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Introduzione
La saldatura a rifusione è una fase di produzione fondamentale nell'assemblaggio dei circuiti stampati , in cui vengono stabilite connessioni affidabili tra i componenti e la scheda. Questa guida esaminerà il processo di saldatura a rifusione, dalle apparecchiature e dai profili di temperatura, alle tecniche che consentono di ottenere risultati di alta qualità. Analizzeremo anche alcuni degli errori più comuni e le migliori pratiche per un assemblaggio impeccabile.
Saldatura a riflusso
Un metodo molto importante per fissare i componenti ai PCB è la saldatura a rifusione. Si inizia applicando la pasta saldante sul PCB con uno stencil. Questa pasta contiene una lega metallica e un flussante che tengono i componenti in posizione. Successivamente, la scheda viene riscaldata in un forno a rifusione. Questo processo fonde la pasta e crea connessioni solide. Il forno ha diverse fasi: preriscaldamento, mantenimento, rifusione e raffreddamento. Si presta particolare attenzione ad evitare danni in ogni fase. Questo è un buon processo SMT e talvolta THT.
Aspetti chiave per un processo di saldatura a riflusso efficace
Ecco cosa devi controllare nel tuo processo di saldatura a riflusso per iniziare a produrre schede ad alte prestazioni.
Macchina adatta
È molto importante scegliere una macchina giusta per la saldatura a riflusso. Connessioni forti e affidabili si riducono all'avere l'attrezzatura giusta. Per poter fare qualsiasi cosa hai bisogno di un forno a riflusso e di una macchina pick and place che soddisfino le tue esigenze di produzione. Per configurazioni più complesse in cui hai molti componenti, vuoi una macchina più grande. Senza un controllo accurato della temperatura su un forno di alta qualità, le parti sensibili possono essere danneggiate.
Reflow Forno di saldatura
La chiave per ottenere connessioni solide con dispositivi a montaggio superficiale e PCB risiede nei forni a rifusione. In questi forni, la pasta saldante viene riscaldata utilizzando profili di temperatura controllati, creando giunzioni di saldatura affidabili. Il processo si articola in quattro fasi: immersione, rifusione e raffreddamento. Ciascuna fase garantisce che la pasta saldante si fonda come richiesto, creando connessioni solide senza danneggiare i componenti.
- Forni a infrarossi (IR) – Riscalda i PCB usando radiazioni infrarosse in questi forni. Ma trasferiscono rapidamente energia ai componenti e amplificano il processo. Diversi tipi di materiali significano, tuttavia, che il riscaldamento potrebbe non essere uniforme. Di conseguenza, potrebbero esserci differenze di temperatura nel PCB.
- Forni a convezione – In questi forni, l'aria calda viene utilizzata per riscaldare il PCB in modo uniforme. Il riscaldamento uniforme è ottenuto tramite convezione forzata dell'aria tramite ventole per spostare l'aria. Con un forno del genere, tutto ciò di cui hai bisogno viene trasferito tramite un liquido speciale tra due forni in fase di vapore, garantendo temperature costanti in tutto il processo.
Zone del forno di riflusso
Le diverse zone dei forni di rifusione servono per un controllo preciso della temperatura. In ogni zona c'è un'impostazione della temperatura. Queste zone assicurano che il calore venga applicato uniformemente. Aiuta a realizzare delle buone giunzioni di saldatura resistenti. Quattro zone principali costituiscono un tipico forno di rifusione.
- Zona di preriscaldamento – La temperatura aumenta lentamente in questa zona. In questo modo si garantisce la protezione dagli shock termici dei componenti sensibili. I componenti potrebbero deformarsi se il calore non può essere sufficientemente graduale. La pasta saldante potrebbe seccarsi se è troppo lenta. La migliore velocità di riscaldamento è di 1-3 °C al secondo.
- Zona di ammollo – La temperatura qui è costante. Aiuta a uniformare la temperatura del PCBLa pulizia della superficie è attivata dal flusso nella pasta saldante. Offre una comprovata qualità di saldatura uniforme su tutti i fronti.
- Zona di riflusso – È dove la pasta saldante si scioglie. La nostra temperatura di picco è tra 235°C e 250°C. Quindi questo calore forma forti legami tra i componenti e il PCB. La temperatura deve essere mantenuta il tempo giusto per la temperatura giusta.
- Zona di raffreddamento – La temperatura scende rapidamente nella zona di raffreddamento. E le giunzioni di saldatura sono ora solidificate. Se il raffreddamento avviene troppo rapidamente, possono verificarsi danni; se avviene troppo lentamente, le giunzioni possono indebolirsi. La migliore velocità di raffreddamento sarebbe una costante di 2-4 °C al secondo.
Profili di temperatura
Indica diversi cambiamenti di temperatura durante il processo. Giunti di saldatura robusti e affidabili sono realizzati con un profilo corretto. Elimina anche problemi e difetti nella saldatura.
- Profilo Ramp-Soak-Spike (RSS) – Il PCB viene riscaldato gradualmente durante il preriscaldamento utilizzando questo profilo. Tuttavia, dopo questo, mantiene la temperatura durante l'immersione. Quindi, la temperatura salta al suo massimo nella zona di riflusso. Con questo profilo è possibile prevenire difetti, come ponti di saldatura e vuoti.
- Profilo rampa-picco (RTS) – La temperatura sale dall'inizio in modo costante fino al picco. A differenza dell'RSS, non c'è una fase di ammollo. È comunemente usato per saldatura senza piomboQuesto profilo soddisfa i punti di fusione più elevati della saldatura senza piombo.
- Profili personalizzati – Questi sono stati progettati per soddisfare esigenze specifiche di PCB e saldatura. Ampia considerazione è presa in considerazione per i tipi di componenti e la complessità del PCB. Utilizzando profili personalizzati, hai molto più controllo su una giunzione di saldatura migliore. Ciò aiuta a evitare difetti e produce risultati di saldatura migliori.
Scegli e posiziona la macchina
Il processo di riflusso della saldatura lo richiede. In questo dispositivo, i componenti a montaggio superficiale vengono posizionati sui pad del PCB con la pasta saldante sopra. Raccoglie i componenti usando ugelli a vuoto, telecamere e bracci robotici. Quindi li mette in posizione sul PCB. Il posizionamento preciso dei componenti è assicurato tramite questo processo, fornendo un riflusso di successo.
Profilo di riflusso accettabile
La riuscita della saldatura dipende in gran parte da un profilo di rifusione adeguato. Bisogna poi considerare fattori come il tipo di pasta saldante, il materiale del PCB e la saldatura di componenti di diverso tipo. Ogni assemblaggio, infatti, richiede un profilo di rifusione specifico. Delle termocoppie vengono posizionate sul PCB per misurare la temperatura durante il processo e garantire un buon trasferimento di calore. Il processo è suddiviso in fasi: preriscaldamento, mantenimento della temperatura, rifusione e raffreddamento. La saldatura viene eseguita al momento giusto in ogni fase del processo, senza danneggiare i componenti. Per prevenire difetti di fusione e ottenere una saldatura eccellente, le velocità di riscaldamento e raffreddamento sono controllate con precisione.
Progettazione dell'impronta PCB/componente
Con il PCB, l'impronta è molto importante quando si progetta il PCB. Gli squilibri termici possono derivare da tracce correlate non uniformi al componente. Ma questo può causare un problema come il tombstoning, in cui il componente si capovolge durante il reflow. Un'altra cosa a cui pensare è il bilanciamento del rame. La deformazione può verificarsi in ampie aree di rame durante il reflow. Questo può essere evitato aggiungendo il bilanciamento del rame nelle aree di scarto. Risultati di reflow migliori e meno difetti sono garantiti da una progettazione adeguata.
PCB stampato con cura utilizzando uno stencil ben progettato
La stampa della pasta saldante è fondamentale per una saldatura a rifusione di successo. La pasta viene applicata uniformemente con uno stencil ben progettato su un PCB ben stampato. Un errore in questa fase può compromettere il risultato finale. In questo modo, si controlla il processo di stampa della pasta per evitare difetti. Se il design dello stencil non è corretto, il risultato non sarà ottimale.
Posizionamento ripetibile dei componenti a montaggio superficiale
Ecco dove hai bisogno di una macchina pick and place affidabile. Se il posizionamento dei componenti è sbagliato, la macchina farà sì che le parti vengano posizionate in modo errato. In tutti i casi, dovresti sempre usare l'ugello giusto per ogni tipo di componente per ottenere la precisione e la coerenza che desideri. Questo ti assicura di ottenere qualità nella saldatura a riflusso.
Componenti PCB di buona qualità
Difetti e problemi possono derivare da una scarsa qualità. Un classico esempio è un circuito stampato con una finitura superficiale scadente che impedisce alla saldatura di aderire, causando difetti come la formazione di pad neri. Questo vale anche per i componenti a montaggio superficiale: la scarsa qualità dei terminali può causare problemi. Per ottenere i migliori risultati, utilizzare sempre e solo circuiti stampati e componenti di alta qualità .
Solder Paste
La saldatura a riflusso si basa molto sulla pasta saldante. Crea il collegamento tra i componenti e il PCB. È una pasta saldante di particelle di saldatura davvero minuscole mescolate con flusso. Pulisce le superfici, migliora la bagnatura e previene anche l'ossidazione. Nella pasta saldante abbiamo lega saldante e flusso. Con l'aumento dell'applicazione e del tipo di lega, la miscela varia.
- Lega di saldatura – È composto da particelle metalliche molto piccole. La prima di queste particelle aiuta a formare giunti di saldatura resistenti. Il punto di fusione e la resistenza sono influenzati dalla composizione della lega. Questi sono di tipi comuni come stagno-piombo o tipi senza piombo come SAC.
- Flusso - È anche un materiale che aiuta la saldatura a funzionare meglio. Rimuove ossido strati favorendo la bagnatura. Inoltre impedisce l'ossidazione da saldatura. Ci sono livelli di attività bassi, medi e alti.
Processo di saldatura a riflusso
La produzione in grandi volumi di moderni circuiti stampati non sarebbe possibile senza la saldatura a rifusione. Questa tecnica controlla la curva di temperatura per garantire il corretto collegamento dei componenti. I circuiti stampati vengono trasportati nelle zone calde e fredde all'interno del forno di saldatura a rifusione tramite un trasportatore a doppio binario. La curva di temperatura si articola in quattro fasi:
Preriscaldare
In questa fase la scheda si riscalda lentamente. Se si riscalda troppo velocemente, danneggerà i componenti. Si è scoperto che un aumento lento può anche portare a zone troppo fredde. Di solito, la velocità di riscaldamento ideale è tra 2 e 3 °C al secondo. A volte ci vuole una velocità di 1 °C al secondo, anche se è relativamente lenta. Previene danni al PCB. Assicura inoltre che raggiunga la temperatura corretta.
Bagno termico
La scheda entra quindi nella fase di ammollo termico dopo il preriscaldamento. Tutte le aree sono protette da questo per assicurarsi che raggiungano la giusta temperatura. Rimuove anche i solventi dalla pasta saldante. Anche il flusso viene attivato allo stesso tempo. Questo passaggio garantirà che la saldatura funzioni correttamente.
reflow
Durante il reflow la temperatura raggiunge il suo massimo. La saldatura qui si fonde per creare giunzioni resistenti. La bassa tensione superficiale resa possibile dal flusso consente ai metalli di legarsi. Le sfere di polvere di saldatura si combinano e si fondono l'una sull'altra. Il processo promette di renderlo solido e affidabile.
Raffreddamento
Le schede devono avere un raffreddamento adeguato dopo il reflow. Se si raffredda troppo rapidamente, si possono stressare i componenti. Ciò impedisce l'accumulo di intermetallici o shock termici. Di solito la zona di raffreddamento è nell'intervallo da 30 a 100 °C. Viene fatto in modo da produrre una buona struttura granulare nella saldatura.
Sfide e soluzioni del processo di saldatura a riflusso
lapidazione
Il tombstoning è una condizione in cui un componente si solleva da un'estremità durante il reflow. Il guasto si verifica quando questo crea un circuito aperto. Il riscaldamento non uniforme è solo uno dei vari fattori che causano il tombstoning. Se un lato si fonde prima dell'altro, la saldatura tira verso l'alto il componente. Per risolvere questo problema, assicurati che la temperatura del forno sia uniforme. Ciò può essere causato anche da una bagnatura non uniforme. Aiuta a ottimizzare il design dello stencil e a utilizzare la pasta saldante giusta. Il problema può essere aggravato dal disallineamento dei componenti o dei pad. La buona notizia è che il posizionamento accurato e il design corretto dei pad riducono il rischio.
vuoti
Poiché i vuoti tendono a contenere bolle d'aria nella giunzione di saldatura, danneggiano le prestazioni del PCB. I guasti causano interruzioni nella conduttività elettrica e termica. I vuoti sono solitamente presenti nei BGA e nei QFN . Molti fattori possono causare la formazione di vuoti nella pasta saldante o nei componenti. Anche una conservazione inadeguata può causare ossidazione e vuoti. È possibile ridurre i vuoti modificando il profilo e la temperatura di rifusione. Una corretta progettazione dello stencil e una stampa uniforme sono a vostro vantaggio.
Variazione di temperatura
Ad alte temperature, i componenti sensibili come i microcontrollori vengono sottoposti a stress. Ciò può causare cedimenti delle saldature e altri problemi. Ad esempio, le variazioni di temperatura possono provocare vuoti o giunzioni deboli nella saldatura. Le bolle di gas intrappolate indeboliscono la saldatura fino a formare vuoti. Un'altra causa del sollevamento dei componenti potrebbe essere il riscaldamento non uniforme, che provoca il distacco degli stessi. Una buona gestione termica è fondamentale per evitare questi problemi. Il calore deve essere distribuito uniformemente e si devono utilizzare fori passanti termici e dissipatori di calore .
Testa nel cuscino
La saldatura non si collega completamente al pad e questi sono chiamati difetti. Ciò lascia la parte con giunti deboli e porta a guasti. Se il gas rimane intrappolato nella saldatura, annulla la saldatura, indebolendola. L'affidabilità del giunto è influenzata da questi difetti. La pasta saldante non bagna completamente il pad per HIP. Ciò può causare un cattivo contatto elettrico. Si chiama voiding e si verifica quando le bolle rimangono intrappolate nel giunto durante il reflow. Rende il giunto debole. I problemi dovrebbero essere gestiti cambiando il design dello stencil, il profilo di reflow e la pasta saldante. Una corretta bagnatura è garantita da un buon profilo e la pasta giusta fa sparire i vuoti.
Bridging di saldatura
Troppa saldatura causa ponti di saldatura, dove sono collegati i pad. Possono verificarsi cortocircuiti e guasti alla scheda a causa di ciò. Per evitarlo, dovremmo concentrarci sulla progettazione dello stencil. Il controllo della quantità di pasta saldante applicata può essere effettuato regolando il volume della pasta saldante. Il risultato è una riduzione dei ponti e una maggiore affidabilità della scheda.
Deposito di pasta saldante insufficiente o eccessivo
Una pasta saldante non sufficiente determina giunzioni scadenti o incomplete. Ponti e cortocircuiti si verificano quando la pasta è troppa. Ma è necessario avere un controllo accurato della pasta per evitarlo. Spessore, ottenere la giusta dimensione e il giusto tipo di quello. Assicurarsi che lo stencil sia correttamente distanziato dal PCB per una distribuzione uniforme della pasta. Possono essere utilizzati per verificare l'incoerenza. Il trucco per stampare bene è stampare con attenzione con pressione, velocità e angolazione appropriate.
Compatibilità e deformazione dei componenti
I componenti e i PCB si dilatano in modo diverso con il calore e, se ciò avviene in maniera differente, si possono generare sollecitazioni sulle giunzioni e causare guasti. Un riscaldamento non uniforme deforma i componenti, soprattutto durante il loro posizionamento. Questo, a lungo andare, porta a saldature di scarsa qualità. Per ovviare a questo problema, è consigliabile selezionare componenti con coefficienti di dilatazione termica il più possibile simili a quelli dei PCB. Questo contribuisce a ridurre le sollecitazioni. Per ottenere un riscaldamento uniforme, è inoltre opportuno utilizzare un profilo di rifusione controllato. L' utilizzo di strutture di supporto durante la rifusione consente di mantenere i componenti del PCB in posizione e di prevenire la deformazione.
Pallina di saldatura
È qui che si formano piccole sfere di saldatura quando vengono rifluite. Se non vengono individuate in tempo, queste sfere indeboliranno le giunzioni e causeranno cortocircuiti elettrici. Per superare questo problema è necessario sapere perché si verifica. Anche un'eccessiva attività del flusso della pasta saldante può causare la separazione delle sfere di saldatura. Ciò impedisce anche alle particelle di saldatura di fondersi insieme correttamente, per lo stesso motivo. Le sfere di saldatura possono anche essere causate da una stampa non uniforme della pasta saldante e da un profilo di riflusso errato. Quindi, per risolvere questo problema, devi solo usare la pasta saldante corretta e calibrare il profilo di riflusso. Assicurati anche che il design dello stencil sia corretto e che i componenti siano puliti.
Ispezione e controllo qualità del processo di saldatura a riflusso
La saldatura di qualità deve essere ispezionata. Dovresti cercare difetti che possono influenzare la scheda di circuito. Tuttavia, questo può essere fatto manualmente o tramite macchine. Un'ispezione corretta assicura anche prestazioni affidabili nel tuo assemblaggio.
Ispezione visuale
Ciò include controlli di difetti di giunzione di saldatura. La scheda verrà esaminata da te o dall'operatore. Ciò aiuta a trovare problemi che possono impedire le migliori prestazioni sull'hardware dato. Spesso vengono utilizzati strumenti di ingrandimento per ottenere una migliore accuratezza.
Ispezione ottica automatizzata (AOI)
Questo tipo di ispezione viene eseguito automaticamente tramite telecamere. Il sistema monitora la presenza di difetti come parti disallineate o ponti di saldatura. È più veloce e preciso rispetto ai controlli manuali delle materie prime. L'ispezione ottica automatizzata (AOI) garantisce uniformità e velocizza il processo.
Ispezione a raggi X.
Questa ispezione è all'interno di una giunzione di saldatura per difetti nascosti. Puoi osservare problemi che sono difficili da vedere in superficie. È perfetto per controllare le aree sotto i componenti. Assicura di avere un buon assemblaggio per arrivare nei posti.
Domande frequenti sulla saldatura a riflusso
Qual è la differenza tra la saldatura a riflusso e la saldatura a flusso?
Questi due tipi di saldatura rappresentano metodi diversi per saldare i componenti sui PCB. La saldatura a onda si basa sul flusso di stagno fuso, con il circuito stampato che passa sopra un'onda di stagno, ideale per componenti a foro passante. La saldatura a rifusione, invece, utilizza una pasta saldante composta da stagno in polvere e flussante, sulla quale vengono posizionati i componenti. L'assemblaggio viene poi riscaldato all'interno di un forno a rifusione ed è più adatta per componenti a montaggio superficiale.
Quante volte è possibile effettuare la saldatura a riflusso?
Non rifondere la saldatura più di due volte. La maggior parte degli assemblaggi richiede un solo passaggio di rifusione o saldatura a onda . Se i componenti vengono applicati su entrambi i lati, alcuni potrebbero richiederne due. Questo impedisce che i componenti si incollino al lato inferiore. Ancora una volta, i migliori risultati si ottengono con la corretta temperatura di rifusione della saldatura.
È possibile effettuare la saldatura a riflusso senza flusso?
Ora, la saldatura a riflusso senza flusso è un no, no. Il flusso aiuta la saldatura ad aderire e a riempire uniformemente lo spazio. Elimina gli ossidi superficiali e le impurità. Se non c'è flusso, la saldatura può unirsi male. Soprattutto la saldatura a montaggio superficiale o a riflusso. Anche lavorare con componenti ossidati è aiutato dal flusso.
Conclusione
In questo articolo del blog PCBTok abbiamo già trattato il processo di saldatura a rifusione in un assemblaggio di PCB , evidenziando aspetti chiave come la macchina, il profilo di temperatura, il posizionamento dei componenti, ecc. Abbiamo affrontato problematiche comuni come il fenomeno del "tombstoning" e la formazione di ponti di saldatura, fornendo soluzioni concrete. L'articolo ha inoltre discusso l'importanza del controllo qualità del processo di saldatura a rifusione per ottenere risultati migliori sui PCB.
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