Una guida approfondita al processo e alle tecniche di saldatura a riflusso

Nella moderna produzione elettronica, la saldatura a rifusione è il principale metodo di saldatura per il montaggio superficiale di componenti sui PCB. Che si tratti di prototipazione o produzione di massa, la qualità della saldatura a rifusione influirà direttamente sull'affidabilità, sulle prestazioni e sulla durata del prodotto.

In parole povere, il processo di saldatura a rifusione è il seguente: prima si stampa la pasta saldante sui pad del PCB; poi si posizionano i componenti sulla pasta saldante; infine, il circuito stampato passa attraverso un forno a rifusione riscaldato. Quando la temperatura aumenta, la pasta saldante si scioglie e lega saldamente i componenti al PCB, formando connessioni elettriche e meccaniche stabili.

Sebbene il principio di funzionamento della saldatura a riflusso non sia complicato, sono molti i fattori che influenzano i risultati della saldatura a riflusso nella produzione reale, come il tipo di pasta saldante, il design dello stencil, la struttura del pad e il controllo fondamentale del profilo di riflusso e della temperatura di riflusso.

Questo articolo combina i contenuti di più risorse tecniche e spiega in modo più semplice e chiaro cos'è la saldatura a riflusso, come viene completato passo dopo passo il processo di saldatura a riflusso, come selezionare la macchina per saldatura a riflusso più adatta, come impostare un profilo di riflusso stabile e come ridurre i difetti di saldatura più comuni in produzione.

Che cos'è la saldatura a rifusione?

Cos'è la saldatura a riflusso? In parole povere, la saldatura a riflusso è un metodo di saldatura di componenti SMT su un PCB mediante riscaldamento.

Il processo di base è il seguente: per prima cosa, si stampa la pasta saldante (composta da polvere di saldatura e flussante) sulle piazzole del PCB, quindi si posizionano i componenti nelle posizioni corrispondenti. Successivamente, il circuito stampato entra nel forno di rifusione riscaldato. Quando la temperatura aumenta, la pasta saldante si scioglie e scorre, ricoprendo le piazzole e i terminali dei componenti. Quando la temperatura scende, la saldatura si raffredda e si solidifica, formando una giunzione saldata resistente.

Esistono diverse ragioni per cui la saldatura a riflusso è ampiamente utilizzata:

· XNUMX€  Può saldare molti componenti contemporaneamente, con elevata efficienza e risultati di produzione stabili.

· XNUMX€  È adatto per PCB ad alta densità, come quelli per telefoni cellulari, computer, elettronica automobilistica e dispositivi IoT.

· XNUMX€  È molto facile da utilizzare con linee di produzione SMT automatizzate, come la stampa stencil, il pick-and-place e il forno di rifusione.

Va inoltre notato che la saldatura a rifusione e la saldatura a onda non sono lo stesso processo. In generale, la saldatura a onda viene utilizzata principalmente per la saldatura di componenti a foro passante (THT), mentre la saldatura a rifusione è tipicamente utilizzata per i componenti SMT.

Panoramica del processo di saldatura a riflusso 

Un processo di saldatura a rifusione stabile non può prescindere dal controllo costante di ogni fase precedente. Un buon effetto di rifusione si ottiene attraverso procedure di produzione standardizzate e un controllo di processo costante.

In una tipica linea di produzione SMT, la saldatura a riflusso viene solitamente eseguita nei seguenti passaggi:

· XNUMX€  Preparazione e pulizia del PCB

· XNUMX€  Stampa con pasta saldante (solitamente stampa a stencil)

· XNUMX€  Posizionamento dei componenti (pick-and-place)

· XNUMX€  Riscaldamento in un forno a riflusso

· XNUMX€  Raffreddamento, dove la saldatura si solidifica e forma giunzioni di saldatura

· XNUMX€  Ispezione e controllo qualità

Preparazione e pulizia del PCB

Prima della saldatura a riflusso, la superficie del PCB deve essere pulita. In caso di contaminazione, potrebbero verificarsi problemi come giunti freddi, circuiti aperti o giunti di saldatura incompleti dopo la saldatura a riflusso.

I metodi più comuni per la pulizia dei PCB includono:

• Pulizia ad ultrasuoni – adatto per rimuovere contaminazioni ostinate

• Pulizia acquosa – utilizza soluzioni detergenti a base d’acqua

• Pulizia con solvente – utilizza solventi chimici per rimuovere olio o residui

La scelta del metodo di pulizia dipende dal tipo di contaminazione, dai materiali PCB e dai requisiti ambientali.

Applicazione della pasta saldante

Nella maggior parte delle linee di produzione per saldatura a rifusione, la pasta saldante viene stampata sulle piazzole dei PCB utilizzando uno stencil. Uno stencil ben progettato può controllare efficacemente il volume di pasta saldante, riducendo così il problema dei ponti di saldatura o della saldatura insufficiente.

I principali fattori che influenzano la qualità della stampa della pasta saldante sono i tre seguenti:

• Spessore dello stencil e design dell'apertura, che determinano la quantità di pasta saldante stampata sui pad.

• Pressione, velocità e angolazione del tergipavimento, che influiscono sulla possibilità che la pasta saldante venga trasferita uniformemente sul PCB.

• Proprietà della pasta saldante (come la viscosità e il comportamento del flusso) e le condizioni di conservazione influiranno sulla stabilità di stampa.

Posizionamento dei componenti / Pick-and-Place

Durante la fase di posizionamento, i componenti devono essere posizionati con precisione sulla pasta saldante. Se il componente non viene posizionato correttamente, la distribuzione della pasta saldante non sarà uniforme durante la rifusione, il che può compromettere la qualità della saldatura.

Se si verificano problemi di posizionamento, dopo la saldatura a riflusso si verificano solitamente difetti come tombstoning, spostamento o disallineamento dei componenti, circuiti aperti e ponti di saldatura.

Forno di riflusso per saldatura

Il forno a rifusione è l'attrezzatura più importante nel processo di saldatura a rifusione. Il suo compito è riscaldare il PCB, consentendo alla pasta saldante di fondersi alla temperatura appropriata e poi raffreddarsi per formare giunti di saldatura solidi.

Un buon forno di rifusione non dovrebbe solo essere in grado di riscaldare, ma anche di riscaldare il PCB alla giusta temperatura, al momento giusto e in modo controllato su tutta la scheda.

Tipi di forni di riflusso

Nella scelta di una saldatrice a rifusione, il metodo di riscaldamento è un fattore importante. I due tipi più comuni sono il riscaldamento a infrarossi e il riscaldamento a convezione ad aria calda.

Zone del forno di riflusso

La maggior parte dei forni a rifusione è suddivisa in più zone di temperatura, ciascuna delle quali può essere controllata in modo indipendente.

L'insieme di queste zone di temperatura forma il profilo di riflusso complessivo che il PCB sperimenta durante il processo di saldatura a riflusso.

Solitamente può essere suddiviso nelle seguenti 4 fasi:

Zona di preriscaldamento

Durante la fase di preriscaldamento, la temperatura del PCB aumenterà gradualmente per evitare shock termici ai componenti.

Zona di ammollo

La fase di ammollo manterrà il PCB in un intervallo di temperatura media per un certo periodo di tempo, il che può rendere la temperatura dell'intero PCB più uniforme e attivare contemporaneamente il flusso nella pasta saldante.

Zona di riflusso

Nella zona di riflusso, la temperatura sale oltre il punto di fusione della saldatura e la pasta saldante si scioglie e bagna i pad e i terminali dei componenti.

Zona di raffreddamento

Durante la fase di raffreddamento, la lega per saldatura si solidifica e forma il giunto di saldatura finale.

Profili di temperatura / Profilo di riflusso

Il profilo di rifusione è la curva di variazione di temperatura che un PCB subisce all'interno di un forno di rifusione. È un fattore importante che influenza la qualità della saldatura a rifusione e la resa produttiva.

I profili di riflusso più comuni includono:

• Rampa-Soak-Spike (RSS)

La temperatura prima aumenta, poi rimane stabile per un certo periodo e infine raggiunge la temperatura di riflusso massima.

• Rampa-picco (RTS)

La temperatura aumenta costantemente fino a raggiungere il picco, con una fase di ammollo minima o nulla.

• Profilo personalizzato

Il profilo viene regolato in base alla struttura del PCB, ai tipi di componenti e alle caratteristiche della pasta saldante.

È molto importante controllare regolarmente il profilo di rifusione perché le condizioni della macchina per la saldatura a rifusione cambiano nel tempo. Ad esempio, le prestazioni della ventola possono variare, i riscaldatori possono invecchiare e i nastri trasportatori possono usurarsi.

Per mantenere una qualità di riflusso stabile, è necessario controllare e regolare regolarmente il profilo di riflusso.

Problemi comuni di saldatura a riflusso e relative soluzioni

Anche in una linea di produzione consolidata, durante il processo di saldatura a rifusione possono verificarsi diversi difetti di saldatura. Una linea di produzione eccellente può identificare rapidamente la causa principale del problema e apportare miglioramenti in più fasi, come la stampa della pasta saldante, il posizionamento dei componenti e il forno a rifusione.

Di seguito sono riportati alcuni difetti comuni e le relative soluzioni.

lapidazione

Il tombstoning, noto anche come "effetto Manhattan", si riferisce alla situazione in cui un'estremità di un componente del chip si solleva e rimane in posizione verticale durante la saldatura a riflusso, causando un circuito aperto. Questo è un difetto tipico causato da uno squilibrio durante il processo di saldatura.

Cause comuni

· XNUMX€  Riscaldamento non uniforme tra i due cuscinetti

· XNUMX€  Diversi volumi di pasta saldante su ogni piazzola

· XNUMX€  Posizionamento dei componenti non allineato

· XNUMX€  Squilibrio termico causato dalla distribuzione non uniforme del rame sul PCB

Soluzioni

· XNUMX€  Ottimizzare le aperture dello stencil per bilanciare il volume della pasta saldante

· XNUMX€  Controllare la precisione del posizionamento

· XNUMX€  Regola il profilo di riflusso

· XNUMX€  Migliorare la progettazione del pad e il bilanciamento del rame

vuoti

I vuoti si riferiscono a sacche di gas intrappolate all'interno del giunto di saldatura. Questo fenomeno è più comune nei BGA, QFN o nei pad termici di grandi dimensioni. I vuoti possono ridurre la conduttività termica dei giunti di saldatura e comprometterne l'affidabilità.

Cause comuni

· XNUMX€  Gas intrappolato durante la saldatura a riflusso

· XNUMX€  Ossidazione che influisce sulla bagnatura della saldatura

· XNUMX€  Conservazione o manipolazione improprie della pasta saldante

· XNUMX€  Un profilo di riflusso non idoneo

Soluzioni

· XNUMX€  Ottimizzare il profilo di riflusso

· XNUMX€  Utilizzare pasta saldante a basso vuoto

· XNUMX€  Migliorare il design dello stencil

· XNUMX€  Mantenere pulite le superfici dei PCB

Giunti di saldatura a freddo

Le giunzioni di saldatura fredde solitamente appaiono opache o screpolate sulla superficie, il che indica solitamente che la saldatura non è stata completamente fusa o ha una scarsa bagnatura.

Cause comuni

· XNUMX€  Temperatura di riflusso troppo bassa

· XNUMX€  Tempo sopra il liquidus troppo breve

· XNUMX€  Scarso trasferimento di calore in alcune aree del PCB

· XNUMX€  Degradazione o ossidazione del flusso

Soluzioni

· XNUMX€  Aumentare la temperatura di riflusso di picco

· XNUMX€  Allungare leggermente il tempo sopra il liquidus

· XNUMX€  Migliorare l'uniformità del riscaldamento

· XNUMX€  Assicurarsi che venga utilizzata pasta saldante fresca

Ponti di saldatura

I ponti di saldatura si riferiscono alla situazione in cui la saldatura collega piazzole adiacenti, causando un cortocircuito. Questo tipo di problema è relativamente comune nei dispositivi a passo fine o nei PCB ad alta densità.

Cause comuni

· XNUMX€  Eccesso di pasta saldante

· XNUMX€  Stampa stencil scadente

· XNUMX€  Disallineamento dei componenti

· XNUMX€  Un profilo di riflusso instabile

Soluzioni

· XNUMX€  Ridurre il volume della pasta saldante

· XNUMX€  Migliorare la qualità di stampa dello stencil

· XNUMX€  Controllare la precisione del posizionamento

· XNUMX€  Regola il profilo di riflusso

Pallina di saldatura

Il fenomeno del solder balling si riferisce alla formazione di numerose piccole sfere di saldatura attorno ai giunti di saldatura dopo la saldatura a rifusione. Queste sfere di saldatura possono causare cortocircuiti e compromettere l'affidabilità del prodotto.

Cause comuni

· XNUMX€  Riscaldamento troppo rapido durante la fase di preriscaldamento

· XNUMX€  Scarse condizioni della pasta saldante

· XNUMX€  Stampa incoerente

· XNUMX€  Profilo di riflusso non corretto

Soluzioni

· XNUMX€  Rallentare la rampa di preriscaldamento

· XNUMX€  Migliorare la conservazione e la manipolazione della pasta saldante

· XNUMX€  Ottimizzare il design dello stencil

· XNUMX€  Assicurarsi che le superfici del PCB siano pulite

Questi difetti di saldatura evidenziano un punto: la saldatura a rifusione è un processo completo. La stampa della pasta saldante, il posizionamento dei componenti e il controllo della temperatura di rifusione devono interagire tra loro per garantire una qualità di saldatura stabile.

Ispezione e controllo qualità

Il ruolo dell'ispezione è quello di trasformare la conoscenza del processo in un controllo di qualità quantificabile e misurabile. Un sistema di qualità perfetto di solito non si basa su un solo metodo di prova, ma combina più metodi.

Ispezione visuale

Il metodo di ispezione più fondamentale è l'ispezione visiva manuale.

L'operatore osserverà direttamente i giunti di saldatura sul PCB per verificare la presenza di evidenti tipi di difetti di saldatura, come

· XNUMX€  Ponti di saldatura

· XNUMX€  Giunti di saldatura mancanti

· XNUMX€  Giunti di saldatura incompleti

Questo metodo è semplice, ma consente di individuare rapidamente molti problemi visibili.

Ispezione ottica automatizzata, AOI

L'AOI utilizza telecamere e sistemi di riconoscimento delle immagini per ispezionare la superficie dei PCB. È in grado di rilevare:

· XNUMX€  Se la forma del giunto di saldatura è normale

· XNUMX€  Se il posizionamento dei componenti è corretto

· XNUMX€  Se ci sono anomalie nella saldatura

Rispetto all'ispezione manuale, l'AOI è più rapida e coerente.

Ispezione a raggi X.

Per schede multistrato o PCB complessi, la sola ispezione superficiale non è sufficiente. In questo caso, verrà utilizzata l'ispezione a raggi X. Questa può rivelare le condizioni interne del giunto di saldatura, come:

· XNUMX€  Vuoti all'interno delle giunzioni di saldatura

· XNUMX€  Saldatura insufficiente

· XNUMX€  Difetti di saldatura nascosti

Conclusione

I prodotti elettronici affidabili non possono fare a meno di giunti di saldatura affidabili e la saldatura a rifusione è diventata il metodo di saldatura più comune nella produzione SMT. Comprendere la saldatura a rifusione non significa solo sapere che la lega per saldatura si fonde quando viene riscaldata. Ancora più importante, è necessario comprendere come la progettazione dello stencil SMT, le prestazioni della pasta saldante, la precisione di posizionamento e i parametri del forno a rifusione influenzino la stabilità dell'intero processo di saldatura a rifusione.

Allo stesso tempo, è necessario considerare l'intero processo di produzione dei componenti elettronici. Molti prodotti presentano sia componenti SMT che componenti through-hole. Pertanto, comprendere le differenze tra saldatura a onda e saldatura a rifusione può aiutare a fare una scelta più appropriata in termini di costi, efficienza e affidabilità.

Domande Frequenti

1. Che cos'è la saldatura a riflusso?

La saldatura a riflusso è un metodo utilizzato per collegare componenti SMT a un PCB. La pasta saldante viene stampata sui pad, i componenti vengono posizionati e la scheda passa attraverso un forno a riflusso dove la saldatura si fonde e forma i giunti di saldatura.

2. Qual è la differenza tra la saldatura a onda e la saldatura a riflusso?

La saldatura a riflusso viene utilizzata principalmente per i componenti SMT, mentre la saldatura a onda viene utilizzata per i componenti through-hole. Molti assemblaggi PCB utilizzano entrambi i processi.

3. Che cos'è un profilo di riflusso?

Un profilo di rifusione è la curva di temperatura che un PCB segue all'interno del forno di rifusione durante il processo di saldatura a rifusione. In genere include le fasi di preriscaldamento, immersione, rifusione e raffreddamento.

4. Qual è la temperatura tipica di riflusso?

Per la maggior parte delle paste saldanti senza piombo, la temperatura di riflusso massima è solitamente compresa tra 235°C e 250°C, a seconda della pasta saldante e dei componenti.

5. Quali difetti possono verificarsi durante la saldatura a riflusso?

I difetti più comuni della saldatura a riflusso includono tombstoning, ponti di saldatura, giunzioni di saldatura fredde, vuoti e formazione di palline di saldatura.

6. Perché il forno di rifusione è importante?

Il forno di rifusione controlla il riscaldamento durante il processo di saldatura a rifusione, garantendo la corretta temperatura di rifusione e una qualità costante dei giunti di saldatura.