La saldatura a fase vapore (vapor-phase, detta anche “saldatura a condensazione”) è una tecnologia di saldatura sviluppata dalla Western Electric di Princeton nella prima metà degli anni '70.
Utilizza un liquido inerte che, quando raggiunge la temperatura di ebollizione, crea una coltre di vapore molto stabile e uniforme. Questo vapore agisce come mezzo di trasferimento termico estremamente efficace. Il trasferimento termico avviene tramite la condensazione del vapore sulla scheda.
Una delle caratteristiche della tecnologia a fase vapore è la temperatura di picco, che è vincolata alla temperatura di ebollizione del liquido. Questo significa che la saldatura a fase vapore non provocherà danni dovuti al surriscaldamento della scheda. L'effetto di condensazione del vapore permette inoltre un trasferimento termico uniforme su tutte le superfici della scheda, senza zone d'ombra o di riflessione e/o deflessione del calore.
La diversa distribuzione della massa sulla scheda (presenza di componenti molto diversi, struttura del substrato di supporto, ecc.) non produce differenze di temperatura significative, in quanto i componenti con massa più grande (che tendono a rimanere più freddi) attireranno inevitabilmente più vapore, compensando il delta T in modo automatico.
Poiché il liquido utilizzato ha una tensione superficiale molto bassa, la pellicola di fluido che si forma sulla superficie della scheda ricopre in modo omogeneo tutte le superfici del prodotto, rimuovendo completamente l'ossigeno sulla scheda e sotto i componenti. Questo permette di ottenere un ambiente totalmente privo di ossigeno sul prodotto per l'intero processo di riscaldamento, senza utilizzo di azoto.
L'efficienza del trasferimento termico del vapore del liquido utilizzato è di 7÷15 volte quello dell'aria o dell'azoto in un forno a convezione forzata.
Questo significa che il consumo energetico diretto è enormemente ridotto rispetto ai tradizionali forni a convezione (fino a cinque volte meno), e anche i costi energetici indiretti (ad es. il condizionamento del locale produttivo, che deve compensare l'irraggiamento termico indesiderato dei forni a convezione) sono molto inferiori.
Rispetto ai sistemi a convezione forzata, i parametri di processo non dipendono dalla macchina. Le piccole unità da laboratorio forniscono esattamente la stessa qualità di saldatura dei sistemi di gamma alta. L'utente può sviluppare un campione di prova in una macchina da laboratorio ed essere sicuro che quel prodotto esibirà gli stessi risultati qualitativi nelle macchine di elevata produttività.
L'insieme di queste caratteristiche rendono il fase vapore uno dei processi di saldatura a rifusione più efficaci e ripetibili.
Principio del riscaldamento con vapore e sue leggi fisiche
Tutto il sistema di produzione del vapore e del riscaldamento del prodotto tramite il vapore è definito in modo esatto da leggi fisiche e modelli procedurali. Dato che il riscaldamento tramite fase vapore può essere riprodotto in dettaglio, è possibile definire molto facilmente anche il controllo di processo corrispondente.
1. L'attivazione dei riscaldatori provoca il riscaldamento del fluido nella vasca di processo.
2. Poiché la macchina lavora a pressione atmosferica, il riscaldamento del fluido si arresta quando viene raggiunto il punto di ebollizione (per paste con piombo: 200 °C; per quelle senza piombo: 230 o 240 °C).
3. Una volta raggiunto il punto di ebollizione, un ulteriore apporto di energia non provoca un corrispondente incremento della temperatura del liquido, bensì la cosiddetta “transizione di fase”: il fluido cambia la sua condizione di aggregazione, da liquida a vapore. La transizione di fase segue la legge dell'entalpia del vapore: per far evaporare un determinato volume di fluido al suo punto di ebollizione è richiesta una quantità esattamente definita di energia. La quantità di energia richiesta è una costante del materiale.
4. Non appena il vapore riempie la camera di processo, viene ridotto l'apporto energetico in modo tale da bilanciare le perdite per irraggiamento della macchina.
Processo di riscaldamento di una scheda nel vapore
1. Una scheda con componenti e pasta saldante, a temperatura ambiente, viene trasportata nel vapore. Poiché la temperatura della scheda è inferiore a quella del vapore, il vapore si condensa su di essa.
2. A seguito dell'immersione nel vapore, una pellicola omogenea di fluido ricopre la scheda in una frazione di secondo. Questa pellicola di fluido ha uno spessore che è definito dalla tensione superficiale del fluido utilizzato e protegge la scheda dall'atmosfera esterna, rimuovendo l'ossigeno sulla scheda e sotto i componenti. Questo permette di ottenere un ambiente totalmente privo di ossigeno sul prodotto per l'intero processo di riscaldamento.
3. La pellicola di fluido ottenuta è ora responsabile per il processo di riscaldamento della scheda. Poiché la pellicola di fluido perde energia (a causa del pcb che è più freddo) la sua temperatura scende sotto quella del vapore. Tra la temperatura della pellicola di fluido e quella del vapore esiste un equilibrio energetico, chiamato “differenza parziale di pressione”. Le molecole di vapore sono attratte dalla pellicola come se fosse un magnete e si condensano quando entrano a contatto con la pellicola. Durante la condensazione viene rilasciata la stessa quantità di energia che era stata richiesta ai riscaldatori per ottenere l'evaporazione (entalpia dell'evaporazione).
4. Questo apporto di energia provoca un aumento della temperatura della pellicola di fluido durante la condensazione. Ciò provoca una differenza di temperatura nella pellicola, dall'esterno verso l'interno. Quindi la conduzione di calore nella pellicola trasporta l'energia verso il pcb, riscaldandolo. L'energia trasmessa viene distribuita in modo assolutamente uniforme sull'intera superficie dell'assemblaggio attraverso la pellicola di fluido.
Termine del Processo di Riscaldamento
1. Il termine del processo di riscaldamento viene raggiunto quando la temperatura della scheda è uguale a quella della pellicola e del vapore. In questa condizione, si verifica un equilibrio energetico nel sistema. Questo equilibrio elimina di fatto qualsiasi differenza di pressione parziale tra pellicola e vapore.
2. Da questo momento, le molecole di vapore non si condensano più nella pellicola: il processo di saldatura è terminato.
Compensazione di Temperatura sul pcb
1. Le differenze di temperatura sui pcb sono create dalle differenti masse tra i componenti e/o dalla diversa struttura del substrato (per es. quantità differenti di rame in alcune aree dell'assemblaggio). Queste differenze sul prodotto provocano anche temperature differenti nella pellicola di fluido che ricopre il pcb: tuttavia non si verificano dall'esterno verso l'interno, ma trasversalmente.
2. Queste differenze generano un flusso di energia dalle aree più calde della pellicola a quelle più fredde, in base allo squilibrio energetico nella sezione trasversale della pellicola di fluido.
3. La pellicola di fluido ha una funzione di distribuzione dell'energia autoregolante sull'assemblaggio. Ne risultano differenze di temperatura estremamente basse, al massimo di 3 °C, durante l'intero processo di riscaldamento.
Vantaggi della saldatura a fase vapore
Il processo di saldatura a fase vapore offre notevoli vantaggi:
1. Il riscaldamento del prodotto da saldare è indipendente dalla sua forma, colore, dimensione e distribuzione della massa. Il vapore penetra in modo tridimensionale e non ci sono problemi di zone d'ombra.
2. L'ambiente di saldatura è totalmente esente da ossigeno, senza che venga utilizzato un gas protettivo (niente azoto).
3. La temperatura massima del prodotto (temperatura di picco) è definita e conosciuta, ed è dovuta alla temperatura specifica del vapore.
4. Il gradiente termico è programmabile, secondo le proprie esigenze, per l'intero processo di riscaldamento.
5. L'identificazione automatica dell'avvenuta saldatura permette di ottenere il minor tempo possibile - in assoluto - sopra il liquido.
6. Il differenziale termico (delta T) è il più basso in assoluto tra i vari componenti sulla scheda.
7. Il potenziale per danni ai componenti e alla scheda è il più basso in assoluto tra tutti i processi di saldatura
8. I costi operativi sono estremamente bassi, pur offendo la migliore qualità di saldatura.
9. Si tratta dell'applicazione ottimale per i processi di saldatura con paste senza piombo.
10. Saldatura esente da void con la tecnologia sotto vuoto.
Liquido per il trasferimento termico
Il liquido utilizzato è un Perfluoropolietere, un polimero liquido costituito da carbonio, fluoro e ossigeno. La Asscon utilizza esclusivamente Perfluoropolieteri a elevato punto di ebollizione, prodotti dalla Solvay Solexis con il nome commerciale di Galden.
Il Galden è un fluido molto uniforme, estremamente stabile anche ad alta temperatura e verso sostanze chimiche reattive, ha ottime proprietà dielettriche, ha una bassa pressione di vapore, nessun flash-point, il suo vapore ha un'elevata densità, possiede un coefficiente di trasferimento termico eccellente, ha una bassa tensione superficiale, non richiede particolari precauzioni per la sicurezza dell'ambiente di lavoro, non ha nessuna attività chimica e non provoca nessun danno alla fascia di ozono.
Caratteristiche delle macchine
Le macchine disponibili sul mercato ora spaziano dai sistemi da laboratorio a quelli in linea per elevati volumi produttivi. La tedesca ASSCON offre un'ampia gamma di sistemi a fase vapore, da piccole unità da laboratorio a macchine in linea, con e senza vuoto, per assemblaggi con peso fino a 30 Kg e dimensioni fino a 100×150 cm.
Come accennato precedentemente, una caratteristica interessante della saldatura a fase vapore è che anche i sistemi da laboratorio producono la stessa di qualità di saldatura dei sistemi più grandi e complessi (esclusi quelli con il vuoto).
La valutazione della macchina più adatta alle proprie esigenze deve considerare vari e importanti aspetti.
Il primo è il consumo del liquido di trasferimento termico (Galden).
Dato il suo costo elevato (>100 €/Kg) per ridurre il costo di esercizio della macchina è importante che le perdite siano molto contenute. Le macchine più evolute si distinguono per una progettazione che prevede la presenza di sistemi dedicati al recupero dei vapori, permettendo un consumo di Galden di solo 10-15 grammi/ora; questo dato dipende dalla quantità delle schede saldate e dalla loro conformazione.
Se la macchina deve lavorare per molte ore al giorno, o addirittura a ciclo continuo, un aspetto molto importante riguarda il filtraggio del liquido di trasferimento termico. Poiché il residuo del flussante presente nella pasta saldante rimane nel liquido in ebollizione, ci devono essere dei sistemi che permettano di separarlo e filtrarlo in modo opportuno; inoltre, deve essere prevista anche una manutenzione generale del sistema per facilitarne la pulizia e rimozione.
Un altro aspetto importante è la modularità della macchina, cioè la possibilità di retrofittare in un secondo tempo delle opzioni che ne aumentino le prestazioni complessive. Ad esempio, una macchina può essere acquistata inizialmente in modalità stand-alone, per poi montare il modulo per la produzione e gestione del vuoto al fine di eliminare i void dai giunti di saldatura e, successivamente, avere la possibilità di ottenere dei convogliatori ed automatismi che permettano di farla lavorare in linea.
Se gli assemblaggi da saldare hanno una massa significativa, è importante che anche il sistema di cooling sia in grado di raffreddare il prodotto nei tempi dettati dal tipo di processo.
Dubbi ed obiezioni: tombstoning e doppia rifusione
Come già accennato precedentemente, i sistemi a fase di vapore saturo sono caratterizzati dall'assenza completa di ossigeno durante il processo di rifusione. Questo permette al flussante nella pasta saldante di dedicare tutta la sua attività verso le metallizzazioni della piazzola e delle terminazioni del componente, senza dover sciupare efficacia per combattere contro l'ossidazione proveniente da un ambiente in aria.
L'estrema uniformità termica tra la pasta rifusa e la piazzola/terminazione del componente, aggiunta all'assenza di ossidazione, fa sì che la lega bagni meglio tutte le metallizzazioni, producendo così giunti brillanti e con menischi perfetti. Tuttavia, un problema che viene accentuato dall'atmosfera inerte (o che emerge, se precedentemente era latente) è il tombstoning, cioè il sollevamento di una delle estremità dei componenti di tipo chip resistor o capacitor di piccole dimensioni (0603 e inferiori).
La causa primaria del tombstoning è l'azione sbilanciata della tensione superficiale della lega rifusa che agisce sulle terminazioni del componente.
Il tombstoning può essere minimizzato o eliminato agendo su vari parametri che lo influenzano: la geometria complessiva delle piazzole (dimensioni, forma, distanza), il deposito di pasta saldante (quantità, geometria, tipologia), il profilo termico.
Se non è possibile modificare la geometria delle piazzole, ci sono una serie di altre misure che possono essere prese per ridurre il tombstoning:
1. Verificare che il piazzamento dei componenti sia molto accurato: anche piccoli scostamenti della posizione possono causare il tombstoning (utilizzare solo dati CAD, evitando una “ottimizzazione” manuale; verificare le potenzialità della macchina).
2. Applicare le nuove geometrie solo sulla lamina del telaio, per avere comunque una riduzione della quantità della pasta saldante depositata (anche del 20-30% rispetto alla dimensione della piazzola). La riduzione della quantità di pasta saldante svolge un ruolo molto importante nella riduzione del tombstoning, dato che tra i parametri coinvolti in questo fenomeno questo è l'unico sul quale si può avere un buon controllo: infatti non è possibile cambiare la tensione superficiale della lega saldante, la massa del componente e il braccio di leva dovuto alla geometria delle piazzole. Anche una diversa geometria delle aperture della lamina aiuta a ridurre il fenomeno del tombstoning, come ad esempio quella triangolare o a striscia.
3. Ottimizzare il profilo di rifusione in modo tale da raggiungere una distribuzione uniforme del calore nella fase appena precedente la rifusione. Gli attuali sistemi a fase vapore offrono la possibilità di modificare la curva di preriscaldo con un buon grado di flessibilità. La cosa importante è che anche durante il preriscaldo sia garantita un'atmosfera completamente inerte, per evitare l'ossidazione delle metallizzazioni e, quindi, vanificare una delle caratteristiche peculiari della tecnologia a fase vapore.
4. Utilizzare paste non eutettiche. Il passaggio meno repentino dallo stato solido a liquido riduce le forze in gioco.
5. Verificare che le metallizzazioni dei componenti non siano contaminate.
Un altro dubbio che viene posto riguarda il comportamento dei componenti sul lato bottom nel caso di un doppio reflow. Data l'uniformità termica della scheda e del vapore, anche i giunti dei componenti sotto il pcb rifonderanno nuovamente; tuttavia questi non cadranno, se non in condizioni particolari.
La ragione per cui rimangono “appesi” risiede nel fatto che la tensione superficiale della lega è molto elevata e mantiene quindi attaccati i componenti. Quando il peso del componente è superiore alla forza esercitata da tutte le sue terminazioni sulle piazzole, allora si avrà il distacco.
Per ovviare a questo inconveniente è necessario valutare quale lato saldare per primo e, quando non sia possibile evitare la presenza di componenti pesanti sul lato bottom, è necessario prevederne l'incollaggio (uno o due punti di colla sono sufficienti; la colla polimerizzerà prima della rifusione della pasta).
Saldatura con il vuoto
Alcuni sistemi a fase vapore offrono la possibilità di poter estrarre i void dai giunti di saldatura mentre questi si trovano in fase liquida. L'assenza di voids nei giunti ne migliora la resistenza meccanica, e quindi l'affidabilità complessiva; per i componenti di potenza, con grandi superfici di contatto, viene ottimizzata anche l'affidabilità termica, garantendo così la massima dissipazione del calore prodotto dal componente.
Gli approcci progettuali delle macchine differiscono, tuttavia è importante che il tempo totale di liquido non sia eccessivo, che l'applicazione del vuoto sia modulato nel tempo per evitare problemi dovuti alla fuoriuscita repentina dei vois (corti, solder balling), e che il livello di vuoto sia sufficientemente elevato per garantire un buon risultato su componenti più impegnativi quali i D2PACK e simili.
La Asscon VP6000 permette di ottenere livelli di vuoto inferiori ai 10 mBar, riuscendo così ad ottenere risultati eccellenti su componenti con basso spessore di lega saldante di interfaccia, dove l'evacuazione dei void è più difficoltosa.
