Saldatura selettiva a contatto

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1 SPECIALE - SISTEMI DI SALDATURA Saldatura selettiva a contatto Una tecnologia di saldatura innovativa, che elimina l imbarcamento delle schede e si basa su un processo automatizzato semplice quanto efficace, è da qualche tempo sul mercato. Ecco i segreti della Stamp Soldering, la saldatura a contatto di Jochen Elbert, Inertec La saldatura selettiva è un campo d applicazione estremamente vasto e rappresenta sempre un problema per chi si trovi a affrontarlo. Le applicazioni possono spaziare da semplici connettori con ingombro di 2,54 mm a giunti di saldatura molto complessi e circondati da componenti SMD. Gli stessi pcb, ad esempio quelli delle schede di potenza usati comunemente nelle applicazioni automotive per veicoli elettrici o ibridi, là dove siano presenti alte correnti operative, così come quelli utilizza- 40 PCB gennaio/febbraio 2013

2 ti nell industria del fotovoltaico, possono rappresentare un vero e proprio problema, principalmente a causa dei requisiti termici imposti dai pesanti circuiti stampati multistrato che normalmente vengono utilizzati in questi campi. Inertec è sul mercato da più di 20 anni e ha fornito, a partire dal 1992, anno della fondazione, ogni tipo di macchina di saldatura selettiva, ciò mentre altri costruttori di macchine saldavano ancora con dispositivi a onda e maschere protettive. Il vantaggi di Inertec sono stati fin dall inizio l alta flessibilità e la gamma di prodotti che vanno dalle macchine a minionda da tavolo ai sistemi flessibili della serie Inline System, che combinano il processo di saldatura a minionda ai requisiti di alta velocità richiesti dalla saldatura a contatto, quella che in inglese viene definita stamp soldering. In particolare per le piccole aziende o per i terzisti, la facilità d uso e la flessibilità di questi tipi di macchine possono rappresentare la chiave di volta dell intero sistema produttivo. L acquisizione delle caratteristiche del pcb può essere eseguita utilizzando l Offline Software, oppure utilizzando un puntatore laser che definisca i giunti di saldatura individualmente. Il sistema entry level proposto da Inertec garantisce già esso stesso alta ripetibilità, quasi come se in questa macchina si usassero servomotori per ognuno gli assi e unità di misura separate dell altezza dell onda. Fig. 1 - Particolare delle due onde indipendenti Ciò significherebbe dover disporre, in produzione, di due sistemi di saldatura separati: la combinazione di entrambi i processi in un unica macchina renderebbe tale problema semplicemente risolvibile e conveniente dal punto di vista dei costi. Il sistema dovrebbe inoltre essere progettato in base alle esigenze d ingombro, così come in funzione dei sistemi di handling. Tutto ciò permetterebbe di proteggere l investimento del cliente e utilizzare i due diversi processi mediante un unica macchina: cioè un sistema a minionda e una tradizionale saldatrice a onda. Ciò renderebbe il processo produttivo molto flessibile visto che tale situazione si rende anche disponibile come sistema di movimentazione di schede nude. Due in una Un ulteriore problema per produttori di medie e piccole dimensioni è il bisogno di disporre, in fase di produzione, sia del processo tradizionale di saldatura a onda sia di quello della saldatura selettiva. Fig. 2 - Le schede sottoposte a saldatura sono fissate a un telaio che ne evita l imbarcamento PCB gennaio/febbraio

3 Il problema è stato affrontato con grande attenzione da Inertec; e ha dato i suoi risultati. Una serie di aziende che operano oggi nel settore dell automotive usano le Inline Solutions di Inertec, proprio perché queste permettono lavorazioni di progetti particolari a velocità di tempo ciclo inferiori ai 30 secondi per pcb. Un altro problema è poi quello dell imbarcamento. L uso sempre maggiore di operazioni di reflow sui doppia faccia, largamente utilizzati per SMT ad alta densità e assemblati a tecnologia mista through-hole, rendono queste schede suscettibili alla deformazione, difetto questo che naturalmente incide sulla loro planarità durante le successive fasi di saldatura though-hole. La necessità di ovviare a tale inconveniente è stata affrontata dal team di ingegneri di Inertec che hanno inventato un nuovo tipo di saldatura, la cosiddetta saldatura a contatto (stamp soldering). Si tratta di una Fig. 3 - Area di saldatura in atmosfera d azoto soluzione di alta tecnologia ingegneristica che offre risultati di alta qualità con l applicazione accurata e ripetuta di una certa quantità di lega saldante fusa su un circuito stampato usando uno stampo statico di saldatura volumetrica. Questa tecnologia di saldatura garantisce la totale planarità nel corso dell intero processo di saldatura through-hole. Sistemi punto-punto e multi-nozzle: vantaggi e problemi Fig. 4 - Visione d insieme di una saldatrice Inertec con tecnologia a contatto In caso di SMT ad alta densità e di assemblati a tecnologia mista though-hole vengono usati normalmente sistemi di saldatura selettiva multi-nozzle o punto-punto, che utilizzano una riserva di saldatura in fusione in ricircolo per formare i giunti through-hole. In ogni caso, questi metodi possono presentare dei problemi come l inconsistenza o l instabilità dell altezza dell onda causata dalla lega in fusione che scorre attraverso le aperture degli ugelli di diverse dimensioni, così come la deformazione eccessiva della scheda causata dagli stress termici. La saldatura selettiva punto-punto è altamente flessibile finché si riesce a esercitare il controllo sull angolo di saldatura, sui tempi di contatto e sul vo- 42 PCB gennaio/febbraio 2013

4 lume di flussante utilizzato. Il processo punto-punto può essere effettuato esercitando un controllo sull altezza dell onda di saldatura. Il mantenere il parallelismo fra la superficie della scheda e l ugello di saldatura di un sistema punto-punto è un attività complessa, che richiede spesso una continua regolazione della coordinata Z per compensare l imbarcamento della scheda. I sistemi di saldatura selettiva multiugello sono molto più rapidi dei sistemi punto-punto, ma il processo è condizionato dal componente che presenta i maggiori problemi termici. L altezza dell onda di un sistema multi ugello può spesso dimostrare quanto il sistema sia regolare o instabile dato che la saldatura allo stato fluido scorre attraverso ugelli diversi. La contaminazione da scorie è un altro importante aspetto dato che questa - in un sistema multi ugello - può limitare ulteriormente la stabilità dell altezza dell onda. Quando ciò viene combinato con l imbarcamento della scheda (risultato, ad esempio, dei due processi di riscaldamento a cui viene sottoposta una scheda a doppia faccia durante un processo di reflow), l instabilità dell altezza dell onda può portare a un mancato contatto e a una maggior tendenza a generare difetti, quali una scarsa capacità di riempimento dei fori, una presenza eccessiva di materiale o cortocircuiti. Un metodo di saldatura selettiva che sia estremamente efficace nella riduzione della frequenza dei cortocircuiti in caso di schede che presentino un alto grado di imbarcamento è quello dei sistemi a saldatura non fluida. Questi sistemi utilizzano leghe saldanti in filo o in barre preformate, che fondono nel momento in cui viene formato il giunto di saldatura. Un importante inconveniente di questi sistemi è comunque Fig. 5a Arrivo della scheda nella stazione di flussaggio Fig. 5b Il pcb viene fissato, il coperchio del serbatoio del flussante viene aperto e gli ugelli di flussaggio vengono sollevati Fig. 5c Il pcb viene liberato, gli ugelli si abbassano nel serbatoio del flussante nel momento in cui il pcb esce per dirigersi verso la prossima stazione di lavorazione Fig. 5d Il pcb raggiunge la stazione di preriscaldo Fig. 5e Il pcb lascia la stazione di preriscaldo e viene trasferito verso l area di saldatura PCB gennaio/febbraio

5 Fig. 5f Il pcb arriva sul nastro trasportatore e viene piazzato sul telaio di sostegno Fig. 5g - Il pcb viene fissato al telaio che gli garantisce una perfetta planarità. Ha inizio il livellamento della superficie superiore della lega in fusione Fig. 5h Il coperchio di tenuta di apre e lascia penetrare l azoto nella zona sopra la superficie della lega in fusione Fig. 5i Gli ugelli si sollevano dal bagno di lega in fusione posizionandosi a contatto della stazione sottostante il pcb. La saldatura ha luogo su un pcb perfettamente in piano che questi si presentano come processi abbastanza lenti e che richiedono componenti di saldatura complessivamente costosi, rendendoli meno interessanti dal punto di vista del risparmio economico, soprattutto per quelle attività produttive che non siano prototipi o assemblati prodotti in volumi limitati. La saldatura a contatto La saldatura a contatto (stamp soldering) è un tipo di saldatura selettiva che unisce in sé una grande velocità produttiva e una minima tendenza a creare cortocircuiti tipica dei sistemi multiugello e dei sistemi a saldatura non fluida, con una notevole tolleranza nei confronti dell imbarcamento delle schede. Tale sistema permette di ridurre pesantemente i corti proprio perché riunisce un altezza del materiale in fusione estremamente stabile con un controllo volumetrico della lega utilizzata. Un tale grado di controllo sul volume e sull altezza della lega in fusione determina naturalmente livelli qualitativi estremamente alti con una sensibile riduzione del numero dei difetti. Il processo di saldatura a contatto si svolge in una serie di fasi. (Ved. Figg. da 5a a 5l) L assemblato elettronico da saldare arriva alla stazione di flussaggio dove viene tenuto in posizione fra intelaiature inferiori e superiori che negano qualsiasi imbarcamento. Il flussante viene applicato in zone predeterminate sulla scheda per mezzo di pennelli che sfruttano la tensione superficiale, consentendo un applicazione uniforme e una quantità ideale del materiale, non limitata dalla quantità di contenuti solidi presente in esso. Viene quindi eseguita una fase di preriscaldamento per asciugare il flussante e per rendere attivi gli attivatori presenti nello stesso. 44 PCB gennaio/febbraio 2013

6 Le schede assemblate vengono quindi trasferite verso l area di saldatura dove arrivano e si posizionano su crogioli fissi. Anche in questo caso le intelaiature che fissano superiormente e inferiormente la scheda permettono di evitare qualsiasi imbarcamento della stessa. La parte superiore della lega in fusione presente nei crogioli viene livellata mediante una paletta automatica che rimuove gli ossidi aprendo uno spazio sui crogioli stessi. Questo viene mantenuto in un atmosfera azotata. I crogioli vengono quindi sollevati sulla superficie della lega in fusione trasferendone una parte mediante controllo volumetrico verso un punto specifico sulla scheda e portando così a compimento il processo operando su un piano che è perfettamente piatto e uniforme. Dopo che la fase di saldatura è stata portata a termine, i crogioli vengono abbassati nella loro posizione originale al di sotto della superficie della lega in fusione e la valvola viene richiusa per garantire l ermeticità dell atmosfera d azoto. Dopo di ciò l assemblato viene convogliato direttamente verso l uscita dalla macchina. Tutte queste operazioni vengono effettuate mediante strumenti dotati di codici predeterminati, di modo da consentire sempre l utilizzo degli strumenti corretti che vengono caricati con un particolare programma dedicato. Tutti gli strumenti per il flussaggio a pennello, l intelaiatura di supporto e la saldatura a contatto possono essere sostituiti in un tempo inferiore ai 10 minuti. Versione speciale di queste macchine è ad esempio una versione rotante progettata per gli starter di uso automotive. Il tempo ciclo di 16 secondi, la mancanza di solder balls e, soprattutto, prevenire che i fumi contaminino la parte in lavorazione è stata una sfida che Inertec ha Fig. 5j Dopo che la saldatura ha avuto luogo, gli ugelli vengono nuovamente abbassati nella posizione originale, sotto la superficie della lega in fusione Fig. 5k Il coperchio a tenuta chiude ermeticamente l azoto contenuto sopra la superficie della lega in fusione Fig. 5l Il pcb viene sganciato e convogliato verso l uscita dalla macchina affrontato senza problemi. La risposta è stata un unità di estrazione fumi installata nella sezione di preriscaldo e nella stazione di saldatura, che ha consentito che i fumi non contaminino la parte in lavorazione. Nella macchina vi sono sempre due unità assemblate caricate sul sistema girevole. Nello stesso ciclo sono sempre due le unità che vengono sottoposte a flussaggio, preriscaldate, saldate e raffreddate. Le macchine Inertec, che si basano sulla tecnologia della saldatura a contatto, così come gli approfondimenti specifici sull argomento verranno discussi in occasione del 5 workshop di i-tronik che si svolgerà presso la sede dell azienda a Peraga di Vigonza il 20 e 21 marzo prossimi. i-tronik PCB gennaio/febbraio