Vapor phase: una grande soluzione

FORNI E PROFILI TERMICI –

Temperatura conosciuta e definita, alta efficienza nel trasferimento termico, bassi consumi, ininfluenza delle masse termiche: ecco solo alcuni dei vantaggi che fanno del processo di rifusione vapor phase, il più adatto per diversi tipi di pcb presenti sul mercato.

La tecnologia di saldatura in fase vapore è riconosciuta come la migliore per ottenere dei buoni risultati in saldatura evitando il surriscaldamento dei componenti più delicati. Il trasferimento termico si dimostra superiore alle altre tecnologie di rifusione, anche nei casi più difficili dovuti alla presenza di masse termiche fortemente eterogenee sullo stesso pcb. Parlare di saldatura in fase vapore a 40 anni dalla sua introduzione, con forni a convezione forzata che hanno raggiunto livelli qualitativi e prestazioni di ottimo livello, può sembrare anacronistico. Con la recessione economica che a fasi alterne si fa sempre più pesante e la migrazione delle produzioni con grandi numeri verso paesi a basso costo di manodopera ciò che è rimasto in Italia riguarda produzioni limitate del tipo molti codici/bassi volumi, dove l’esigenza principale è la qualità. Una qualità garantita dalla temperatura di picco vincolata alla temperatura di ebollizione di un liquido tecnico, che produce vapore chimicamente ed elettricamente inerte, in grado di garantire una stabilità e un’uniformità termica su tutta la scheda. Il processo di saldatura vapor phase, conosciuto anche come processo di saldatura per condensazione, si basa infatti sull’utilizzo di un liquido tecnico con una precisa e conosciuta temperatura di ebollizione, che una volta raggiunta crea una zona di vapore saturo che avviluppa il pcb. La temperatura raggiunta dal vapore è identica al punto ebollizione del liquido utilizzato, fisicamente non superabile. Quando si immerge una scheda assemblata nella zona di vapore saturo, per quanto possa essere pre-riscaldata, si troverà comunque a una temperatura inferiore rispetto a quella del vapore, che tenderà a condensare sulla sua superficie fino a portarla allo stesso valore. Il vapore che cede il suo calore latente portando in rifusione la pasta saldante.
Un’accurata azione di preriscaldo contribuisce anche in questo processo a evitare i problemi dovuti allo shock termico.In virtù della bassa energia di evaporazione, il liquido presente sulla scheda, a rifusione ultimata evapora velocemente lasciandola completamente asciutta.
L’odierna offerta dei sistemi vapor phase è piuttosto ampia e spazia dai sistemi da laboratorio a quelli per grandi produzioni. A differenza dei forni a convezione forzata, un forno da laboratorio di piccole dimensioni produce con un livello qualitativo molto simile a quello dei forni più grandi, perché il principio fisico di funzionamento è identico.
I sistemi di tipo batch trovano la loro collocazione ideale nella prototipazione e nella produzione di piccole e medie serie, mentre i forni in linea permettono produzioni di alti volumi, ambedue con qualità di saldatura insuperabili da altre tecnologie.

Perché un forno vapor phase?
Rispetto ad altri tipi di processo i maggiori vantaggi di questa tecnologia di saldatura risiedono nel poter disporre di condizioni altamente riproducibili e dipendenti solo dal liquido utilizzato, che permette di lavorare in ambiente perfettamente inertizzato senza ricorrere all’utilizzo di azoto.
La temperatura massima raggiunta è definita e conosciuta, essendo quella consentita dal punto di ebollizione del liquido; di conseguenza pur godendo di un’alta efficienza nel trasferimento termico, nessun pcb è esposto al rischio di surriscaldamento (più il liquido bolle, più vapore è prodotto, ma sempre alla temperatura definita dal punto di ebollizione). Il gradiente termico è preselezionabile secondo le esigenze del circuito assemblato, per l’intero processo di riscaldamento. Essendo completa l’immersione nel vapore si crea una simmetria termica eccellente. Non si crea nessun effetto ombra dei componenti più grossi nei confronti dei più piccoli e il riscaldamento della scheda è omogeneo indipendentemente dalla distribuzione delle masse termiche, dall’assortimento dei package e dalla loro dimensione, forma, colore e finitura superficiale. Il differenziale termico raggiunto tra vari punti del pcb è il più basso in assoluto tra le varie tecnologie di rifusione. Il processo è estremamente veloce ed efficiente perché l’alto coefficiente di trasferimento termico lo rende circa dieci volte più veloce rispetto a quello basato sulla convezione d’aria forzata. Grazie alla bassa tensione superficiale del vapore, si ha la penetrazione anche nelle aperture più piccole rendendo quindi possibile la saldatura in aree nascoste come ad esempio sui terminali dei BGA e in generale dei componenti low stand-off. Il processo è pulito perché la scheda coi suoi componenti entra in contatto solo con il vapore del liquido filtrato. Non si verificano problemi di tipo ESD. Tra gli altri vantaggi ci sono il breve periodo di riscaldamento e il basso consumo energetico, il processo non è inquinante ed è utilizzabile tanto per la produzione in serie quanto per lotti misti. I consumi energetici sono ridotti perché la potenza richiesta per portare in evaporazione il liquido è ridotta del 70-75% rispetto ai forni a convezione grazie all’elevato coefficiente di trasferimento termico del vapore. Anche l’irraggiamento termico nel locale è minimo, evitando consumi di energia nel periodo estivo per condizionare l’ambiente.

Cosa sono i liquidi tecnici?
Il liquido tecnico utilizzato nel processo di rifusione vapor phase è un perfluoropolietere (PFPE) ad alto punto d’ebollizione. Ci sono due produttori di questo tipo di liquido, 3M e Solvay Solexis. Il primo produce Fluorinert con punto di ebollizione a 174 °C e 215 °C. Il secondo produce il Galden con punto di ebollizione a 200 °C, 215 °C, 230 °C e 240 °C.
I liquidi appartenenti alla famiglia dei perfluoropoliesteri sono polimeri liquidi composti da atomi di carbonio, fluoro e ossigeno. I legami all’interno delle molecole C-O e C-F sono estremamente solidi e stabili, tanto da essere considerati fra i legami più stabili dell’intera chimica organica del carbonio.
Sono liquidi chiari, incolore e inodore, la cui viscosità è equivalente a quella dell’acqua, ma il cui peso specifico è circa il 75% maggiore. Essendo termicamente e chimicamente stabili (nessun punto d’infiammabilità, non reagiscono con acidi, basi o forti agenti ossidanti) risultano praticamente compatibili con tutti i materiali utilizzati in elettronica. Possiedono inoltre buone caratteristiche dielettriche. Non essendo infiammabili e neppure tossici, non solo non richiedono precauzioni di stoccaggio, ma una volta evaporati non lasciano nessun residuo sulle schede. Alle condizioni di temperatura e pressione richieste dalla tecnologia di saldatura in fase vapore, un processo di disintegrazione è fuori discussione. Non sono classificati come materiali pericolosi, non sono classificati VOC ed evaporando non creano danni allo strato di ozono.

Saldatura col vuoto per eliminare i void
Abbinare la tecnologia del vuoto a quella della saldatura vapor phase ha consentito di ottenere ottimi risultati nell’eliminazione dei vuoti nei giunti di saldatura.
La formazione di void nei giunti è un problema ricorrente e conosciuto da molti anni, anche se nella maggior parte dei casi, il loro verificarsi non rappresentava un grosso problema. Tuttavia in seguito alla crescente densità d’integrazione, alle nuove generazioni di componenti e alle maggiori prestazioni richieste ai dispositivi elettronici è sempre più sentita l’esigenza di ottenere saldature esenti da void.
Creando una fase di decompressione nella camera di saldatura, quando la lega è ancora in fase liquida, si favorisce la fuoriuscita del gas con la relativa eliminazione dei void a saldatura completata. Infatti la formazione dei vuoti è anche dovuta alla differenza di pressione che si instaura tra il gas presente all’interno del giunto e l’ambiente in cui avviene la rifusione della pasta saldante. In alcune applicazioni di saldatura dei componenti di potenza sui circuiti stampati o la rifusione di componenti su dissipatori, sono in gioco aree di notevole dimensione per favorire la conduzione termica. La presenza di aree di vuoto pregiudica la bontà della trasmissione del calore. In altre applicazioni occorre invece eliminare i void dai fori di via o nei giunti di componenti come i BGA non solo e non tanto per aumentare il trasferimento di calore, quanto per garantire l’affidabilità della tenuta meccanica sul lungo periodo.

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