SALDATURE E RIPARAZIONI ESENTI DA PIOMBO (LEAD-FREE) IW2BSF - Rodolfo Parisio 2011 Per noi Radioamatori e Hobbysti di elettronica e basilare sapere il modo ottimale per procedere con la Direttiva RoHS che sappiamo bene che non e piu permesso l uso del piombo nelle saldature della maggior parte delle applicazioni (anche se esiste un numero limitato di esenzioni). Sara quindi necessaria una revisione delle tecniche di saldatura. Chip in SMD Alcuni componenti non saranno piu disponibili a causa della razionalizzazione da parte dei fabbricanti. Pertanto questo influenzera applicazioni che non rientrano nell'ambito della RoHS. Le implicazioni sono che si dovranno usare nuove leghe di saldatura che si comportano in modo differente. Pensate che ci sono piu di 100 leghe possibili che sono state proposte e valutate come alternativa a quella tradizionale. Le piu comuni leghe lead-free fondono a temperature superiori di circa 40C rispetto alle leghe stagno/piombo. Quelle piu comunemente usate sono basate su stagno,argento e rame e vengono spesso chiamate leghe SAC, dall origine latina dei nomi dei componenti: stagno (Sn), argento (Ag) e rame (Cu) Sono adatte a varie applicazioni e non presentano punti critici rilevanti in relazione alle prestazioni, inoltre hanno una buona resistenza alle alte temperature. Ci sono comunque altre leghe dotate di vantaggi specifici. Le principali differenze tra le leghe SAC e le saldature stagno/piombo sono: - Punto di fusione piu alto (40 gradi superiore)
- Bagnabilita Inferiore - Formano una saldatura piu resistente - Aspetto opaco (sembra una saldatura stagno/piombo scadente) - Potrebbero richiedere un flussante diverso e piu attivo Altro lato negativo che sono piu care perche queste leghe contengono metalli piu costosi! Quindi I componenti dovranno essere conformi alla Direttiva RoHS e compatibili con i processi lead-free. Questi componenti sono sempre piu disponibili sul mercato (verificare sulla busta che ci sia il logo Verde ROhs. ATTENZIONE perche la temperatura di saldatura piu elevata, richiesta dalle leghe leadfree, potrebbe causare dei danni a componenti non conformi. Ma Quali sono gli effetti delle saldature lead-free nella normale saldatura manuale? Questo tipo di saldatura richiede tempi superiori, inoltre i punti di saldatura hanno un aspetto Opaco,tipico da saldatura fredda!.e molto importante comprendere che una saldatura lead-free ha un aspetto diverso da quella tradizionale e pertanto non si devono effettuare rilavorazioni non strettamente necessarie su saldature accettabili. Le punte dei saldatori verranno erose molto piu velocemente; seguite le istruzioni del produttore per la sostituzione delle punte (attualmente sono disponibili delle punte specifiche da usare con leghe di saldatura lead-free). Le riparazioni e le modifiche richiedono grande esperienza per evitare danni al circuito stampato Assemblato. Attualmente lo standard di saldatura IPC610D include l utilizzo di saldature lead-free. Da notare che esiste il diffuso ed erroneo concetto che le leghe lead-free siano piu sicure di quelle stagno/piombo. I fumi dannosi sono generati dal flussante usato. Se non viene utilizzato un sistema di aspirazione dei fumi, lavorate in un ambiente ben aereggiato! La buona notizia e che si posso usare componenti lead-free con leghe stagno/piombo e fare ottime saldature. Prima della completa conformita con la Direttiva RoHS, su un circuito stampato si potranno usare sia componenti conformi, sia non conformi. L importante e evitare l uso di leghe lead-free finche tutti i componenti utilizzati non siano conformi, altrimenti si rischia di danneggiarli. CONSIGLI PER UNA BUONA SALDATURA DEGLI SMD Materiale minimo occorrente che si puo trovare abbastanza facilmente nei negozietti di elettronica
oppure alle fiere: - Saldatore stilo a bassissima potenza (possibilmente sotto a 10 W) con la punta sottile (possibilmente sotto a 1 mm, 0.5 mm è l'ideale) - Saldatore stilo a bassa potenza (attorno a 15-20 W) con la punta piatta o a conchiglia da 2-3 mm. La punta a conchiglia (ossia dotata di una concavità sul bordo smussato) è preferibile, perché permette di effettuare molto più comodamente le stagnature "in serie" dei pin degli integrati QFP. È meglio non scegliere una punta troppo larga, così potete usarla anche per saldare i normali componenti through hole. 1: se avete uno stagnatore con punte intercambiabili a sgancio potete anche usare quello, ma personalmente trovo più comodo averne due separati e sempre pronti. 2: i saldatori con controllo di temperatura sono un inutile spreco di soldi. I saldatori stilo di qualità sono più che sufficienti per ciò che dobbiamo fare noi. - pinzette piccole e sottili per SMD - lente di ingrandimento o appositi occhiali ingrandenti - Flussante liquido con pennellino dosatore. È pressoché impossibile fare a meno del flussante per la saldatura SMD, specialmente autoprodotte e quindi prive dei trattamenti professionali. su schede - Alcol Isopropolico utile per pulire i residui di flussante una volta finita la saldatura, oppure per pulire la scheda prima di iniziare a saldare. (si trova alla solita RS o pare anche nei vari Brico). La Saldatura La saldatura SMD è sostanzialmente simile a quella tradizionale, cambiano soltanto le misure e quindi la precisione necessaria. Esistono tre GRUPPI di componenti: 1. quelli che si saldano "pin per pin", esattamente come i componenti tradizionali. Sono tutti i componenti discreti (0805, 1206, SOT-23 e così via) e gli integrati a due file di pin con passo 1.27 mm (gli SO). 2. quelli che è improponibile saldare pin per pin, perché ne hanno troppi e troppo vicini. Sono tutti gli appartenenti alla grande famiglia QFP, con passi che vanno tipicamente da 1 a 0.5 mm. 3. quelli che è improponibile saldare e basta. Sono i package con pin nascosti che non si possono verificare direttamente una volta montati, come i BGA. Spiacente, questi non potete montarli con mezzi di fortuna; o meglio, potete provarci, ma è un po'come giocare alla lotteria.
I componenti del gruppo 1 si saldano come già detto in modo abbastanza tradizionale, si posizionano con le pinzette e poi si salda ogni terminale con la punta e lo stagno sottilissimi. Può essere utile, specialmente per gli SO, saldare in modo sommario due pin alle sue estremità per "fermare" il componente, per poter poi eseguire in modo più preciso le altre saldature. Come e più del solito è fondamentale che le piazzole siano ben pulite e meno ossidate possibile. Il flussante liquido aiuta (usatelo di buona qualita aiuta molto!). Flussante Va da sé che se la scheda è stata prodotta in modo professionale (nichelatura delle piazzole più solder mask) sarà molto più semplice effettuare le saldature. I componenti del gruppo 2 sono i più interessanti e sono quelli che creano più timore ai neofiti del SMD. In realtà invece sono più facili da saldare degli altri, tanto è vero che io spesso uso la procedura che segue anche per saldare gli SO del gruppo 1! Il trucco è quello di non considerare i pin singolarmente, bensì saldare un'intera fila in un colpo solo. Come sempre pulite perfettamente la scheda, poi stendete un velo di flussante su tutte le piazzole, appoggiate e centrate il componente QFP con la massima precisione ed esaminando tutti i lati (prendete tutto il tempo che ci vuole, questa è l'unica vera operazione critica di tutto il processo!). Una lente di ingrandimento aiuta enormemente. Quando avete una centratura soddisfacente, saldate in modo sommario qualche piazzola del QFP, in modo da bloccare il componente. Dopodiché stendete un altro velo di flussante sui piedini. A questo punto viene il bello. Prendete lo stagnatore con punta piatta o a conchiglia, e bagnatela con un po' di stagno. Poi passate la punta su tutta una fila di pin, tenendola parallela al lato del componente che state saldando, facendola scorrere lentamente ma senza incertezze alle estremità dei pin. Se tutto va bene vedrete lo stagno che aderisce perfettamente fra ogni pin e la rispettiva piazzola! È normale che si crei qualche corto circuito fra due o più pin; potete sistemare le cose facilmente in un secondo tempo con la trecciola dissaldante, ed eventualmente ritoccando con lo stagnatore con punta sottilissima. Trecciola
Alla fine della procedura (da ripetere per ciascun lato) vi consiglio di ricontrollare tutti i pin con la lente di ingrandimento: spesso fuggono delle sbavature. In particolare uno dei problemi più insidiosi è il corto circuito che si può creare nella parte "alta" del pin, a ridosso del contenitore plastico del componente: con i pin a passo molto ravvicinato lo stagno tende a risalire per effetto capillare, spesso lo si dimentica e si controlla solo l'estremità inferiore dei piedini. Dissaldare Le dissaldature possono avere uno di questi due scopi (o entrambi): recuperare un componente, e/o liberare la scheda da un componente. Nel primo caso è fondamentale utilizzare un metodo non distruttivo; nel secondo caso può essere a volte necessario (o accettabile) distruggere il componente per rimuoverlo dalla scheda. A livello professionale esistono parecchi metodi efficaci per la dissaldatura di componenti; quello più noto è l'utilizzo di una stazione ad aria calda, in sostanza un phon con flusso d'aria e temperatura controllati che non fa altro che sciogliere lo stagno sui pin e quindi liberare il componente. Le stazioni ad aria calda costano svariate migliaia di euro, ma noi ovviamente abbiamo altri piani. PRIMO METODO L'idea è quella di sfruttare il fatto che, a differenza dei componenti tradizionali, fra piazzola e pin di un componente SMD c'è soltanto lo stagno. Quindi se noi riusciamo a far passare sotto al pin qualcosa mentre lo stagno è sciolto, è molto probabile che il pin si stacchi dalla piazzola. Questo "qualcosa" è il filo da wire wrap, opportunamente spellato. È quindi sufficiente far passare il filo da wire wrap sotto a una fila di pin, nell'interstizio fra il pin e il corpo del componente.quando avete fatto passare il filo, fissatelo a una delle due estremità saldandolo da qualche parte.(ora non vi resta che scaldare i pin con lo stagnatore a punta piatta e contemporaneamente tirare (con delicatezza!) l'altra estremità del filo, in modo che passi sotto ai pin e quindi li alzi. Lento ma geniale, no? Filo Wire Wrap
L'altro metodo di dissaldatura, generalmente distruttivo, è quello di usare un succedaneo della stazione ad aria calda. Nelle ferramenta o nei negozi di materiale elettrico ben attrezzati potete trovare delle pistole ad aria calda a prezzi non esagerati (sicuramente sotto ai 50 euro); in genere queste pistole servono per scaldare le guaine termorestringenti, ma dato che riescono a generare flussi d'aria a diverse centinaia di gradi esse riescono senza problemi anche a sciogliere lo stagno. Il resto lo lascio alla vostra fantasia ;-). Mi limito soltanto a dirvi che se non "canalizzate" in qualche modo il flusso d'aria, ad esempio tramite delle formine di metallo opportunamente sagomate che circondino il componente da dissaldare, con ogni probabilità dissalderete una buona parte della scheda, non solo il componente che vi interessa! Per ora è tutto,con quello che ho scritto finora siete perfettamente in grado di saldare componenti SMD complessi a piacere, eccetto i BGA ( i tremendi chip con sotto un array di palline di stagno! ). PROBLEMI SALDATURE: - Tomb-stoning. Si verifica quando un componente viene posizionato tra due piazzole a temperature differenti. Quando la lega si solidifica, la differenza di tensione sulla superficie fa si che il componente venga tirato lateralmente, o verso l alto, lontano da una delle piazzole. In casi estremi non sara piu a contatto con la lega saldante, risultando sollevato.questo fenomeno si verifica con leghe stagno/piombo, ma e piu diffuso con le saldature lead-free. - Effetto Popcorn. Molti componenti contengono una quantita naturale di umidita. Se vengono riscaldati rapidamente, questa si trasforma in vapore. Se non puo dissolversi rapidamente, la pressione potrebbe danneggiare il componente (la sagoma si spacca).
Tomb-stoning - Baffi di stagno (tin whiskers). Sono dei piccoli cristalli di stagno simili a capelli che si formano occasionalmente su rivestimenti in puro stagno.di solito non causano problemi, anche se la loro rottura potrebbe provocare dei micro cortocircuiti su componenti con un passo molto piccolo. Secondo i fabbricanti di componenti, gli ultimi processi di produzione hanno ridotto notevolmente il problema. tin whiskers Considerazioni finali.
Secondo me è più che altro una trovata del marketing dei fabbricanti di saldatori, immaginate il grande business che si aprira con il cambio di tutti i saldatori, stazioni saldanti e dissaldanti e delle leghe per la saldatura! Difatto questa normativa prevede l'eliminazione del piombo dalle leghe di stagnatura. Quindi con le direttive Rohs, il saldatore non va cambiato ma va cambiata la punta perche'le nuove leghe hanno un differente punto di temperatura di fusione di circa 40 gradi in piu. Questo significa che la classica lega stagno-piombo 60/40 non potrò più essere prodotta, sostituita da leghe tipo stagno-argento-rame che hanno punto di fusione più elevato (circa 220 C a seconda della composizione, contro i 183 C della 60/40). Vecchia Lega Stagno/piombo 60/40 Nuova Lega Stagno/Argento/Rame 183 gradi 220 gradi Ora, non è che gli stagnatori siano tutti quanti tarati a 183 C esatti, perchè per la fusione della lega è necessaria una temperatura minima, ma anche una quantità di calore; e siccome le punte per stagnare devono essere le meno voluminose possibile, per aumentare la quantità di calore l'unico sistema è aumentare la temperatura della punta. Generalmente la punta di uno stagnatore è regolata a circa 350/370 C, quindi quei 40 C in più potrebbero dare fastidio solo se si utilizzano punte sottilissime. Se uno ha una stazione regolabile il problema non si pone. Ma il marketing delle aziende non si ferma qui, cercando di far credere che chi ha una classica stazione regolabile da 50W, con le nuove normative dovrà assolutamente sostituirla con una da 80W. Prima di cambiare saldatore, fatevi una bella scorta di stagno 60/40, finchè lo trovate in commercio. Oppure provate il saldatore con le leghe senza piombo: può essere che non Vi accorgiate della differenza; io ho saldato per anni con lega sn/ag/cu usando un normalissimo saldatore da 230V 30W di buona qualità e mi sono sempre trovato benissimo; anzi: lo stagno che uso è più facile da usare del 60/40 comune, probabilmente perchè il flussante è di ottima qualità. Recentemente mi sono regalato una stazione da 80W: sicuramente la saldatura (e la dissaldatura) di componenti delicate è più semplice perchè la maggior potenza consente una più rapida saldatura, senza sottoporre i componenti a surriscaldamenti. Ma quello che fate con il 60/40 lo fate tranquillamente con le sn/ag/cu!! Per chi vuol spendere un po di soldini per aggiornarsi in commercio c e ERSA TC 70 o la WELLER WTC P51 ma forse per noi radioamatori hobbisti hanno prezzi un po elevati!