Saldatura e rilavorazione oggi

REWORK E SALDATURA MANUALE –

La saldatura manuale e le operazioni di rework in genere hanno già superato da tempo la fase prettamente manuale dove basta mano ferma e un minimo di conoscenza tecnica. Tuttavia resta sempre un’operazione tra le più critiche, che richiede un certo contributo di tempo e qualche investimento.

L’evoluzione della componentistica elettronica ha assunto una criticità crescente presentando il suo aspetto sempre più miniaturizzato nel package e con elevato pin count; questa direttrice di sviluppo ha indotto lo sviluppo di sistemi di reworking sempre più complessi (e costosi). Un esempio tipico è dato dai package BGA e delle rispettive versioni µBGA e CSP che introducono problemi a livello di ispezione dei giunti di saldatura, la cui affidabilità è resa precaria dalla possibile formazione di void. La qualità della saldatura manuale dipende da diverse variabili, capacità dell’operatore, qualità del filo, bontà ed efficienza della stazione di saldatura
Anche la saldatura manuale è influenzata dall’evoluzione del mondo tecnologico che la circonda e a cui deve rispondere con soluzioni sempre innovative. Nelle operazioni di saldatura manuale esiste sempre una stretta relazione di causa-effetto che lega la capacità dell’operatore e le prestazioni della stazione di saldatura o di rework. Anche la migliore stazione di saldatura nulla può nei confronti di un operatore senza competenze. Di contro un operatore dotato di capacità e istruzione, con un ottimo sistema di saldatura, capace di rilavorare anche il caso più disperato, non sarà mai in grado di bilanciare quelle lacune che ha generato il processo perché obiettivo del processo è il first-pass yeld e il recuperare in fase di rework è un costo e non un plus. Un alto livello tecnologico delle apparecchiature utilizzare contribuisce comunque alla positiva riuscita delle operazioni perché consente un buon controllo della maggior parte delle variabili coinvolte. E’ questa in fondo una delle motivazione che ha spinto verso stazioni dalle ottime prestazioni, l’altra è la necessità di avere sistemi efficienti. L’efficiente trasferimento termico consente saldature ripetitive, con un livello di temperatura stabile, senza oscillazioni dovute al lento recupero della potenza termica. Nelle operazioni di rilavorazione si possono identificare quattro fasi: la dissaldatura e la rimozione del componente, la pulizia delle piazzole, il posizionamento del nuovo componente e la sua saldatura. Nel caso di componenti complessi come quella appartenenti alla famiglia area array è richiesta anche la serigrafia o la dispensazione della pasta saldante.
Uno dei grossi problemi che si incontrano a livello operativo è la collocazione dei mini-stencil utilizzati per depositare la pasta sui pad del componente in rilavorazione. Questa operazione se non eseguita correttamente compromette anche la fase successiva di rifusione e formazione dei giunti.
Altre difficoltà pratiche intervengono più direttamente nel processo di riparazione e derivano dall’aumento del numero di terminali e dalla riduzione del loro passo. Spesso diminuisce di dimensioni anche il pcb riducendo sempre più gli spazi utili per intervenire con il rischio di interferire coi componenti circostanti.

Reworking di un BGA
Per la rimozione del BGA dalla scheda si procede preriscaldando dal basso la scheda in maniera uniforme con una temperatura compresa tra i 130 e i 160 °C; si utilizza un sistema di preriscaldamento a raggi infrarossi. Parallelamente s’interviene sul lato top con un sistema ad aria calda, programmabile per generare il corretto profilo termico che porti alla rifusione dei giunti di saldatura. Particolare attenzione per la riuscita dell’operazione va posta alla fase di preriscaldamento a raggi infrarossi. L’esperienza suggerisce che gradienti termici molto elevati, causati da preriscaldi inadeguati, producono flessioni e deterioramenti del substrato, mentre a favorire il buon esito dell’operazione interviene la capacità di riscaldare uniformemente l’intera superficie inferiore della scheda, per tutta la fase di rilavorazione. Importante è anche il controllo della velocità di riscaldamento, che non deve superare la rampa di 4 °C/sec; la velocità non deve essere neppure troppo bassa per non allungare oltremodo i tempi di processo che inciderebbero sulla formazione dell’intermetallico. Al proposito si ricorda che per la maggior parte dei componenti SMT i produttori stabiliscono i massimi valori di temperatura raggiungibile e i relativi tempi di esposizione, normalmente 40 secondi a 240 °C piuttosto che 10 secondi a 260 °C. L’unità di controllo che usualmente equipaggia le stazioni di rework, consente di tenere costantemente monitorati i valori di temperatura sul lato top e bottom del pcb tramite l’utilizzo di termocoppie. Questi valori possono essere registrati per generare dei report sul processo e legati ai dati della scheda in lavorazione (codice, numero di serie, ecc) inseriti manualmente o tramite barcode, per avere la tracciabilità del prodotto.
Capita a volte di dover rimuovere un BGA non perché sia danneggiato o difettoso, ma perché si sono riscontrati problemi di saldatura dei bump. Alcuni componenti, in particolare quelli custom, hanno un costo che ne giustifica il recupero, realizzato tramite apposito kit. Nelle operazioni di recupero di un BGA (valide anche per CSP, QFN e LLP), la prima fase richiede il posizionamento del componente nella nell’apposita fixture; il package va inserito rovesciato, con le piazzole che ospitano i bump rivolte verso l’alto, su cui con una mini lamina serigrafica si stampa il deposito di pasta saldante. Le caratteristiche di questo mini stencil devono essere tali di consentirne il perfetto parallelismo e il corretto allineamento coi bump. Un deposito di pasta saldante accurato aiuta a compensare e livellare eventuali differenze di altezza nei bump intervenute a seguito delle operazioni precedenti (assemblaggio e rimozione) e più raramente alle inevitabili tolleranze costruttive del package. Rifondendo con il corretto profilo termico si facilità la fuoriuscita pressoché totale delle sostanze volatili. Con queste operazioni si rende disponibile un componente pronto per essere assemblato nuovamente sul pcb di destinazione. Si evita il pericolo di avere giunti con void o cortocircuiti tra piazzole o bump contigui come avverrebbe serigrafando direttamente sulla scheda con poco spazio a disposizione per intervenire.
I case di molti componenti sono sensibili all’umidità per cui una volta rimossi è bene sottoporli a baking per 24 ore a 125 °C prima di rimontarli sulla scheda. Tutte le operazioni che portano al recupero del componente espongono a problemi ESD, per cui è bene tenerne conto nell’allestire l’area di lavoro.

L’azione del cooling sul giunto di saldatura
Nei sistemi di rework delle ultime generazioni oltre al tempo e alla temperatura, è controllato anche il volume di aria calda erogato dagli ugelli. Le termocoppie poste a stretto contatto con scheda e componente permettono di avere un feedback in tempo reale che aiuta a operare in tutta sicurezza, indipendentemente dalla temperatura ambiente o dalle masse termiche del pcb. I nozzle sono in acciaio inossidabile e disponibili in un’ampia gamma di geometrie, a copertura di della totalità dei componenti di uso corrente. I costruttori più affermati sono anche in grado,nel rispetto dei tempi tecnici, di fornire ugelli custom. L’evoluzione dei componenti complessi e le leghe lead-free hanno enfatizzato l’esigenza di disporre di un sistema di raffreddamento efficace che permetta di ottenere una struttura cristallina del giunto che ne assicuri l’affidabilità sulla lunga distanza. In alcuni sistemi terminato il ciclo termico di saldatura si spengono semplicemente gli elementi riscaldanti per soffiare solo aria a temperatura ambiente mentre in altri subentrano anche ventole addizionali per velocizzare l’operazione di raffreddamento. La valutazione della qualità del giunto saldato in base alla sua lucentezza, come avveniva in passato, non è più realistica. La conformazione cristallina delle leghe SAC conferisce alla saldatura un aspetto assolutamente opaco, granuloso. Solo nel momento della fase liquida queste leghe hanno un aspetto lucente, ma solidificando opacizzano per cui è assolutamente improprio valutare oggi la qualità del giunto dalla sua cosmesi. Gli aspetti da considerare riguardano la forma, l’omogeneità della superficie, la dimensione del menisco, la presenza o meno di microfratture, che costituiscono il problema più comune derivante da un inadeguato raffreddamento di queste leghe. Secondo quanto stabilito dalla norma IPC-610-D per le specifiche di accettabilità delle micro criccature superficiali o shrinkage crack, la frattura non deve toccare la base o la testa del giunto, anche se poi il livello di qualità imposto in genere dai committenti spesso non le rende accettabili in alcun modo. Le leghe ad oggi più utilizzate anche in saldatura manuale sono sicuramente le SAC, nelle loro varie composizioni, ma molti utilizzatori si stanno orientando verso l’utilizzo delle leghe a base di stagno e rame (K100LD, Sn100) che hanno la caratteristica di dare un giunto più lucido, aver migliore bagnabilità e, non contenendo l’argento, di costare molto meno delle prime.

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