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Come Funziona il Processo di Saldatura a Reflow nell'Assemblaggio SMT
Se si apre quasi ogni prodotto elettronico moderno oggi, probabilmente si troverà un PCBA popolato da molti componenti SMD. Questi piccoli dispositivi a montaggio superficiale sono uno dei motivi per cui i prodotti elettronici possono essere realizzati più piccoli integrando più funzioni. Tuttavia, il posizionamento dei componenti SMD su un PCB è solo una parte del processo di assemblaggio. Ciascuna terminazione del componente deve ancora essere unita alla scheda attraverso giunti di saldatura che siano sia elettricamente affidabili che meccanicamente stabili.
Una tipica assemblaggio SMT può contenere centinaia o addirittura migliaia di giunzioni di saldatura. Queste giunzioni possono variare in dimensioni del package, comportamento termico, design del pad e spaziatura, ma devono comunque essere formate in modo coerente da scheda a scheda. È qui che il processo di saldatura a rifusione diventa essenziale.
Cos'è realmente la saldatura a rifusione
Fondamentalmente, la saldatura a rifusione è il processo utilizzato per creare connessioni elettriche e meccaniche tra i componenti e la scheda PCB. Inizia dopo che la pasta salda è stata stampata sui pad della PCB e i componenti sono stati posizionati sui depositi di pasta. L'assemblaggio passa quindi attraverso un ciclo termico controllato all'interno di un forno a rifusione.
Man mano che la temperatura aumenta, il flusso all'interno della pasta saldante diventa attivo e aiuta a rimuovere gli ossidi superficiali dalle superfici di saldatura. La lega saldante si fonde quindi, bagna le terminazioni del componente e i pad del PCB, e forma la sagoma delle giunzioni saldate. Durante il raffreddamento, la saldatura fusa solidifica in giunzioni stabili che fissano i componenti alla scheda e forniscono le connessioni elettriche richieste.
Preparazione SMT Prima della Saldatura a Reflow
Prima che il PCB entri nel forno a riflusso, la pasta saldante deve essere prima stampata sui pad del PCB attraverso uno stencil in acciaio inossidabile. La pasta saldante è una miscela formulata di fini particelle di lega di saldatura sospese in un mezzo di flussante. La lega fornisce il metallo che formerà il giunto di saldatura finale, mentre il flussante aiuta a rimuovere gli ossidi superficiali, promuove la bagnabilità e protegge le superfici di saldatura durante il riscaldamento.
Molte moderne produzioni elettroniche utilizzano paste saldanti a base di SAC senza piombo, come la SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5), che ha un punto di fusione di circa 217°C. Le vecchie assemblature in stagno-piombo utilizzavano comunemente la Sn63Pb37, una lega eutettica con un punto di fusione inferiore di 183°C. Questa differenza è uno dei motivi per cui i profili di rifusione senza piombo richiedono generalmente temperature di processo più elevate e un controllo termico più stringente.
Dopo la serigrafia della pasta saldante, le linee di produzione eseguono l'SPI (Solder Paste Inspection) per verificare il volume, l'altezza, l'area e l'accuratezza posizionale della pasta. Questo aiuta a identificare difetti di stampa come pasta insufficiente, depositi eccessivi o disallineamento dello stencil prima che i componenti vengano posizionati.
Una volta verificata la pasta, macchine pick-and-place ad alta velocità posizionano i componenti a montaggio superficiale sui depositi di pasta saldante. La viscosità della pasta saldante tiene temporaneamente ogni componente in posizione fino a quando lo stagno non si fonde all'interno del forno di rifusione.
Cosa succede all'interno del forno di rifusione
I moderni forni a riflusso utilizzano più zone di riscaldamento e raffreddamento disposte lungo un sistema a nastro trasportatore. Mentre l'assemblaggio PCB viaggia attraverso queste zone, il processo è comunemente descritto in quattro fasi: pre-riscaldamento, ammollo, riflusso e raffreddamento, ognuna con i propri parametri chiave.
Fase 1: Preriscaldare
Durante il preriscaldamento, il convogliatore porta il circuito stampato dalla temperatura ambiente fino a circa 120–150°C. Questa fase serve a diversi scopi: rimuove delicatamente i solventi residui dalla pasta saldante, asciuga la pasta saldante e scalda l'assemblaggio per ridurre lo shock termico.
Un parametro cruciale in questa fase è la velocità di rampa (quanto velocemente la temperatura aumenta). Le linee guida industriali richiedono tipicamente una rampa dolce di circa 1–2°C al secondo, mentre nella produzione effettiva, la rampa viene solitamente mantenuta al di sotto dei 3°C/s come limite superiore. Questa velocità è controllata con l'aiuto dei sensori di temperatura e del sistema di controllo all'interno del forno di rifusione.
La rampa esatta di pre-riscaldamento dipende dalle dimensioni e dalla massa della scheda. Ad esempio, per una scheda pesante con molti strati, un riscaldamento troppo rapido può danneggiare i componenti; per una scheda leggera, un pre-riscaldamento più rapido può essere accettabile.
Alla fine del preriscaldamento, la maggior parte dei solventi volatili nel flussante è evaporata e la temperatura della scheda è abbastanza uniforme.
Fase 2: Immergere
Dopo il preriscaldamento, il gruppo entra nella fase di mantenimento, durante la quale la scheda viene mantenuta a una temperatura compresa tra circa 150 e 180 °C per circa 30–90 secondi. A questo punto, la lega di saldatura non ha ancora raggiunto il proprio punto di fusione.
Questa fase è necessaria perché un assemblaggio di PCB contiene materiali e componenti con comportamenti termici diversi. I componenti collegati a grandi piazzole di rame o masse metalliche si scaldano più lentamente, mentre i piccoli componenti chip si scaldano più velocemente. Mantenere la scheda in questo intervallo di temperatura intermedio consente alle aree che si scaldano più lentamente di recuperare prima che l'assemblaggio entri nella fase di riflusso a temperatura più elevata, riducendo il rischio di squilibrio termico e stress meccanico.
Durante questo periodo, il flusso continua anche a rimuovere gli ossidi superficiali e a preparare le superfici di saldatura per la bagnatura.
Fase 3: Reflusso
Segue la fase di reflow vera e propria, in cui la temperatura della scheda sale al di sopra del punto di fusione della lega saldante, noto come liquidus. Per la saldatura eutettica stagno-piombo, la fusione avviene intorno ai 183°C, mentre leghe comuni senza piombo stagno-argento-rame, come la SAC305, hanno un liquidus di circa 217–221°C. In un tipico profilo SAC305, la temperatura di picco è spesso impostata intorno ai 240°C, circa 20–30°C sopra il liquidus. Alcuni profili possono consentire temperature di picco fino a 250°C, ma solitamente non molto più alte per evitare danni ai componenti.
In questa fase, le particelle di lega presenti nella pasta si sciolgono e si uniscono formando cordoli. La temperatura della scheda aumenta tipicamente dalla temperatura di fine permanenza fino al picco. La velocità di aumento della temperatura è spesso dell’ordine di 1–2 °C/s. Se l’aumento è troppo brusco, i gas del fondente possono evaporare troppo rapidamente e causare la formazione di sfere di saldatura o spruzzi. Se l’aumento è troppo lento, la lega di saldatura potrebbe bagnare prematuramente la superficie, causando la formazione di ponti.
Il Tempo Sopra il Liquidus (TAL) è una misura critica che indica per quanto tempo la saldatura rimane sopra il suo punto di fusione (liquidus). Tipicamente, le schede vengono mantenute sopra il punto di fusione della lega per circa 30-90 secondi. Questo assicura che la saldatura abbia il tempo necessario per fluire completamente e bagnare le superfici. Un TAL breve, come meno di 20 secondi, può portare a una bagnatura incompleta. Un TAL eccessivo, specialmente ben oltre i 100 secondi, può esporre i componenti a uno stress termico non necessario.
Fase 4: Raffreddamento
Dopo la temperatura di picco, l'assemblaggio entra nella fase di raffreddamento, dove la lega saldante fusa si solidifica in giunzioni di saldatura finali. Il raffreddamento deve essere abbastanza rapido da supportare una struttura di saldatura a grana fine, ma comunque abbastanza controllato da evitare shock termici. In molti profili di rifusione, la velocità di raffreddamento viene mantenuta a circa 3-4°C al secondo.
Se il raffreddamento è troppo lento, la saldatura può formare grani più grossolani, il che può ridurre la resistenza del giunto. Se il raffreddamento è troppo rapido, il brusco cambiamento di temperatura può introdurre stress nei giunti di saldatura, nei componenti o nei materiali del PCB.
In molti forni reflow, il raffreddamento è controllato tramite zone di raffreddamento dedicate o riducendo il calore nelle sezioni finali del forno. Anche il flusso d'aria e la velocità del trasportatore possono essere regolati per controllare la rapidità con cui la scheda si raffredda. Ad esempio, una zona di raffreddamento può essere impostata a circa 100°C o meno, consentendo alla scheda di raffreddarsi a meno di 80°C prima di uscire dal forno. Alcune linee di produzione utilizzano anche aria forzata per aumentare la velocità di raffreddamento quando necessario.
Controllo del processo di saldatura a rifusione
Un profilo di temperatura per la saldatura reflow non è un modello fisso. Deve essere adattato in base alla struttura del PCB, allo spessore della scheda, al numero di strati, al peso del rame, alla sensibilità termica dei componenti, alle specifiche della pasta saldante, alla distribuzione dei componenti e alla massa termica complessiva.
Il più Produttori di PCB assembly definire il profilo in termini di diversi parametri chiave:
- Rampa di ammollo: 1–3°C/s
- Stadio di ammollo: circa 150–200°C per 30–90 secondi
- Rampa al picco: circa 1–1,5°C/s
- Temperatura di picco: circa 230–250°C, con circa 240°C comunemente usati per SAC305
- Tempo sopra il liquido: circa 30–90 secondi
Per garantire che il profilo rimanga entro le specifiche, i produttori utilizzano regolarmente strumenti di profilazione termica. Una “golden board” viene dotata di molteplici termocoppie in posizioni chiave (ad esempio, angoli, centro, circuiti integrati grandi, ecc.). Quando questa scheda passa attraverso il forno, un profiler registra la curva di temperatura effettiva per ogni posizione. Questo profilo misurato viene confrontato con quello target. Tipicamente, la temperatura di ogni zona dovrebbe rimanere entro una piccola finestra (ad esempio, ±5–10°C) rispetto al suo punto di impostazione.
Se il profilo si discosta a causa dell'invecchiamento della lampada del forno, di variazioni della velocità del nastro o di nuovi design della scheda, i forni devono essere ricalibrati. Ad esempio, se la termocoppia di picco mostra 5 °C in meno, gli operatori potrebbero aumentare il setpoint della zona di picco. Se le velocità di rampa sono errate, potrebbero regolare la spaziatura delle zone o la velocità.
Questo ciclo di feedback è essenziale perché la saldatura a riflusso deve rimanere all'interno di una finestra di processo accettabile. La produzione di schede al di fuori di tale finestra non è considerata accettabile, anche se le schede sembrano superare i test elettrici, perché l'affidabilità delle giunzioni di saldatura potrebbe comunque essere compromessa.
I dati del profilo vengono spesso tracciati statisticamente utilizzando metriche chiave come il tempo sopra il liquido, la temperatura di picco, le velocità di rampa, ecc. Questi valori possono essere rappresentati graficamente nei grafici di controllo statistico del processo (SPC), e qualsiasi tendenza fuori dai limiti di controllo innesca la manutenzione. Nelle linee ben controllate, questo livello di Controllo di processo è uno dei motivi per cui le rese della saldatura a riflusso possono rimanere molto elevate, spesso superiori al 99%.
Saldatura a Riflusso Senza Piombo e Azoto
I forni a riflusso venivano un tempo confrontati principalmente in base al numero di zone, come sistemi a 8 zone, 10 zone o 12 zone. Più zone possono conferire al forno un controllo più preciso del riscaldamento e del raffreddamento, ma il numero di zone da solo non definisce la capacità del processo. Nei moderni Produzione SMT, la domanda più pratica è se il forno è in grado di mantenere un profilo senza piombo stabile e, quando necessario, fornire un'atmosfera di azoto controllata.
La saldatura senza piombo è ora il processo standard per la maggior parte dell'elettronica conforme a RoHS. La difficoltà non sta semplicemente nell'abbandonare la lega stagno-piombo, ma nel lavorare all'interno di una finestra termica più ristretta. La pasta saldante senza piombo richiede più calore per bagnarsi correttamente, mentre laminati, finiture superficiali, package in plastica e componenti sensibili alla temperatura hanno ancora limiti di temperatura superiori.
La rifusione con azoto migliora l'atmosfera di saldatura piuttosto che la lega saldante o il profilo stesso. Il suo punto di controllo principale è il livello di ossigeno all'interno del forno, misurato in parti per milione (ppm). Un valore di ppm più basso può sopprimere l'ossidazione durante il riscaldamento e migliorare il margine di bagnatura. Il compromesso è il consumo di azoto e i costi operativi, quindi l'azoto dovrebbe essere scelto quando aggiunge un reale valore al processo.
Difetti comuni nella saldatura a riflusso
Anche con un processo ben controllato, i difetti di saldatura possono occasionalmente verificarsi. Quando ciò accade, il difetto fornisce spesso indizi utili sulla condizione sottostante del processo.
Uno dei difetti più riconoscibili è il "tombstoning", dove un componente a chip piccolo si solleva da un pad durante la rifusione e si posiziona parzialmente in verticale. La condizione è tipicamente associata a forze di bagnatura non uniformi causate da squilibri termici, geometria dei pad non uniforme o depositi di pasta saldante incoerenti.
Il saldatore a ponte si verifica quando la lega di saldatura indesiderata crea un ponte tra piazzole o terminali di componenti adiacenti. Questo difetto è comunemente correlato a un eccesso di pasta saldante, problemi di progettazione dello stencil, scarsa distaccatura della pasta o disallineamento dei componenti. I package a passo fine sono particolarmente sensibili ai ponti di saldatura.
Un altro problema frequentemente riscontrato è la saldatura insufficiente, dove il volume di saldatura è inadeguato a formare un giunto robusto. Una scarsa efficienza di trasferimento dello stencil, aperture bloccate o un bagnamento inadeguato possono contribuire a questa condizione.
Per i dispositivi e i componenti di potenza con grandi pad termici, la presenza di vuoti può diventare una preoccupazione. I vuoti sono tasche intrappolate all'interno del giunto di saldatura che possono influire sulle prestazioni termiche e, in alcune applicazioni, sull'affidabilità a lungo termine.
Gli assemblaggi contenenti package BGA possono anche presentare difetti di head-in-pillow, in cui la sfera di saldatura e la pasta saldante non riescono a fondersi completamente durante la rifusione. Fattori come la deformazione del package, l'ossidazione e una profilazione termica inappropriata possono contribuire a questo meccanismo di guasto.
Verifica di Qualità Post-Reflow
Una volta che la scheda esce dal forno di reflow, la prima domanda è semplice: le giunzioni di saldatura si sono formate come previsto? AOI solitamente è il primo controllo perché può individuare rapidamente problemi visibili come parti mancanti, orientamento errato, spostamento di componenti, piedini sollevati, ponti di saldatura e, ovviamente, saldature deboli.
Alcune giunture non possono essere giudicate dall'esterno. Le sfere BGA, i pad centrali QFN e i pad termici grandi richiedono spesso Revisione a raggi X. Per i prodotti in cui le prestazioni elettriche sono importanti, dopo l'ispezione visiva o a raggi X, possono essere aggiunti anche test funzionali.
Il valore dell'ispezione non si limita a trovare schede difettose. Un ponticello ripetuto può rimandare al design dell'apertura dello stencil, al volume della pasta o allo spostamento del posizionamento. La formazione di vuoti può suggerire che il profilo, il design del pad termico o il rilascio della pasta debbano essere rivisti. Quando i risultati dell'ispezione vengono letti in questo modo, diventano parte del controllo di processo piuttosto che un semplice cancello finale prima della spedizione.
Considerazioni finali
La saldatura a rifusione di successo dipende da molto più della semplice scelta delle impostazioni corrette del forno. La pasta saldante, il design dello stencil, il posizionamento dei componenti, il profilo termico e l'ispezione contribuiscono tutti alla qualità dell'assemblaggio finale. Piccole variazioni in qualsiasi fase possono influire sull'integrità dei giunti saldati, sulla resa produttiva e sull'affidabilità a lungo termine.
Per questo motivo, la saldatura a riflusso dovrebbe essere gestita come parte di un processo di assemblaggio SMT completo, non come una fase produttiva isolata.
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Domande frequenti
A: Il motivo principale è che ogni strato aggiunto rende il processo di produzione più difficile da controllare. Più strati significano più possibilità di difetti negli strati interni, problemi di allineamento, problemi di laminazione e scarti.
Le piazzole BGA sono piccole e ravvicinate, per questo piccoli errori di fabbricazione possono facilmente diventare problemi di assemblaggio.
Jaye si occupa di progettazione VLSI, elettronica digitale, Verilog e verifica della progettazione hardware. Si concentra sul rendere i concetti di semiconduttori e progettazione di chip più facili da capire, trasformando la conoscenza pratica di progettazione in contenuti tecnici chiari per studenti, ingegneri e professionisti dell'elettronica.
