Tutto sul processo di saldatura a rifusione dell'assemblaggio SMT
La saldatura è un metodo generalmente di natura termica (ciò significa che utilizza calore a temperature molto più elevate di quelle ambientali), per mezzo del quale si possono unire due o più componenti meccanicamente e, nel caso di settori legati all'elettronica, il collegamento elettrico dei componenti elettronici. Quindi questa saldatura deve prevedere un'unione di conduzione elettrica, ovvero un'unione di caratteristiche elettromeccaniche che permettano ai componenti di essere fissati tra loro a una struttura a telaio o a un circuito stampato e allo stesso tempo possano essere collegati elettricamente ai terminali di questo o alle piazzole a seconda dei casi, in un forno a rifusione l'unione è solitamente costituita da terminali o fili e, nel caso dei circuiti stampati, da piazzole.
Esistono numerosi metodi di saldatura (saldatura a onda, saldatura a riflusso, saldatura manuale e altro ancora)Alcune sono utilizzate in ambito industriale, altre in ambito amatoriale e hobbistico e alcune tecniche sono utilizzate in entrambi i campi. In questo articolo ci riferiremo a saldatura a riflusso, un tipo di saldatura utilizzato soprattutto in ambito industriale, anche se oggi esistono alcuni piccoli dispositivi di saldatura a rifusione che possono essere acquistati dai dilettanti e utilizzati nel piccolo laboratorio dell'hobbista dell'elettronica.
Come saldare a riflusso
Entriamo nel merito della saldatura a riflusso: in poche parole, consiste nell'applicare uno strato di pasta saldante sulle piazzole della scheda a circuito stampato, quindi posizionare il Componenti SMD nella posizione corretta, il circuito stampato verrà portato in un forno che riscalderà l'intero assemblaggio consentendo alla saldatura di fondersi e quindi di solidificarsi fissando tutti i componenti elettricamente e meccanicamente al circuito stampato.
Analizziamo ora il processo in modo più dettagliato, per capire come questo Il metodo di saldatura funziona.
In Assemblaggio SMTL'assemblaggio a montaggio superficiale richiede che le schede dei circuiti stampati abbiano delle piazzole sulle quali verranno saldati i componenti elettronici. Queste piazzole sono scoperte dallo strato StopMask perché su di esse verrà applicata la saldatura.
La pasta saldante utilizzata nel metodo di saldatura a riflusso è costituita da piccole sfere di metallo saldante (o dalle leghe utilizzate argento, stagno, piombo, ecc.) combinate con paste solventi e agenti che favoriscono l'adesione dei componenti, come il flusso che mantiene in sospensione le piccole sfere di saldatura. La pasta saldante può avere una consistenza simile a quella di un dentifricio con il colore caratteristico della saldatura utilizzata in elettronica.
Per applicare la pasta saldante su queste piazzole si utilizza un foglio noto come "stencil" che servirà da modello per l'applicazione della pasta saldante; questo stencil è solitamente costruito in un sottile foglio di metallo con perforazioni che corrispondono alle piazzole del circuito stampato. Questo schema di perforazione si ottiene dal livello StopMask dei file Gerber generati durante la fase di progettazione del PCB.
Il circuito stampato sarà quindi dotato di una piccola quantità di pasta saldante su ciascuna delle piazzole in cui sarà posizionato un componente a montaggio superficiale o SMT.
La fase successiva consiste nel posizionare i componenti elettronici sul PCB nella posizione esatta, in modo che ogni terminale di ciascun componente corrisponda alla piazzola corrispondente sul PCB. Questo compito viene svolto dalla macchina pick and place, una macchina automatizzata che posiziona accuratamente ogni componente nel posto giusto.
Questo processo può essere eseguito anche manualmente, quando il progetto è di piccole dimensioni o ha pochi componenti SMT a montaggio superficiale, utilizzando una pinzetta, ogni componente può essere posizionato sopra le piazzole corrispondenti; poiché la pasta saldante ha una consistenza cremosa, permetterà di trattenere leggermente i componenti a causa di un fenomeno fisico noto come tensione superficiale.
Il circuito stampato viene portato in un macchina a riflusso dove avverrà il processo di saldatura in quanto tale.
Il processo di riscaldamento all'interno di questo forno è separato in diverse fasi e il modo in cui il calore viene applicato e il controllo dell'aumento della temperatura nel tempo è un fattore critico per far aderire correttamente i componenti, per avere una saldatura finale di qualità e per evitare danni ai circuiti interni del dispositivo. Componenti PCB.
Questo processo di riscaldamento richiede un controllo rigoroso, in modo da raggiungere le temperature necessarie per la saldatura e ottenere una connessione forte e costante con il circuito stampato, ma anche per evitare che queste temperature raggiungano livelli pericolosi per il materiale semiconduttore dei componenti, in quanto potrebbero danneggiarli.
Quattro processi di saldatura a riflusso
Rampa da immergere
La prima fase di riscaldamento per la saldatura a riflusso è chiamata "Rampa di immersione" e consiste nell'aumentare gradualmente la temperatura della PCBA in modo che la temperatura salga in modo sicuro, permette a tutti i componenti e all'intero assemblaggio di raggiungere una temperatura sicura, omogenea e costante, inoltre durante questa fase vengono sciolti i solventi volatili della pasta saldante evitando che vi siano residui all'interno di questa, la missione di questi liquidi che sospendono la saldatura; cioè renderla pastosa, è quella di facilitare l'unione di questa con i componenti, tuttavia se con il tempo rimangono dei residui all'interno della saldatura questi possono compromettere la qualità dell'adesione elettronica, per questo motivo è importante che evaporino durante il processo di saldatura e ciò avviene durante la fase di preriscaldamento della zona.
Zona di immersione termica
La fase successiva è chiamata zona di immersione termica e consiste nell'esporre l'assemblaggio a una temperatura costante e per una durata di 1 o 2 minuti, consentendo di completare l'eliminazione dei volatili dalla pasta saldante per evaporazione, si attiveranno i flussanti quali Flusso di PCBI componenti inizieranno ad aderire alle piazzole del circuito stampato e consentiranno un'adesione priva di ossido grazie alla presenza di un ambiente di flussanti evaporati. Una temperatura troppo elevata in questo processo può far schizzare la saldatura o formare grumi, nonché ossidare la pasta saldante, compromettendo l'adesione e la terminazione della saldatura. Se la temperatura è troppo bassa, i disossidanti potrebbero non essere completamente attivati.
Nella zona di immersione, l'equilibrio termico è desiderato in tutto l'assemblaggio; la temperatura di saldatura deve essere omogenea prima che l'assemblaggio possa essere portato alla zona di rifusione successiva. Il profilo della zona di immersione può ridurre le differenze di temperatura tra i diversi componenti o tra le diverse aree del PCB, soprattutto se la scheda PCBA è molto grande; inoltre, il profilo di immersione è consigliato per ridurre i problemi di saldatura sui componenti a matrice, come i componenti con terminali BGA.
Zona di riflusso
La terza zona è quella di riflusso, nota anche come "tempo sopra il riflusso" o temperatura TAL sopra il livello del liquido. A questa temperatura si raggiunge la temperatura massima, che è importante tenere sotto controllo per la buona riuscita del processo. In genere è compresa tra 20 e 40 gradi al di sopra della temperatura di fusione della saldatura (che è la temperatura alla quale la saldatura passa allo stato liquido).
Poiché i componenti a semiconduttore (transistor, circuiti integrati, mosfet) e i componenti elettronici discreti (resistenze, condensatori, bobine, induttori) hanno temperature di tolleranza di saldatura diverse, la temperatura massima raggiunta nella zona di riflusso deve essere inferiore al componente più sensibile ai danni termici. Una buona regola è quella di sottrarre 5 gradi dalla temperatura massima che il componente più fragile può sopportare; oppure alla temperatura più bassa specificata nella scheda tecnica come temperatura massima durante il processo di riflusso, è importante monitorare attentamente l'intera procedura e non superare mai questo limite. Temperature elevate, oltre i 260℃, possono danneggiare gli elementi interni dei componenti a montaggio superficiale e generare la crescita di ossidi intermetallici che influiscono sulle prestazioni dei semiconduttori; d'altra parte, se la temperatura non è sufficientemente elevata, può impedire alla pasta di fondere senza problemi.
In questa zona, la temperatura è superiore al punto liquido, il flussante riduce la tensione superficiale e fa sì che i componenti della saldatura si separino permettendo alle sfere di polvere metallica di unirsi, facendo evaporare completamente il resto del materiale del flussante.
La temperatura e il tempo non devono in ogni caso superare le specifiche del produttore della saldatura; se è troppo alta può consumare prematuramente tutto il flussante generando una saldatura secca che darà una cattiva formazione, con la comparsa di giunti di saldatura rotti all'interno della saldatura e l'essiccazione della saldatura, bolle all'interno e ruggine.
L'errato calcolo della relazione temperatura/tempo può portare a una riduzione dell'efficienza del flussante, il cui compito è quello di ripulire la saldatura dalle impurità, con conseguente scarsa bagnatura, rimozione inadeguata del solvente e del flussante dalla saldatura e giunti difettosi.
Si raccomanda che il periodo della zona di riflusso sia il più breve possibile, tuttavia la maggior parte delle paste saldanti specifica che questo periodo dovrebbe essere di almeno 30 secondi, sebbene non sia stata spiegata la ragione di questo tempo particolare; una possibilità è che in alcuni punti della PCBA la temperatura non venga raggiunta con il profilo programmato, quindi l'impostazione di un tempo di 30 secondi riduce le possibilità che ci siano aree che non riescono a fondere a causa della mancanza di temperatura. Considerando che ottenere una temperatura omogenea sulla PCBA è piuttosto difficile, un tempo di rifusione minimo ridurrà le variazioni di temperatura all'interno del forno.
La temperatura di rifusione non deve superare i 60 secondi, poiché questo tempo è eccessivo per molti componenti elettronici.
D'altra parte, un tempo di rifusione troppo breve o una temperatura troppo bassa possono intrappolare solventi e disossidanti all'interno, creando giunzioni fredde o non corrette a causa di piccoli vuoti (bolle) che possono comparire all'interno della saldatura. Qualsiasi piccolo errore che si verifica nel forno di rifusione SMT può portare a Assemblaggio di PCB errori, causando Problemi comuni dei PCB.
Zona di raffreddamento
La zona di raffreddamento consente di ridurre gradualmente la temperatura della scheda durante il processo di saldatura per consentire una corretta solidificazione, riducendo così l'eccessiva formazione intermetallica dovuta allo shock termico dei componenti, ossia a un cambiamento troppo rapido della temperatura, che si verifica all'interno dei componenti.
Le temperature nella zona di raffreddamento variano da 30 a 100 gradi; la velocità di raffreddamento genera una struttura a grana fine meccanicamente più solida. La velocità di accelerazione viene spesso ignorata o non monitorata rigorosamente, forse perché la velocità di rampa è meno critica. La pendenza massima consentita per qualsiasi componente deve essere applicata sia in fase di riscaldamento che di raffreddamento; si suggerisce una velocità di raffreddamento di 4℃ al secondo. Questo parametro deve essere considerato durante PCBA assemblaggio, in particolare su parti critiche per applicazioni aerospaziali e militari.
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