'elettronica sta sperimentando nuovi materiali organici o sta rivisitando consolidati materiali come il vetro. Dagli Oled alla printed electronic, servono processi e tecnologie che consentano di realizzare dispositivi prima inimmaginabili. La saldatura ad ultrasuoni è uno di questi, che consente di realizzare giunti con leghe a base di stagno su substrati plastici, vetrosi o su metalli prima considerati non saldabili. I principi della saldatura ad ultrasuoni coi suoi benefici effetti sui risultati erano già noti dalla metà del secolo scorso. Al tempo e per anni questa tecnologia di saldatura non ha avuto successo per via della mancanza di un'adeguata lega saldante. Il recente sviluppo di leghe ad alte prestazioni come SonicTMSolder e Cerasolzer associato al ridimensionamento dei costi dei sistemi di saldatura ad ultrasuoni, ne ha consentito l'impiego in molte applicazioni industriali, che tra l'altro avrebbero avuto difficoltà a trovare una realizzazione in assenza di questa tecnologia o avrebbero richiesto elevati investimenti. Uno dei punti di forza nello sviluppo di questa tecnologia di saldatura particolare risiede nell'eliminazione del flussante. La rimozione dell'ossido da parte di reazioni chimiche con agenti decappanti (di natura acida) viene sostituito in questa tecnologia dalle vibrazioni meccaniche della punta dovute all'azione degli ultrasuoni.
Il generatore di ultrasuoni è a bassa potenza perché non è determinante nel produrre la desiderata temperatura sulla punta. La frequenza di vibrazione del cristallo varia da meno di 40 KHz ai 60 KHz. Usualmente è utilizzata una frequenza variabile tra i 55 e i 60 KHz per punte di piccole dimensioni e dai 37 ai 43 KHz per punte di più grosse dimensioni.
L'esatta frequenza a cui operare non è vincolante, è determinata da vari parametri come dimensione e temperatura di lavoro della punta; infatti prima di far partire il processo di saldatura il microprocessore calcola automaticamente la frequenza di risonanza ottimale.
Ci sono due metodi per saldare a ultrasuoni: dip soldering e con la stazione saldante manuale. Nel dip soldering, la parte o le parti da saldare sono parzialmente immerse nel bagno di lega fusa. Il trasduttore può essere messo sul fondo del crogiolo o può essere messo a diretto contatto col bagno. Nel metodo manuale, la stazione saldante opera come quelle tradizionali, con in più il trasduttore di ultrasuoni comandato da uno switch a pedale. La punta scalda la lega portandola a fusione, quando la giusta quantità è fusa, si applicano gli ultrasuoni alla punta. Per un risultato ottimale l'operatore deve applicare una leggera pressione in punta.
La temperatura di fusione varia da 123 a 297 °C, può essere utilizzato un filo SnPb o con formulazione lead-free, con diametro di 1 o 1,5 mm. Nel caso del dip soldering, la lega per riempire il crogiolo è in barre come nella normale saldatura a onda. La stazione saldante è configurata come quella dei classici saldatori a ferro caldo, l'unità base incorpora le schede di controllo a microprocessore, l'alimentatore e l'oscillatore col relativo amplificatore; il corpo del saldatore contiene l'elemento ceramico riscaldante col relativo sensore e la punta. Tutti gli elementi del saldatore sono connessi tra loro in modo da poter facilmente essere sostituiti. Sulla stazione sono posti i comandi e i display di visualizzazione della temperatura (che può potenzialmente può variare da 120 a 480 °C) e della potenza degli ultrasuoni da applicare sulla punta.Una stazione saldante con ultrasuoni opera sostanzialmente come una stazione tradizionale, con la differenza di disporre in più di un trasduttore ad ultrasuoni attivato da uno switch a pedale. La punta del saldatore scalda e rifonde il filo; quando è stata apportata la necessaria quantità di lega, con lo switch a pedale si comanda la generazione degli ultrasuoni che con l'energia della cavitazione prima rimuovono ossidi e contaminanti, poi favoriscono la formazione del giunto.

Applicazioni e benefici
Tra le prerogative di questa tecnologia, a ragione definita “verde” nel suo significato più ampio, ci sono i seguenti benefici:
- eliminazione di sostanze ed elementi chimici non a norma;
- riduzione del costo dei materiali;
- eliminazione dei problemi di corrosione dovuti ai residui di flussante;
- non richiede il lavaggio di quanto saldato;
- aumento del grado di bagnabilità anche su particolari di difficile accesso.

Il maggior beneficio della tecnologia di saldatura a ultrasuoni è quello di unire materiali di natura disomogenea come saldare rame su alluminio, grafite su alluminio, zaffiro su metallo per la costruzione di sensori, metallo su vetro nella costruzione dei tubi a vuoto. Un ulteriore applicazione di questa tecnologia la vede utilizzata per saldare i terminali sui display in vetro, sulle celle solari, sugli oscillatori di cristallo e sui circuiti integrati ibridi, in generale per collegare elettrodi su qualsiasi dispositivo elettronico. Nell'industria elettronica dei semiconduttori la saldatura con ultrasuoni è largamente utilizzata per creare le interconnessioni (wire bonding con filo in alluminio o in oro). Motori elettrici, bobine, trasformatori e capacità sono spesso realizzati ricorrendo alla saldatura con ultrasuoni così come nell'assemblaggio delle memorie di massa come flash drive e computer disk, dove il ciclo di saldatura risulta essere inferiore ai 300 ms. L'assemblaggio di componenti che costituiscono le batterie è un altro esempio di dove è utilizzata questa tecnologia così come nelle celle a combustione dove sottili fili di rame, nichel e alluminio devono essere collegati con altrettanto sottili lamine metalliche. Nei moderni dispositivi elettronici, sono molte le parti plastiche che entrano nella composizione del case così come possono costituire il substrato di circuiti tridimensionali. La saldatura a ultrasuoni trova utilizzo anche nella giunzione di questi componenti, in questo caso non c'è apporto di saldante, ma è la frizione dovuta al movimento meccanico ad alta frequenza a promuovere la giunzione. Un'energia elettrica ad alta frequenza è convertita in un movimento meccanico ad alta frequenza che congiuntamente all'applicazione di una pressione da luogo a un riscaldamento da frizione tra le due superfici plastiche da unire. Il calore generato porta le superfici a fondersi e (con l'applicazione della pressione) a compenetrarsi a livello molecolare.

Teoria della saldatura a ultrasuoni
In linea generale la saldatura presuppone di avere sufficiente temperatura non solo per portare a fusione la lega, ma anche per riscaldare la parte di substrato interessata dal processo. Questa premessa interessa anche la saldatura con ultrasuoni, con la differenza che rispetto alla saldatura da eseguire sui pcb, i materiali interessati a questa tecnologia spesso possiedono una conduttività termica decisamente superiore, come nel caso di alluminio e ceramica. Questo significa che per molte applicazioni è consigliato il preriscaldo mentre per altre è assolutamente necessario. Gli ultrasuoni in quanto tali non sono i responsabili del riscaldamento del giunto di saldatura, la totalità della potenza termica necessaria al processo di saldatura è data dall'elemento riscaldante ceramico, dove è il caso col supporto del preriscaldo esterno.
Il compito degli ultrasuoni è solo quello di cavitare la lega fusa, generando le onde d'urto. Quando gli ultrasuoni sono applicati alla lega liquida, sono create delle bolle con un fenomeno fisico chiamato cavitazione (la cavitazione consistente nella formazione di bolle -cavità- all'interno di un fluido che poi implodono rilasciando energia). La dimensione delle bolle aumenta fino a una soglia oltre la quale diventano instabili perché la forza di coesione non riesce a reggere oltre la pressione, dopodiché collassano e implodono su se stesse. Nel momento in cui la bolla implode, la lega liquida che la circonda subisce un'accelerazione verso il suo interno. L'energia in gioco conferisce alla lega in fusione la forza per colpire le superfici, il forte impatto pulisce simultaneamente le superfici da grassi, dallo sporco e dalla presenza di ogni contaminante, oltre ovviamente a rimuove il film di ossido che ricopre il metallo. Questa è la ragione per cui non è necessario utilizzare il flussante. La saldatura con ultrasuoni riduce anche la tensione superficiale della lega liquida col vantaggio di diminuire l'incidenza dei cortocircuiti e promuovere spessori di saldante più uniformi.
La tecnologia a ultrasuoni è dunque definita un processo flux-free, in particolare l'utilizzo del flussante su materiali vetrosi deve essere sempre e assolutamente evitato, anche nelle operazioni di ripresa.

Gli effetti meccanici
Ci sono differenti effetti che concorrono al miglioramento della bagnabilità e dell'adesione della lega al substrato a seguito dell'applicazione degli ultrasuoni alla lega fusa.
Il primo degli effetti meccanici, valido per tutti i substrati saldabili come metalli, vetro, ceramica e ossidi metallici, è quello di rimuovere l'ossido dalle superfici consentendo alla lega di aderirvi. Secondo effetto è quello di forzare la lega liquida dentro le piccole fessure, dentro le crepe o nei pori che si possono trovare sulla superficie del substrato sigillandole e aumentandone la saldabilità. L'effetto degli ultrasuoni è anche quello di espellere eventuali bolle di gas presenti nel giunto in formazione, favorendo saldature senza void. Di grande importanza per il processo è la distruzione delle forze di coesione della lega dovuta all'alta energia degli ultrasuoni, che ne aumenta la fluidità rendendola capace di penetrazione anche in ogni irregolarità del substrato. Gli ultrasuoni letteralmente guidano la lega fusa in ogni porosità, rivestendone il fondo e le pareti con grande tenacità.

Lega a base di Sn e Al
EWI ha sviluppato una lega lead-free brevettata, SonicTMSolder. E' una lega binaria composta da stagno (Sn) e alluminio (Al) che fonde a 230,9 °C, saldando in abbinamento con gli ultrasuoni è capace di buona bagnabilità sui metalli, sulla ceramica e sulla plastica. La mancanza di metalli preziosi come l'argento (Ag) all'interno della sua composizione la rende economicamente più vantaggiosa rispetto a una SAC. Dal Cooperative Research Program di EWI è stato dimostrato come con la saldatura a ultrasuoni l'utilizzo di leghe senza flussante aiuti (senza peraltro limitare) nelle applicazioni che richiedono un'elevata integrità dei giunti di saldatura. I risultati (ottenuti sotto identiche condizioni operative su rame con finitura Immersion Silver e con finitura Electroless Nickel Immersion Gold) hanno dimostrato che i valori di resistenza al taglio (shear strength) della lega Sn-3,0Ag-0,5Cu (SAC305) senza flussante è molto simile (4-5 ksi) a quella della lega SAC 305 convenzionale, cioè col flussante.

Lega di saldatura CERASOLZER
Vetro, ceramica, alluminio, acciaio inossidabile sono usualmente considerati non saldabili con i sistemi a tecnologia convenzionale. Il preriscaldamento non è sufficiente a superare questo ostacolo. Con una temperatura di processo tra 150 e 290 °C, Cerasolzer consente di saldare su vetro e ceramica. Questa lega contiene piccole quantità di elementi quali Zn, Ti, Si, Al, Be e terre rare che hanno una forte affinità con l'ossigeno. Questi metalli durante il processo di bonding ad ultrasuoni si combinano con l'ossigeno dell'aria (che deve essere almeno in concentrazione del 2%) formando ossidi che sono chimicamente portati ad aderire alla superficie del vetro o della ceramica. Se il processo dovesse avvenire in ambiente inertizzato il prodotto perderebbe le sue caratteristiche.

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