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Processo di saldatura a onda per assemblaggio PCB through-hole
Molti prodotti elettronici si basano ancora su componenti a foro passante per connettori, trasformatori e altre parti che richiedono un forte supporto meccanico o una maggiore capacità di trasporto di corrente. Per produzione ad alto volume di questi assemblaggi, saldare manualmente ogni piedino non è né pratico né coerente. I produttori utilizzano invece la saldatura a onda, un processo automatizzato che forma centinaia di giunzioni saldate in un unico passaggio. Mentre il circuito stampato (PCB) attraversa un'onda di stagno fuso attentamente controllata, i piedini dei componenti esposti e i fori metallizzati vengono saldati simultaneamente, producendo connessioni elettriche e meccaniche affidabili con un'elevata ripetibilità.
3 metodi comuni per la saldatura a foro passante
| Punto di confronto | Saldatura a onda monofila | Saldatura a onda doppia | Saldatura a onda selettiva |
|---|---|---|---|
| Come funziona | Usa un'onda di saldatura per saldare il lato inferiore del circuito. | Usa un'onda attiva seguita da un'onda più fluida. | Utilizza un piccolo ugello programmabile per saldare giunti selezionati. |
| Il migliore per | Schede a foro passante semplici. | Schede più dense con fori passanti o tecnologia mista. | Schede complesse con aree passanti limitate. |
| Esposizione al calore | Espone la parte inferiore saldabile a un'onda completa. | Espone ancora il lato inferiore, ma con un migliore controllo della saldatura. | Limita l'esposizione al calore ai punti di saldatura selezionati. |
| Velocità di produzione | Veloce ed economico per layout semplici. | Veloce, ma richiede più ottimizzazione dei processi. | Più lento, ma più preciso. |
| Controllo principale | Altezza dell'onda, velocità del trasportatore e drenaggio. | Equilibrio tra le due onde e controllo di collegamento. | Percorso dell'ugello, tempo di permanenza e controllo termico locale. |
| Applicazioni tipiche | Alimentatori, elettrodomestici, controlli industriali. | Schede a circuito stampato multistrato (PCBA), schede con molti connettori. | Automotive, aerospaziale, medicale, PCB ad alta densità. |
Flusso del processo di saldatura a onda
Passaggio 1: Applicazione del Flusso
Il processo inizia con l'applicazione del flussante sulla parte inferiore del PCB. Le moderne macchine per saldatura a onda utilizzano tipicamente sistemi di flussaggio a spruzzo, mentre alcuni sistemi più vecchi utilizzano flussatori a schiuma. Negli assemblaggi a tecnologia mista, può essere utilizzato anche il flussaggio selettivo per applicare il flussante solo dove è richiesta la saldatura.
Il flussante rimuove gli ossidi superficiali dai pad dei circuiti stampati, dai fori metallizzati e dai terminali dei componenti, proteggendo al contempo queste superfici da ulteriore ossidazione durante la saldatura. Migliora inoltre la bagnabilità della saldatura, consentendo alla lega saldante fusa di distribuirsi uniformemente sulle superfici metalliche.
Un controllo attento della quantità e della copertura del flussante è fondamentale. Un flussante insufficiente può comportare una bagnabilità scarsa e un riempimento incompleto dei fori, mentre un eccesso di flussante può lasciare residui indesiderati o contribuire a difetti di saldatura.
Passaggio 2: Preriscaldamento
Dopo l'applicazione del flussante, il PCB entra in una o più zone di preriscaldamento che utilizzano riscaldatori a infrarossi, riscaldatori a convezione o una combinazione di entrambi. L'obiettivo non è quello di fondere la saldatura, ma di preparare l'assemblaggio al contatto con l'onda di saldatura fusa.
Il preriscaldamento evapora gradualmente i solventi volatili dal flussante, attiva la chimica rimanente del flussante e riduce lo shock termico che altrimenti si verificherebbe quando il PCB entra in contatto con la saldatura a temperature superiori a 250°C. Aiuta inoltre a uniformare la temperatura in tutta l'assemblaggio, in particolare per i PCB multistrato o schede contenenti grandi piani di rame e componenti ad alta massa termica.
Passaggio 3: Saldatura a onda
La fase di saldatura è il cuore del processo di saldatura a onda. La lega fusa viene conservata in un serbatoio di saldatura a temperatura controllata sotto il trasportatore. Una pompa meccanica fa circolare continuamente la lega attraverso ugelli appositamente progettati per generare una o più onde di saldatura stabili. Mentre il PCB si muove attraverso la macchina su un trasportatore inclinato, solo il lato inferiore della scheda entra in contatto con l'onda di saldatura, mentre il lato dei componenti rimane sopra la lega fusa.
Durante questo breve contatto, diversi processi avvengono quasi simultaneamente. La lega saldante fusa bagna i pad di rame esposti e i terminali dei componenti, spostando il flussante attivato dall'area di giunzione. L'azione capillare attira quindi la lega saldante verso l'alto nei fori metallizzati, permettendo al cilindro di riempirsi e formando legami metallurgici tra i terminali dei componenti e la metallizzazione del rame. Quando il PCB lascia l'onda, la tensione superficiale rimuove l'eccesso di lega saldante, lasciando dietro di sé cordoni lisci che forniscono sia continuità elettrica che supporto meccanico.
Il design dell'onda di saldatura ha un'influenza significativa sulla qualità dei giunti saldati. Un sistema a onda singola è generalmente sufficiente per assemblaggi convenzionali attraverso-foro con layout relativamente semplici. Tuttavia, gli assemblaggi contenenti conduttori ravvicinati o componenti a tecnologia mista beneficiano spesso di una configurazione a doppia onda. La prima onda turbolenta migliora la penetrazione della saldatura attorno ai conduttori dei componenti densi e migliora il riempimento dei fori, mentre la seconda onda laminare liscia rimuove l'eccesso di saldatura e aiuta a ridurre difetti quali ponti di saldatura, stalattiti e formazione di raccordo irregolare.
Sebbene il contatto tra il PCB e l'onda di saldatura duri solo pochi secondi, questa fase determina la qualità di ogni giunzione saldata sull'assieme. Temperatura della saldatura, velocità del convogliatore, angolo del convogliatore, altezza dell'onda, profondità di immersione e tempo di contatto devono essere attentamente bilanciati per ottenere un riempimento completo del foro senza esporre l'assieme a uno stress termico non necessario. Questi parametri di processo sono discussi in dettaglio nella sezione seguente.
Fase 4: Raffreddamento
Dopo aver lasciato l'onda di saldatura, l'assemblaggio entra nella fase di raffreddamento, dove la saldatura fusa si solidifica per formare connessioni elettriche e meccaniche permanenti. Un raffreddamento controllato aiuta a produrre giunzioni di saldatura stabili, minimizzando al contempo gli stress termici all'interno del PCB e dei suoi componenti. Una volta raffreddato, il PCB procede all'ispezione e ai test elettrici prima di passare alla fase successiva della produzione.
Parametri chiave per la saldatura a onda
| Parametro | Intervallo tipico |
|---|---|
| Temperatura della saldatrice a stagno | 245–260°C (senza piombo) 245–250°C (SnPb) |
| Temperatura di preriscaldamento | 90–130°C (superficie superiore del PCB) |
| Velocità del nastro trasportatore | 0,8–1,8 m/min |
| Contatto Temporale | 2–4 secondi |
| Angolo di trasporto | 5°–7° |
| Altezza d'onda | 50–70% di spessore del PCB |
| Applicazione Flux | Circa 2–51 TP3T di solidi (a seconda del tipo di flusso) |
Come regolare i parametri di saldatura a onda
I parametri sopra indicati sono utili come punti di partenza, ma non dovrebbero essere trattati come impostazioni fisse per ogni assemblaggio di PCB; questi parametri sono connessi e la modifica di uno spesso ne influenza gli altri.
La velocità del trasportatore è un buon esempio. Influenza direttamente il tempo di permanenza del PCB a contatto con l'onda di saldatura. Se il circuito stampato si muove troppo velocemente, la saldatura potrebbe non riempire completamente i fori metallizzati, con conseguenti giunzioni di saldatura insufficienti. Se il circuito stampato si muove troppo lentamente, l'assemblaggio riceve più calore, il che può contribuire a "saldature a ponte", depositi eccessivi di saldatura o danni ai componenti.
La temperatura del bagno di saldatura ha un equilibrio simile. La saldatura deve rimanere sufficientemente al di sopra del suo punto di fusione per bagnare i pad, i terminali dei componenti e i fori passanti placcati. Tuttavia, una temperatura più alta non è sempre migliore. Una temperatura eccessiva della saldatura può consumare il flussante troppo rapidamente, aumentare l'ossidazione e la formazione di dross, ed esporre i componenti a uno stress termico non necessario.
Per questo motivo, la regolazione dei parametri dovrebbe essere gestita come un bilanciamento del processo piuttosto che come una correzione a singolo valore. Se la velocità del trasportatore viene aumentata, potrebbero essere necessari anche la temperatura della saldatura, l'altezza dell'onda e il preriscaldamento per mantenere un adeguato contatto di saldatura e un riempimento dei fori. Se appare una scarsa bagnabilità, la risposta non è sempre quella di aumentare la temperatura del bagno di saldatura; dovrebbero essere esaminate anche la copertura del flusso, la condizione di preriscaldamento, il tempo di contatto e il design del circuito stampato.
Profilazione Termica nella Saldatura a Onda
Il Profilo Termico viene utilizzato per confermare se la sezione di preriscaldamento fornisce calore sufficiente per l'evaporazione del solvente e verificare che la scheda subisca la condizione di contatto di saldatura desiderata durante la saldatura.
Durante il profiling, un PCB rappresentativo viene dotato di termocoppie attaccate a pad selezionati, terminali di fori metallizzati o posizioni critiche dei componenti prima di attraversare il processo completo di saldatura a onda. Standard industriali come IPC-TM-650 e IPC-7530 forniscono linee guida per l'attacco delle termocoppie e la misurazione del profilo.
Nei robusti processi senza piombo, la parte superiore del PCB raggiunge tipicamente 110-130°C prima della saldatura. Nella saldatura a onda, il tempo sopra il solido (TAL) è essenzialmente il tempo di contatto tra il PCB e la lega fusa, e dovrebbe rimanere all'interno della finestra di processo richiesta. Il profilo conferma anche che il PCB si raffredda al di sotto di circa 100°C prima di lasciare la sezione di raffreddamento.
Dopo la profilazione, le temperature registrate vengono analizzate per identificare zone fredde e calde, e il processo viene adeguato di conseguenza.
Considerazioni finali
La saldatura a onda non è solo un processo legacy mantenuto in vita da vecchi design di PCB. Nella moderna produzione di PCBA, rimane un modo pratico per trasformare i requisiti di design through-hole in risultati di produzione stabili e ripetibili.
A PCBCool, supportiamo la saldatura a onda per assemblaggi adatti a foro passante e a tecnologia mista. Quando un progetto include componenti plug-in più grandi, connettori sovradimensionati o parti che vengono gestite meglio individualmente, le nostre linee di saldatura a foro passante manuali forniscono la flessibilità necessaria per completare l'assemblaggio con il processo giusto anziché forzare ogni scheda attraverso lo stesso percorso.
Domande frequenti
La saldatura a onda è un processo in linea che salda molti pin through-hole contemporaneamente mentre il lato inferiore del PCB passa sopra un'onda controllata di saldatura fusa.
A: La saldatura a onda è più adatta quando la scheda presenta molte giunzioni attraverso i fori e il volume di produzione giustifica una configurazione stabile della macchina; la saldatura selettiva è più adatta quando solo poche giunzioni locali necessitano di saldatura.
La saldatura a onda utilizza stagno fuso per formare giunzioni a foro passante dal lato inferiore del circuito stampato, mentre la saldatura a riflusso riscalda la pasta saldante stampata per fissare i componenti SMT.
Il rischio principale è l'esposizione delle parti SMT sul lato inferiore al calore, al contatto o all'ombra della saldatura, quindi la progettazione del posizionamento, dell'orientamento e dei pallet deve essere esaminata in anticipo.
Un foro stretto può limitare la risalita della saldatura attraverso il corpo, mentre un foro sovradimensionato può indebolire il controllo del raccordo e consumare più saldatura del necessario.
L'unione di stagno è comunemente legata a spazi ravvicinati tra i terminali, un drenaggio insufficiente, un contatto eccessivo con lo stagno, un angolo errato del trasportatore, problemi di altezza dell'onda o una definizione imperfetta della maschera di saldatura.
Sì. La saldatura a onda senza piombo è comune, ma funziona a temperature più elevate e richiede un controllo più rigoroso rispetto alla saldatura SnPb.
L'AOI è comunemente utilizzata per giunzioni saldate a onda, con una revisione visiva manuale aggiunta quando ponticelli, saldatura insufficiente, saldatura in eccesso o raccordi anomali necessitano di conferma.
Per la maggior parte dei progetti dei clienti, PCBCool utilizza l'IPC-A-610 come riferimento di accettazione, con criteri finali allineati alla classe del prodotto e ai requisiti del progetto.
A: Non sempre. Il flussante no-clean può essere accettabile per molti assemblaggi, ma la pulizia può comunque essere richiesta per prodotti verniciati, in radiofrequenza, ad alta tensione, estetici o ad alta affidabilità.
Sì. Le parti sensibili al calore dovrebbero essere esaminate prima della produzione; schermatura, saldatura selettiva o saldatura manuale potrebbero essere più sicure per alcuni componenti.
Sì. PCBCool esamina il progetto del circuito stampato, la distinta base (BOM), le aree di saldatura e il volume di produzione prima di scegliere il processo THT più adatto.
Sì. PCBCool supporta l'assemblaggio misto SMT e through-hole, inclusi posizionamento SMT, inserimento THT, saldatura a onda, saldatura manuale, ispezione e test.
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.
