Dopo l’articolo riguardante la saldatura vapor phase presentato lo scorso mese di Aprile, molti clienti e non ci hanno fatto una serie di quesiti che abbiamo pensato di riassumere nel presente articolo, sperando di dare un po’ di risposte a tutti.
1) Perchè utilizzare la saldatura vapor phase invece dei tradizionali sistemi a rifusione ?
Il metodo di saldatura a fase di vapore (saldatura Vapor phase) risulta oggi essere il sistema più semplice ed affidabile per creare ottimi giunti di saldatura.
Caratteristiche quali semplicità ed efficienza, stanno portando questo sistema di saldatura al successo mondiale che merita.
Il “popolo” dell’elettronica sta riconoscendo gli indubbi vantaggi di tale processo, che permette la saldatura di tutti i componenti, senza calcoli complicati o sistemi per mantenere il controllo della temperatura. La saldatura Vapor Phase garantisce una affidabile riproducibilità a lungo termine delle condizioni di lavorazione desiderate.
2) Come Funziona la saldatura vapor phase?
Il prinicpio su cui si basa il processo di saldatura Vapor Phase o a “condensazione di Vapore”, consiste nel portare ad ebollizione un fluido inerte. Quando questo liquido bolle, uno strato di vapore saturo NON contenente ossigeno o altri gas si forma sopra di esso. Successivamente, la scheda viene “immersa” nella zona di vapore, la quale condensando , trasferisce a tale materiale il calore necessario per la saldatura, per il tempo strettamente necessario allo scopo. La chimica legata a questo processo è perfettamente compatibile con l’ambiente; è estremamente stabile ed Il fluido usato per la saldatura a fase di vapore nei sistemi odierni NON CONTIENE CFC.
3) La saldatura a condensazione è diversa dalla saldatura Vapor Phase ?
NO, si tratta della stessa cosa. I fluidi che vengono utilizzati sono gli stessi, vengono riscaldati al loro punto di ebollizione per creare uno strato vapore (o stato di condensazione), che permette la saldatura in atmosfera inerte. Le differenze sono solamente legate alla progettazione della macchina da saldatura.
4) Come viene gestito il rischio di sovra- temperatura del profilo Termico ?
La temperatura massima sulla scheda è uguale alla temperatura di ebollizione del liquido utilizzato (per legge fisica non può andare oltre). Indipendentemente da quanto tempo la scheda rimane in saldatura nel vapore e dallo spessore della scheda, la temperatura effettiva non può essere superiore a quella del vapore. Ad esempio, è possibile saldare articoli diversi contemporaneamente, come una scheda da 0.5 mm di spessore e una scheda da 18 strati. Con componenti molto diversi tra loro in termini di dimensioni, passi e /o colori ………tutti avranno la quantità “ottimale” di calore per la saldatura, senza avere problemi di surriscaldamento. La saldatura a fase di vapore, di fatto, elimina i rischi dovuti al surriscaldamento. Le leggi della fisica regolano tale processo e di conseguenza è impossibile che avvenga il surriscaldamento.
5) Che cosa possiamo dire in merito all’ossidazione nel processo di Saldatura Vapor Phase rispetto ai convenzionali sistemi a rifusione?
La saldatura a fase di vapore crea vapore saturo inerte al 100% e privo di ossigeno , che minimizza di fatto i problemi di ossidazione. Il vapore è più pesante (rispetto all’aria) e sposta quindi i gas più leggeri che si trovano al di sopra di esso. In questo modo il vapore crea una atmosfera di gas protettivo senza l’uso di azoto (come ad esempio usato in altre procedure di saldatura a rifusione). Inoltre operando ad una temperatura inferiore rispetto ai sistemi di rifusione a convezione forzata, il fenomeno relativo all’ossidazione risulta ridotto.
6) E’ vero che la saldatura Vapor Phase accentua molto l’effetto tomb-stoning ? (Fenomeno dei chip in piedi saldati solo da un lato)
Effettivamente le prime prove quando abbiamo anche noi iniziato con questa tecnologia dimostravano un effetto tomb-stoning su taluni chip .
E’ comunque una situazione iniziale che si supera agevolmente dal punto di vista tecnico.
Le schede odierne sono spesso molto popolate di componenti molto diversi tra loro e molto sensibili come ad esempio BGA, CSP e Flipchips. I punti di saldatura sono per lo più nascosti e un profilo di temperatura uniforme è fondamentale.
Il sistema di saldatura Vapor Phase, grazie alla sua straordinaria efficienza nel trasferimento del calore , è tra i sistemi più indicati.
Infatti durante la saldatura convenzionale (Reflow), al fine di garantire che i giunti nascosti centrali, di questi dispositivi delicati (BGA, QFN ,FLIP CHIP) , vengano riscaldati sufficientemente, la temperatura può essere alzata fino a 40°C sopra al punto di fusione massimo di saldatura. Purtroppo però , in questo modo si possono provocare danni permanenti ai componenti per surriscaldamento.
Utilizzando un sistema a fase di vapore, il calore viene scambiato per conduzione tramite il vapore saturo in cui sono immersi i componenti appoggiati sul PCB, in modo estremamente UNIFORME , indipendentemente dal fatto che i componenti abbiano una massa termica elevata o bassa.
7) Cosa succede nella saldatura delle leghe Lead Free con i sistemi di saldatura Vapor Phase?
E’ ben noto a tutti che le temperature necessarie per le leghe lead-free sono più elevate rispetto al “vecchio” Sn63/Pb37 : tipicamente il 10% in più per la saldatura ad onda e circa 20% in più per la saldatura in rifusione.
La saldatura Vapor Phase è “ l’unico processo di saldatura “ che permette di scambiare i componenti lead-free con quelli contententi Piombo senza pericolo di surriscaldamento della scheda o dei componenti stessi, anche utilizzando un liquido con un punto di ebollizione di 230°C.
Infatti le temperature di rifusione con la lega Sn63/PB37 ,prevedono delle temperature che oscillano, in fase di rifusione, tra 220 ed i 230 ° C,.
Nei sistemi Vapor Phase ,come più volte sottolineato, si utilizza un liquido inerte la cui temperatura di ebollizione ,nel nostro caso , 230 °C, ci permette cioè di soddisfare simultaneamente un requisito adatto sia alle leghe con il piombo , che quelle Lead Free senza problemi !
8) Come è la bagnabilità delle leghe Lead Free nei sistemi di saldatura Vapor Phase ?
Le leghe lead-free hanno una minor bagnabilità rispetto a quelle in SnPb.
Il fatto di poter operare in atmosfera inerte è estremamente importante ed utile ,infatti aiuta molto a compensare il problema legato alla minor bagnabilità delle leghe lead free .
Usando i sistemi tradizionali di saldatura a convezione forzata (Reflow) , l’uso del”azoto migliora i giunti di saldatura e la bagnabilità.
Usando invece un sistema saldatura a fase di vapore, questo fornisce automaticamente un ambiente 100% inerte, senza l’aggiunta di azoto (e senza aggiunta di costi aggiuntivi). Si possono così garantire le migliori condizioni possibili di saldatura, e la migliore affidabilità a lungo termine, per tutta la produzione.
9) Il tipico effetto Pop-corn dei componenti presenti nel processo a rifusione come accade anche con il sistema di saldatura Vapor Phase ?
Va innanzi tutto evidenziato che alcuni componenti elettronici sono particolarmente sensibili all’umidità (sono igroscopici), ad esempio BGA, QFP, QFN etc ma non solo questi componenti sono igroscopici, anche il circuito stampato è igroscopico ; ovvero assorbe umidità . Durante la fase di rifusione (sia essa a rifusione o Vapor Phase) eventuale umidità “intrappolata” cerca di fuoriuscire esercitando una pressione molto elevata all’interno di questi componenti. (In funzione della temperatura si parla sempre di decine di bar)
Questo è dovuto al fatto che il liquido viene trasformato in vapore troppo velocemente e può causare la delaminazione del substrato ,fenomeno conosciuto come “pop-corning o delaminazione”.
Maggiore è la temperatura di rifusione (ad esempio leghe Lead Free) e maggiore è il rischio del Pop-Corning. Mediamente nei sistemi di rifusione a convezione forzata, la temperatura nel picco di saldatura e tra i 245 ed i 250 °C.
Una temperatura di rifusione di 230°C ottenibile tramite sistemi di saldatura Vapor Phase, allevia di molto il problema……..ma attenzione il problema rimane . Va infatti rimossa prima l’umidità dai dispositivi (siano essi componenti e/o Pcb) con una appropriata procedura di Baking.
Ci è pervenuta una domanda curiosa a cui rispondiamo di seguito
Quali sono le modifiche che si devono fare sulle macchine a fase vapore che sono attualmente utilizzate per leghe SnPb, in modo che esse possano essere utilizzati per saldature lead-free?
Nessuna modifica o nessuna integrazione è necessaria. Tutto quello che si dovrà fare è eventualmente riempire la macchina con un fluido di temperatura di ebollizione adeguata.
Prime ha fatto la scelta del Galden a 230 °C come punto di ebollizione.
10) Vapor Phase… …alcune curiosità!
Nella saldatura a fase di vapore, i componenti e le schede vengono immersi in un vapore . Il liquido condensa sulla superficie della scheda fredda e il suo calore latente di condensazione viene trasferito alla scheda incrementando così la temperatura del prodotto fino alla temperatura di ebollizione del liquido.
E’ uno dei sistemi saldatura più efficienti nel trasferimento del calore.
Ci sono due tipi di fluidi in vendita per la saldatura a condesazione:
-perfluorocarburi (perfluorocarbons), ad esempio, 3M Fluorinet , contiene solo carbonio e fluoro
-perfluoropolieteri (perfluoropolyethers), ad esempio, Galden PFPE, contiene carbone, fluoro e ossigeno
Entrambi i tipi di materiale sono chimicamente inerti ed hanno un elevata resistenza dielettrica e bassa viscosità. Essi non sono tossici, e non comportano pericoli di scintille o incendi, così i problemi di sicurezza per l’operatore sono limitati al vapore, essendo ad una temperatura elevata. Dal punto di vista ambientale, entrambi hanno potenziale di riduzione dell’ozono pari a zero e non sono regolati come composti organici volatili (VOCs), in quanto NON contribuiscono alla formazione di smog a livello del suolo. Il punto di ebollizione di questi liquidi può essere selezionato per l’applicazione desiderata: la Fluorinert FC-70 e il Galden LS/215, che sono comunemente utilizzati, hanno entrambi un punto di ebollizione a 215°C, ma i perfluoropolieteri sono disponibili anche con punti di ebollizione fino a 260°C.
Altre info utili le puoi trovare qui.
