Saldare col laser: da anni la saldatura selettiva è il processo preferenziale per saldare componenti PTH su un PCBA già assemblato con componenti SMD. È un processo maturo e affidabile, che ha raggiunto un notevole livello di sviluppo.
Molti sistemi di saldatura presentano limitazioni, determinate soprattutto dalla capacità dei componenti elettronici di resistere alle alte temperature; pertanto, non tutte le tecnologie si prestano a soddisfare i requisiti del processo di saldatura.
Il concetto di saldatura selettiva ha un significato ampio e comprende sotto il suo ombrello un insieme variegato di tecnologie e di handling. Per comodità si prendono in considerazione le due principali tecnologie, la saldatura con minionda e la saldatura laser.
Grazie alla flessibilità intrinseca del processo, la saldatura selettiva può essere utilizzata con successo per saldare un'ampia gamma di circuiti stampati e di componenti; presenta numerosi vantaggi distintivi, tra cui:
- Facile ottimizzazione dei processi.
- Giunti di saldatura affidabili senza surriscaldare i componenti né causare delaminazioni del circuito stampato.
- Riproducibilità del processo.
A questi benefici di ordine generale, la saldatura laser ne aggiunge altri come l’efficienza energetica: il laser consuma solo quando è operativo e il consumo è nettamente inferiore rispetto a sistemi con preriscaldamento e pozzetto. Inoltre il sistema laser è immediatamente operativo, mentre la saldatrice a minionda (a prescindere dalla dimensione) richiede di portare in temperatura il pozzetto (warm up) e per limitare la formazione di scorie, è spesso richiesta la presenza di azoto e se si utilizza un flussatore spray c’è il rischio di una contaminazione superficiale.
Tecnologia di saldatura laser
Le varie tecnologie di saldatura selettiva possono essere perfettamente sostituite dalla saldatura laser. Il laser è capace di un'incredibile precisione, può tranquillamente saldare sia componenti through-hole che SMD.
Un grande vantaggio di questa tecnologia è che il trasferimento di calore è localizzato e senza contatto, con la fonte di energia concentrata solo sull’area dove deve formare il giunto di saldatura. A seguito dell’erogazione del filo di lega il laser applica il calore necessario a scioglierlo e a bagnare le parti da unire.
La qualità dei giunti è elevata poiché si formano rapidamente limitando al necessario la formazione degli intermetallici. Grazie all’assenza di crogiolo e di scorie anche la manutenzione è molto contenuta. Inoltre, l'incredibile livello di precisione, non raggiungibile con altri metodi di saldatura, facilita la formazione anche dei giunti che richiedono saldature complesse.
Poiché ogni giunto di saldatura ha un suo specifico carico termico, la macro di saldatura attivata dal programma crea automaticamente l’adeguato profilo termico: un grosso vantaggio, perché in questo modo si ottiene una saldatura “personalizzata” per ogni singolo giunto.
Con l’intelligenza conferita al software dai diversi algoritmi e grazie al controllo a loop chiuso mediante la presenza del pirometro, il tempo di programmazione è estremamente ridotto e il coinvolgimento dell’operatore minimo.
I sistemi di saldatura laser potrebbero essere meno vantaggiosi nelle applicazioni ad alto volume; in questo caso solo i forni a rifusione risulterebbero essere i favoriti, ma a patto che i componenti siano adatti alla tecnologia pin-in-paste e in grado di sopportare le alte temperature.
I sistemi di saldatura selettivi a minionda possono essere configurati per un rendimento elevato, equipaggiandoli ad esempio con due o tre pozzetti e almeno due preriscaldi, ma ne consegue un aumento del costo del sistema e della complessità del processo.
Per quanto riguarda il costo delle apparecchiature di saldatura laser, non è più elevato se confrontato con le saldatrici selettive di fascia alta. Ovviamente non è logica la comparazione né con le macchine entry-level “tuttofare” né con sistemi stand alone o semiautomatici, la cui qualità è modesta al pari della loro produttività.
Oltre ad un basso livello di manutenzione, la scelta di un sistema di saldatura selettiva richiede un buon livello di supporto prevendita, con l’aftermarket che diventa elemento essenziale per la sicurezza del cliente, oltre alla costante disponibilità di ricambi e aggiornamenti software.
La scelta tra scenari e variabili
Per decidere quale macchina è la più adatta alla propria attività, vanno considerati diversi fattori che riguardano tanto il campo di applicazione quanto l’ambiente operativo.
Il panorama si potrebbe configurare con due scenari:
- Aziende che non richiedono molta flessibilità a causa di una limitata gamma di prodotti, senza previsioni per un cambiamento di rotta.
- Aziende che hanno bassi volumi e molti codici, sono in crescita e necessitano di una tecnologia di saldatura per fronteggiare la variabilità.
Molte di più sono le variabili da considerare:
- Dimensioni del circuito stampato e di conseguenza la possibilità di avere la regolazione automatica del sistema di trasporto.
- Possibilità di cambiare rapidamente il tipo di lega e diametro del filo di saldatura.
- Accessibilità all’area da saldare senza interferenze con altri componenti.
- Capacità di compensazione dell’asse Z per risolvere deformazione indesiderate (warpage) dovute a processi precedenti.
- Configurazione stand alone o in linea.
- Potente software di sistema a supporto dell’operatore (dalla programmazione alla conduzione).
- Possibilità di dialogo con il MES, di tracciabilità (per dati e immagini) e di allertare l’operatore per deviazioni del processo.
La saldatrice laser permette la regolazione punto per punto della potenza e della quantità di lega necessari per realizzare il giunto secondo la normativa IPC; l'assenza di inerzia termica del laser unita al rilevamento in tempo reale della temperatura, consentono la correzione dinamica a loop chiuso del profilo termico del giunto in costruzione.
La posizione ortogonale del raggio migliora il trasferimento di energia nella zona desiderata mentre il raggio ad anello irradia energia solo sulla corona circolare che costituisce la piazzola; non attraversa il via e non si concentra sul reoforo, prevenendo danni ai componenti e armonizzando la temperatura di terminale e piazzola.
La gestione dimensionale dello spot e della potenza del laser durante l'intero processo di saldatura (preriscaldamento – saldatura – post-riscaldamento), insieme all'erogazione controllata della quantità di lega, fornisce la massima flessibilità per coprire tutti i possibili scenari di saldatura.
I sistemi laser non richiedono warm up, sono pronti all/uso all’accensione, non richiedono né sistema di flussatura né preriscaldamento, il processo è pulito, e non implica la necessità di lavare le schede saldate.
Firefly by Seica: facile da configurare, facile da utilizzare
Con un assorbimento di potenza massimo di 2,5 KW/h, Firefly NEXT>Series, progettata e realizzata da Seica, è facile da programmare, da gestire e da manutenere. Il consumo di lega di saldatura è limitato al volume richiesto per ciascun giunto, generando zero rifiuti ed eliminando i costi di smaltimento associati alla formazione di scorie.
L'utilizzo della tecnologia laser ha sicuramente un certo interesse nel mercato della produzione elettronica, il grosso vantaggio del sistema Firefly è che abbina al laser un enorme contenuto tecnologico sviluppato attraverso l'esperienza pluriennale sui sistemi a sonde mobili. Il laser, di fatto, è solo uno dei molteplici contenuti tecnologici che compongono il sistema e che permettono un facile utilizzo della sua tecnologia, rilevanti sono ad esempio l’avanzata gestione dei motori, l’utilizzo di sensori di ultima generazione per la gestione delle situazioni di warpage o l’acquisizione di immagini video del processo di saldatura.
La testa saldante costituisce il cuore del sistema laser, disponibile nelle versioni di saldatura dal lato top (T60) e dal lato bottom (B60). Il sistema Firefly è gestito tramite il software VIVA comune a tutti i sistemi Seica che, in qualità di partner globale, è in grado di progettare e personalizzare anche soluzioni specifiche di saldatura selettiva laser.
La testa saldante è composta da un’ottica, che collima l’energia sulla piazzola, dal pirometro che lavora a loop chiuso col sistema di gestione del profilo termico, dalla telecamera che consente la ripresa live del giunto in formazione.
A questi componenti si affiancano il sensore dell’asse Z per compensare il warpage e il sofisticato wire feeder che lavora su due assi, Z e teta, che gli consentono di arrivare in prossimità dell’area di lavoro e di rotare durante l’operazione di saldatura, per agevolare la completa bagnabilità del giunto. Il wire feeder include anche un sensore che controlla la presenza del filo di lega e un dispositivo di scorrimento legato a un encoder per regolare con estrema precisione la quantità di filo erogata.
Con queste caratteristiche, la saldatrice laser si adatta altrettanto bene sia ai processi automatizzati in cui il sistema è integrato in linee, sia agli scenari in cui i prodotti da saldare cambiano continuamente e i processi SnPb e lead-free si alternano con una certa frequenza.
Quando sono disponibili i dati CAD il software può importare le coordinate in automatico, altrimenti le coordinate dei punti da saldare possono essere acquisite tramite la telecamera. L’evoluto software genera automaticamente il programma di saldatura, ottimizzato in base alle caratteristiche geometriche e dimensionali dei giunti da realizzare, consentono comunque di modificare secondo necessità i parametri di saldatura. Tutti i parametri possono essere memorizzati in librerie per essere utilizzati in altri programmi.
Attraverso un’interfaccia grafica intuitiva, il software guida l’operatore nelle varie funzioni. Essendo specificatamente progettate per gli ambienti produttivi, le saldatrici laser Firefly consentendo la personalizzazione del layout dei pulsanti di controllo e delle informazioni visualizzate sullo schermo, traducibili in qualsiasi lingua.
La puntuale tracciabilità del processo è assicurata dalla possibilità di raccogliere le riprese video e i profili termici acquisiti per ogni singolo giunto di saldatura e di associarli al numero di serie del circuito stampato. La raccolta di questi dati è preziosa anche come strumento di debug del processo di saldatura. Le saldatrici laser di Seica hanno tutte le funzionalità necessarie per l'implementazione in qualsiasi scenario di Fabbrica 4.0, offrendo la possibilità di collegare qualsiasi sistema informativo proprietario o di terze parti per raggiungere gli obiettivi desiderati.
