Cos'è la saldatura ad onda nella produzione di PCBA

Introduzione

Nel complesso mondo della produzione di circuiti stampati (PCB), ottenere connessioni elettriche robuste e affidabili è fondamentale. La saldatura a onda è una fase essenziale del processo.

Questa tecnica garantisce che i componenti passanti aderiscano perfettamente ai PCB, ancorandoli saldamente per le applicazioni elettroniche previste.

Nella produzione di PCBA, il processo di saldatura a onda prevede fasi complesse, ciascuna delle quali è fondamentale per il risultato finale. Dalla meticolosa preparazione del PCB all'applicazione precisa del flusso, fino al controllo della temperatura di saldatura e dell'altezza dell'onda, questo metodo racchiude i segreti per creare giunti di saldatura affidabili.

In questa esplorazione, approfondiamo il mondo della saldatura a onda. Vi illustreremo i dettagli del preriscaldamento, della creazione dell'onda di saldatura, della saldatura, del raffreddamento e dell'importanza dell'ispezione finale. 

Cos'è la saldatura ad onda?

La saldatura a onda è un metodo di punta per la saldatura in serie durante la produzione di circuiti stampati. In questa procedura, il circuito stampato viene fatto passare sopra un contenitore riempito di stagno liquido. 

All'interno di questo contenitore, un dispositivo a pompa crea un'onda di saldatura ascendente che assomiglia a un'onda stazionaria. Quando il circuito stampato interagisce con quest'onda di saldatura, facilita la saldatura dei suoi componenti alla scheda. 

Sebbene la saldatura a onda trovi applicazione principalmente nella saldatura di componenti passanti, può essere impiegata anche per il montaggio superficiale in scenari specifici.

L'attrezzatura fondamentale utilizzata nel processo di saldatura a onda dei PCB comprende un trasportatore che trasporta il circuito stampato attraverso varie zone sequenziali. 

Il bagno di saldatura è fondamentale nella procedura di saldatura e una pompa genera l'onda di saldatura essenziale. Inoltre, questo sistema include componenti integrati come uno spruzzatore di flusso e un pad di preriscaldamento.

Vale la pena notare che sono disponibili diversi tipi di macchine per saldatura a onda, ma i loro componenti principali e i principi operativi rimangono gli stessi. 

Saldatrice ad onda

Migliori saldatrice ad onda Comprende un crogiolo di saldatura riscaldato per mantenere la temperatura necessaria. All'interno di questo contenitore, creiamo un'onda di saldatura che viene attraversata dal circuito stampato, assicurando che solo la parte inferiore della scheda entri in contatto con l'onda di saldatura.

È essenziale regolare l'altezza dell'onda per evitare che la saldatura si infiltri in aree indesiderate sulla superficie superiore della scheda. Di solito, montiamo saldamente le schede su un vassoio trasportatore in grado di resistere ad alte temperature. Negli stabilimenti di produzione di componenti elettronici, si trovano comunemente saldatrici a onda bimodali o a pompa elettromagnetica. Inoltre, il prezzo della saldatura a onda varia a seconda del modello, delle caratteristiche e delle capacità.

Fasi coinvolte nel processo di saldatura ad onda

Ecco i passaggi critici del processo di saldatura a onda dei PCB:

Preparazione del PCB

Inizia preparando il PCB, assicurandoti che sia pulito e privo di contaminanti o residui. Questa fase potrebbe comportare la pulizia della superficie del PCB per ottimizzare l'adesione della saldatura.

Applicazione di flusso

Il flusso svolge un ruolo fondamentale nel processo di saldatura a onda, principalmente per la pulizia dei componenti saldati, in particolare per quanto riguarda gli eventuali strati di ossido formatisi. 

Esistono due diversi tipi di flussi: corrosivi e non corrosivi. I flussi non corrosivi richiedono una pre-pulizia e vengono impiegati quando è richiesta una bassa acidità, mentre i flussi corrosivi, essendo più rapidi e richiedendo una pre-pulizia minore, presentano un livello di acidità più elevato. 

Dobbiamo applicare il flussante sul fondo della scheda che vogliamo saldare. È fondamentale usarne la giusta quantità. Una quantità insufficiente può causare giunti di saldatura deboli, mentre una quantità eccessiva può lasciare del flussante in eccesso sulla scheda. La giusta quantità è essenziale per una buona saldatura.

Nel processo di saldatura a onda dei PCB utilizziamo due tecniche principali per l'applicazione del flusso.

1. Applicazione del flusso a spruzzo: Questo metodo prevede la spruzzatura di una sottile nebbia di flussante sulla parte inferiore della scheda da saldare. In alcuni sistemi, un getto d'aria compressa può rimuovere il flussante in eccesso, garantendo un'applicazione precisa.

2. Applicazione del flusso di schiuma: In questo approccio, il circuito stampato elettronico viene posizionato sopra una cascata di schiuma di flusso. Produciamo la schiuma inserendo il flusso in un serbatoio. All'interno del serbatoio, c'è un cilindro di plastica con piccoli fori. Un camino metallico ricopre il cilindro e gli operatori spingono aria attraverso di esso, facendo salire la schiuma di flusso all'interno dello sfiato.

Questi due metodi di applicazione consentono la deposizione controllata ed efficace del flusso sul PCB, un passaggio fondamentale per garantire una saldatura affidabile.

Il preriscaldamento

Durante il processo di saldatura a onda, le alte temperature, molto più elevate rispetto a quelle della saldatura manuale, espongono schede PCB e componenti. Questo improvviso sbalzo di temperatura, chiamato shock termico, può aumentare il rischio di guasti. 

Pertanto, è necessario preriscaldare le schede gradualmente, consentendo loro di raggiungere la temperatura desiderata e riducendo al minimo lo shock termico, risolvendo così questo problema. Nella zona di preriscaldamento, utilizziamo comunemente riscaldatori ad aria calda. 

Gli utenti richiedono di soffiare aria calda sui PCB mentre questi passano attraverso la saldatrice a onda. Un riscaldatore a infrarossi può garantire un riscaldamento uniforme nei casi in cui la scheda sia densa, evitando zone d'ombra.

L'impostazione della temperatura di preriscaldamento varia in base al tipo di assemblaggio o PCB:

• Per la saldatura a onda su un solo lato, impostare la temperatura tra 90 e 100 gradi.
• Per la saldatura a onda bilaterale e la saldatura a rifusione bilaterale, mantenere la temperatura entro un intervallo compreso tra 100 e 110 gradi.
• Per la saldatura a onda di PCB multistrato e la saldatura a riflusso di PCB multistrato, regolare la temperatura tra 115 e 125 gradi.

Creazione di onde di saldatura e processo di saldatura

Un crogiolo o un vassoio all'interno della macchina contiene la lega saldante fusa nel processo di saldatura a onda. Una pompa crea una risalita controllata della lega saldante, formando un'onda stazionaria distinta. È fondamentale mantenere quest'onda alla giusta altezza e temperatura per facilitare efficacemente il processo di saldatura.

Una volta preriscaldato il circuito stampato (PCB), lo spostiamo delicatamente sull'onda di saldatura fusa. Quando il PCB entra in contatto con l'onda di saldatura, la saldatura si lega alle piazzole metalliche esposte e ai terminali dei componenti. Questa interazione si traduce nella formazione di giunti di saldatura solidi e affidabili.

Scelta del materiale di saldatura

La scelta del materiale di saldatura è fondamentale. Tradizionalmente, la lega di saldatura più utilizzata è Sn63Pb37, composta per il 63% da stagno e per il 37% da piombo. Questa combinazione offre eccellenti proprietà di saldatura, rendendola famosa per la produzione di componenti elettronici.

Tuttavia, il piombo è una sostanza pericolosa che può danneggiare la salute umana e l'ambiente. La sua presenza nei materiali di saldatura rappresenta un rischio per i lavoratori e può causare inquinamento. 

I produttori hanno introdotto leghe saldanti senza piombo come alternativa più sicura per affrontare queste problematiche. Queste leghe saldanti senza piombo sono spesso composte da materiali diversi e due scelte comuni sono Cu6Sn5 e Ni3Sn4.

Temperatura di saldatura 

Nel processo di saldatura a onda, la temperatura di saldatura è un fattore cruciale che influenza la qualità dei giunti saldati. È fondamentale gestire attentamente la temperatura sia del crogiolo che del circuito stampato (PCB) per una saldatura a onda di successo. Di seguito sono riportati gli intervalli di temperatura consigliati e alcune considerazioni per un'operazione di saldatura a onda efficace:

• Temperatura superiore: Per la saldatura a onda senza piombo, la temperatura superficiale tipica è compresa tra 180 e 225 °C. Tuttavia, la temperatura specifica può variare in base al tipo di flusso utilizzato.
• Temperatura del crogiolo di saldatura ad onda: Nel caso di saldatura senza piombo, gli operatori dovrebbero idealmente mantenere la temperatura del crogiolo di saldatura a onda in un intervallo compreso tra 265 e 270 °C.
• Temperatura del PCB inferiore: La temperatura sulla parte inferiore del PCB nell'ultima zona di preriscaldamento dovrebbe essere di circa 150 °C.
• Temperatura del punto di stagno: Durante la saldatura, gli operatori devono controllare attentamente l'intervallo di temperatura del punto di stagno, che deve essere di 245±10℃.
• Temperatura tra CHIP e WAVE: È fondamentale assicurarsi che la temperatura nella zona tra CHIP e WAVE non scenda sotto i 180°C.
• Velocità di rampa della temperatura di preriscaldamento: Durante il preriscaldamento, gli operatori devono mantenere la velocità di incremento della temperatura della parte inferiore della scheda PCB a una velocità inferiore o uguale a 5 °C al secondo.
• Temperatura di uscita del PCB: All'uscita del forno, dobbiamo controllare attentamente la temperatura della scheda PCB per garantire che rimanga al di sotto dei 100 gradi.

Una gestione efficace di questi parametri di temperatura è essenziale per ottenere giunzioni di saldatura affidabili e garantire il successo complessivo del processo di saldatura a onda.

Altezza dell'onda di saldatura

Nella configurazione del processo di saldatura a onda, un parametro critico da considerare è l'altezza dell'onda di saldatura. La durata del contatto tra l'onda di saldatura e i componenti saldati dura in genere dai 2 ai 4 secondi. 

Due impostazioni chiave della macchina regolano questo tempo di contatto: la velocità del trasportatore e l'altezza dell'onda. La modifica di uno di questi parametri influirà direttamente sul tempo di contatto. Di solito aumentiamo o diminuiamo la velocità della pompa sulla macchina di conseguenza per regolare l'altezza dell'onda. 

Inoltre, possiamo utilizzare una lastra di vetro temperato per una valutazione più precisa di eventuali variazioni dell'altezza dell'onda. Quando un dispositivo di fissaggio è in posizione, consente la registrazione digitale del tempo di contatto, dell'altezza dell'onda e della velocità per un controllo completo del processo.

Processo di raffreddamento

È fondamentale mantenere una velocità di raffreddamento adeguata per il circuito stampato (PCB) dopo la saldatura. Un raffreddamento rapido può causare deformazioni del PCB e potenziali danni ai giunti di saldatura.

Al contrario, se il PCB si raffredda troppo lentamente, può diventare fragile, con il rischio di danneggiare alcuni componenti a causa dell'esposizione prolungata ad alte temperature. È consigliabile utilizzare metodi come il raffreddamento ad acqua o ad aria, che aiutano a regolare il processo di raffreddamento e a ridurre al minimo i potenziali danni al PCB, per un corretto equilibrio.

Rifinitura e pulizia

A volte, potresti avere troppa saldatura da riparare per una connessione ordinata e robusta. Per farlo, potrebbe essere necessario rimuovere la saldatura o le sfere di saldatura in eccesso dal PCB per ottenere un risultato pulito e affidabile.

Ispezione finale

Un'ispezione finale del circuito stampato (PCB) garantisce che tutti i giunti di saldatura soddisfino i necessari standard di qualità e che il PCB sia privo di difetti. Questo passaggio è fondamentale per confermare l'integrità della scheda e la qualità della saldatura.

Attrezzatura di base utilizzata nel processo di saldatura ad onda

Le attrezzature essenziali utilizzate nel processo di saldatura ad onda includono:

• Nastro trasportatore: il nastro trasportatore facilita lo spostamento del circuito stampato, guidandolo attraverso le diverse sezioni della macchina saldatrice.

• Vassoio di saldatura: costituisce il cuore del processo di saldatura e contiene la lega di saldatura fusa necessaria per l'operazione.

• Pompa: la pompa genera onde di saldatura distintive, simili a onde stazionarie, consentendo una saldatura efficace.

• Spruzzatore di flusso: lo spruzzatore di flusso distribuisce il flusso sulla parte inferiore del PCB, preparandolo per il preriscaldamento e l'immersione nella lega saldante liquida.

• Pad di preriscaldamento: questo elemento preriscalda il PCB, garantendo condizioni di saldatura ottimali.

Precauzioni di sicurezza nel processo di saldatura ad onda

Quando si esegue la saldatura a onda, è fondamentale osservare diverse precauzioni per proteggersi da potenziali rischi e garantire la qualità del prodotto finale. Alcune di queste precauzioni includono:

Ispezione della macchina

Prima di iniziare, è fondamentale controllare attentamente la macchina per saldatura a onda, esaminando le condizioni della superficie del forno, assicurandosi che le scorie di stagno siano in buone condizioni e verificando l'alimentazione dell'aria compressa.

Manutenzione della macchina

Una manutenzione regolare è essenziale per evitare potenziali pericoli, come viti allentate, bassa velocità della catena e alberi di trasmissione arrugginiti. Questi problemi possono causare il distacco della scheda e una scarsa qualità dopo la saldatura.

Prevenzione del sollevamento dei componenti

Il calore generato durante la saldatura può indebolire l'adesione del rame, rendendo la scheda fragile. È fondamentale maneggiare la scheda con cura quando la si rimuove dalla saldatrice per evitare che i componenti si sollevino.

Evitare i cortocircuiti nella saldatura

I cortocircuiti nella saldatura si verificano quando la lega non si separa da due o più terminali prima di solidificarsi. Per evitare questo problema, ridurre la lunghezza e le dimensioni del pad può aiutare a ridurre al minimo la quantità di lega che aderisce alla scheda. Queste misure contribuiscono a un processo di saldatura a onda più sicuro e di qualità superiore.

Riempimento corretto del foro

È fondamentale mantenere un flusso di saldatura costante per evitare un riempimento insufficiente dei fori, che potrebbe derivare da un drenaggio lento della saldatura. Un drenaggio lento può portare a un'eccessiva quantità di saldatura sul reoforo, causandone un drenaggio non uniforme e la creazione di tracce di saldatura sulla scheda. Anche la rimozione tempestiva della scheda dall'onda di saldatura può contribuire a evitare questo problema.

Gestione della quantità di saldatura

Una saldatura eccessiva può causare problemi come il "bridging" (letteralmente "ponte di saldatura"), ovvero il collegamento involontario di due o più terminali. Per evitare questo problema, è necessario applicare un rivestimento protettivo che impedisca alla saldatura di creare ponti tra i collegamenti.

Prevenire la formazione di palline di saldatura

Il fenomeno della formazione di palline di saldatura, ovvero di piccole sfere di saldatura sulla scheda, può essere ridotto utilizzando la giusta quantità di flusso e assicurandosi che la scheda sia pulita prima della saldatura.

Evitare le false saldature

Saldature errate e la formazione di bolle d'aria possono essere causate da un foro bagnato. È fondamentale assicurarsi che il foro sia asciutto prima di procedere.

Monitoraggio della composizione dello stagno

Controllare regolarmente la composizione dello stagno è essenziale per prevenire problemi quali risultati di scarsa qualità dopo il forno e potenziali deformazioni orizzontali delle guide.

È importante notare che queste precauzioni servono come linee guida generali e che le precauzioni specifiche possono variare a seconda del tipo di saldatrice a onda e dei materiali utilizzati. Seguire sempre le istruzioni e le linee guida di sicurezza del produttore prima di utilizzare una saldatrice a onda.

Difetti comuni riscontrati nel processo di saldatura ad onda

Durante il processo di saldatura a onda, diversi difetti possono influire sulla qualità del prodotto finale. Ecco alcuni difetti comuni, le loro possibili cause, effetti e soluzioni:

Difetti di foro stenopeico o sfiatatoio

Questi difetti sono dovuti allo spessore della placcatura in rame. L'umidità all'interno della scheda fuoriesce attraverso la placcatura sottile o attraverso le fessure.

Le possibili cause di questi difetti sono la scarsa qualità della placcatura in rame, del flusso e della lega per saldatura. Gli effetti di questi difetti sono una scarsa conduttività elettrica e una scarsa resistenza meccanica. La soluzione a questo problema è l'utilizzo di placcatura in rame, flusso e lega per saldatura di alta qualità.

Riempimento del foro insufficiente

Questo problema si verifica sui circuiti stampati con fori preforati per il montaggio dei componenti sulla scheda. Le possibili cause di questo difetto sono bassa temperatura, saldatura contaminata, superfici eccessivamente ossidate per il flussante utilizzato, flussante contaminato e applicazione non corretta del flussante.
 
Gli effetti di questo difetto sono scarsa conduttività elettrica e scarsa resistenza meccanica. La soluzione a questo problema è indagare ogni possibile causa e correggere le discrepanze sospette una alla volta fino al ripristino della saldabilità.

Componenti sollevati

Questo difetto si verifica quando l'utente non salda correttamente i componenti alla scheda. Tra le possibili cause di questo problema rientrano un flusso di qualità scadente, una lega di saldatura di bassa qualità e un preriscaldamento inadeguato. 

Le conseguenze di questo difetto si manifestano in una conduttività elettrica compromessa e una ridotta resistenza meccanica. Il rimedio a questo problema consiste nell'utilizzare tecniche di flusso, saldatura e preriscaldamento di alta qualità.

Saldatura eccessiva

Questo difetto si verifica quando viene applicata una quantità eccessiva di stagno alla scheda. Tra i potenziali fattori che contribuiscono a questo problema rientrano un flusso di qualità inferiore, uno stagno di qualità inferiore e un preriscaldamento insufficiente. 

Le conseguenze di questo difetto si traducono in una riduzione della conduttività elettrica e della resistenza meccanica. Per risolvere questo problema, è essenziale utilizzare flussi, saldature e metodi di preriscaldamento di alta qualità.

Pallina di saldatura

Questo difetto si verifica quando sulla scheda si formano piccole sfere di saldatura. Tra i fattori che contribuiscono a questo problema possono rientrare un flusso non ottimale, una lega di saldatura di qualità inferiore e un preriscaldamento inadeguato. 

Gli effetti di questo difetto includono una ridotta conduttività elettrica e una minore resistenza meccanica. Per superare questo problema, è consigliabile utilizzare flussi, saldature e procedure di preriscaldamento di alta qualità. 

Saldatura ad onda vs saldatura a riflusso

La saldatura a rifusione e la saldatura a onda sono metodi diversi per la produzione di circuiti stampati (PCB). La saldatura a rifusione assembla principalmente componenti con tecnologia a montaggio superficiale (SMT), particolarmente adatta per componenti di piccole dimensioni. 

Al contrario, la saldatura a onda è il metodo preferito per la tecnologia through-hole (THT) o l'assemblaggio di pacchetti in linea duali (DIP), che solitamente ospita componenti di grandi dimensioni.

La saldatura a rifusione gode di maggiore popolarità nel settore dei PCB, offrendo vantaggi in termini di costi. Al contrario, la saldatura a onda eccelle in termini di velocità ed efficienza, rendendola la scelta ideale per scenari di produzione ad alto volume. 

Sia la saldatura a onda che quella a riflusso presentano vantaggi e limiti unici e la scelta di quale utilizzare dipende dai requisiti specifici del PCB.

Diamo un'occhiata ai vantaggi e agli svantaggi di ciascuna tecnica:

Pro della saldatura a riflusso:

• Ideale per piccoli componenti
• Crea giunti di saldatura di alta qualità
• Funziona bene per la produzione su piccola scala
• Economicamente vantaggioso

Contro della saldatura a riflusso:

• Non adatto per componenti significativi
• Richiede un controllo preciso della temperatura
• Meno efficace per la produzione ad alto volume

Vantaggi della saldatura ad onda:

• Adatto per componenti di grandi dimensioni
• Veloce ed efficiente
• Ottimo per la produzione ad alto volume
• Richiede un controllo della temperatura meno esigente

Contro della saldatura ad onda:

• Non adatto per piccoli componenti
• Richiede operazioni qualificate
• Potrebbero verificarsi problemi come il sollevamento di componenti e l'eccesso di saldatura, soprattutto se non gestito con competenza.

Conclusione

In conclusione, padroneggiare la saldatura a onda non è solo una necessità industriale; è una forma d'arte che unisce precisione, tecnologia e responsabilità ambientale. 

Comprendendone la complessità, i produttori possono garantire la produzione di PCB che soddisfano accurati standard qualitativi, riducendo al minimo l'impatto ambientale. 

La saldatura a onda rimane un elemento fondamentale della produzione di PCB, aprendo la strada alla prossima generazione di innovazioni elettroniche.