La pasta saldante è un materiale indispensabile nell'elettronica moderna, specialmente per la saldatura di componenti a montaggio superficiale (SMD). Questo articolo approfondisce la composizione della pasta saldante, le sue diverse applicazioni, i fattori critici nella selezione e le tecniche di utilizzo, incluse le sfide e le innovazioni nell'assemblaggio di componenti ultra-miniaturizzati come i MiniLED.
Introduzione alla Pasta Saldante
La pasta saldante è una miscela omogenea di polvere di lega metallica e un flussante. La lega metallica è composta principalmente da stagno (Sn) e altri metalli come piombo (Pb), argento (Ag) o rame (Cu). Il flussante, un agente chimico, pulisce le superfici metalliche da ossidi e impurità, facilitando la bagnatura e l'adesione della lega saldante fusa. Questa miscela è essenziale per creare giunzioni meccaniche ed elettriche tra componenti elettronici, fili e altre parti metalliche.
Composizione Dettagliata della Pasta Saldante
La composizione della pasta saldante varia a seconda dell'applicazione specifica e delle normative ambientali, che limitano l'uso di leghe contenenti piombo. I componenti principali sono:
Lega Saldante
La lega saldante è una combinazione di stagno (Sn) con altri metalli che ne modificano le proprietà. Le leghe più comuni includono:
- Stagno-Piombo (Sn-Pb): Tradizionalmente utilizzata per la sua bassa temperatura di fusione e l'eccellente bagnabilità. Tuttavia, a causa delle normative ambientali, il suo utilizzo è in declino.
- Stagno-Argento-Rame (Sn-Ag-Cu): Una lega senza piombo sempre più popolare, che offre buone prestazioni di saldatura e una elevata resistenza meccanica. Questa lega è spesso preferita per applicazioni in cui è richiesta una maggiore affidabilità e conformità ambientale.
- Altre Leghe: Esistono altre combinazioni di metalli, come stagno-rame (Sn-Cu) o stagno-bismuto (Sn-Bi), utilizzate per applicazioni specifiche con requisiti particolari di temperatura o resistenza.
Flussante
Il flussante è un componente chimico cruciale che rimuove gli ossidi metallici dalle superfici da saldare, migliorando la bagnatura e l'adesione della lega saldante. Esistono diversi tipi di flussanti, ognuno con proprietà e applicazioni specifiche:
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- Rosin (R): A base di colofonia, con attività molto bassa, adatto per superfici facili da saldare. È ideale per applicazioni dove la pulizia delle superfici è già ottimale e non sono presenti ossidi significativi. La classificazione IPC è ROL0, e il residuo è duro, non corrosivo, non conduttivo e può essere lasciato sul prodotto.
- No Clean (NC): Contiene colofonia, solvente e una piccola quantità di attivatore. Il residuo non è corrosivo e può essere lasciato sulla superficie, semplificando il processo di produzione. La classificazione IPC è solitamente ROL0 o ROL1. Il residuo NC è trasparente, duro, non corrosivo, non conduttivo e progettato per essere lasciato su molti tipi di assiemi. Il residuo può essere rimosso con un solvente appropriato.
- Rosin Mildly Activated (RMA): Simile a NC, ma con un'attività leggermente superiore. Adatto per superfici leggermente ossidate. La classificazione IPC è solitamente ROL0, ROL1, ROM0 o ROM1. Il residuo del flussante RMA è trasparente e morbido. Nella maggior parte dei casi è non corrosivo e non conduttivo. Molti flussanti RMA superano i test SIR come flussanti NC.
- Rosin Activated (RA): Contiene un attivatore aggressivo, adatto per superfici ossidate; richiede pulizia dopo la saldatura per rimuovere i residui corrosivi. La classificazione è ROM0, ROM1, ROH0, or ROH1. In assenza di test che dimostrino il contrario, si presume che il residuo di flusso di RA sia corrosivo. Gli assiemi sensibili alla corrosione o alla possibilità di conduzione elettrica attraverso i residui devono essere puliti il prima possibile dopo il montaggio.
- Water Soluble (WS): A base di attivatori idrosolubili, con attività variabile; richiede pulizia accurata con acqua dopo la saldatura per rimuovere i residui. Il flussante WS è disponibile in un'ampia gamma di livelli di attività, da nessuna attività ad attività estremamente elevata, per la saldatura anche delle superfici più difficili, come l'acciaio inossidabile. La classificazione IPC inizia normalmente con OR per Organico. Sono disponibili con livelli di attività L, M, H e contenuto di alogenuro di 0 o 1.
Tipi di Pasta Saldante
Esistono diversi tipi di pasta saldante, classificati in base alla composizione della lega e al tipo di flussante utilizzato. La scelta del tipo appropriato dipende da vari fattori:
- Tipo di Componenti: Componenti elettronici, fili, circuiti stampati. La scelta dipende dal tipo di componenti da saldare e dalla loro sensibilità termica.
- Materiali da Saldare: Rame, argento, zinco, nickel, acciaio inossidabile. La compatibilità con i materiali è essenziale per garantire una saldatura efficace.
- Temperatura di Fusione: Bassa, media o alta, a seconda della sensibilità al calore dei componenti. Componenti sensibili al calore richiedono paste con temperature di fusione più basse per evitare danni.
- Requisiti di Pulizia: Necessità di pulire i residui di flussante dopo la saldatura. La scelta dipende dai requisiti di pulizia del prodotto finale e dalle tolleranze alla presenza di residui.
- Normative Ambientali: Restrizioni sull'uso di piombo (Pb). Le normative ambientali impongono l'uso di paste saldanti senza piombo in molte applicazioni.
- Dimensione delle Particelle: La dimensione delle particelle influisce sulla dosatura e sullo stampaggio. Polveri troppo grosse possono compromettere la qualità. La dimensione delle particelle deve essere adatta al metodo di applicazione e alla densità dei componenti.
- Caratteristiche Specifiche: Alcune paste saldanti sono formulate per applicazioni impegnative, come la riduzione dei vuoti nei BGA (Ball Grid Array) o la saldatura rapida.
Utilizzo della Pasta Saldante
La pasta saldante viene applicata sulla superficie da saldare utilizzando diversi metodi, ognuno adatto a specifiche esigenze di produzione:
- Serigrafia: Utilizzata per applicare la pasta su circuiti stampati, specialmente in produzione di massa. Questo metodo garantisce una deposizione uniforme e precisa della pasta. La serigrafia è il primo step del processo, in cui la pasta saldante viene depositata sul PCB.
- Dispenser: Permette di dosare con precisione la quantità di pasta necessaria, ideale per prototipazione e piccole produzioni.
- Siringa: Utile per applicazioni manuali e riparazioni, offrendo flessibilità e controllo.
- Immersione: Il componente viene immerso nella pasta, un metodo rapido per componenti specifici.
Dopo l'applicazione, la pasta viene riscaldata per fondere la lega saldante e creare la giunzione. Questo riscaldamento può essere effettuato tramite forni di rifusione, pistole ad aria calda o stazioni di saldatura.
Processo di Assemblaggio SMD con Pasta Saldante
Nel processo di assemblaggio SMD (Surface Mount Device), la pasta saldante viene inizialmente applicata nei punti in cui saranno posizionati i terminali dei componenti SMD. Successivamente, i componenti vengono montati mediante macchine pick and place.
- Serigrafia: È il primo step del processo, in cui la pasta saldante viene depositata sul PCB.
- Posizionamento dei Componenti: Eseguito con macchine Pick and Place di alta precisione. Questi macchinari robotizzati sono in grado di montare un elevato numero di componenti all’ora, garantendo velocità e accuratezza eccezionali. Ad esempio, Mycronic MY300.
- Controllo di Qualità AOI (Automated Optical Inspection): Un sistema AOI esegue un’ispezione 3D dettagliata di ogni PCB, rilevando automaticamente incongruenze e difetti durante la fase di assemblaggio. La macchina infatti effettua una serie di fotogrammi per ogni singola scheda. Ad esempio, un sistema AOI VT-S530 di OMRON.
- Rifusione: La scheda assemblata passa attraverso un forno di rifusione, dove il calore fonde la pasta saldante, creando connessioni elettriche e meccaniche solide tra i componenti e il PCB.
Pasta Saldante Sparkfun: Un Esempio Pratico
Sparkfun offre 50 g di pasta saldante senza piombo di alta qualità, uno strumento essenziale per la prototipazione e progetti hobbistici che coinvolgono la saldatura SMD.
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- Composizione: La pasta saldante è composta per il 96,5% da stagno (Sn), per il 3% da argento (Ag) e per lo 0,5% da rame (Cu). Questa combinazione garantisce eccellenti prestazioni di saldatura e un legame affidabile e duraturo tra i componenti.
- Applicazioni: È ideale per assemblare circuiti stampati, riparare dispositivi elettronici o creare progetti elettronici fai-da-te. È adatto anche sia per uso professionale che per attività hobbistica.
- Vantaggi: Uno dei principali vantaggi di questa pasta saldante è la sua composizione senza piombo, che la rende più sicura per l'ambiente e per l'utente. Inoltre, con una notevole quantità di 50 g, è sufficiente per più progetti senza la necessità di sostituzioni frequenti.
- Supporto: Oltre al suo utilizzo pratico, questa pasta saldante è supportata da numerose risorse. Le schede tecniche dettagliate forniscono informazioni approfondite sul prodotto, mentre tutorial e video del prodotto offrono indicazioni su come utilizzare la pasta per la saldatura.
Fattori da Considerare nella Scelta della Pasta Saldante
La scelta della pasta saldante appropriata è cruciale per garantire la qualità e l'affidabilità delle saldature. Diversi fattori devono essere presi in considerazione:
- Con Piombo vs. Senza Piombo: Molte applicazioni richiedono l'uso di leghe lead-free (senza piombo) per conformarsi alle normative ambientali.
- Temperatura di Fusione: Ogni lega cambia il suo stato da solido a liquido a determinate temperature. La bagnatura inizia alla temperatura del solidus, ma la migliore bagnatura si ottiene a una temperatura di picco di 15°C o più al di sopra del liquidus.
- Dimensione delle Particelle: L'uso di polveri troppo grosse implica difficoltà di dosatura e stampaggio, che possono compromettere la qualità. La dimensione delle particelle deve essere adatta al metodo di applicazione e alla densità dei componenti.
- Categorie di Flussante: Le categorie di flussante sono definite dalle specifiche militari QQ-S-571E e dal sistema di classificazione dei flussanti IPC. La scelta del flussante dipende dal tipo di superfici da saldare e dai requisiti di pulizia.
- Caratteristiche Specifiche: Considerare le caratteristiche che potrebbero essere richieste per fronteggiare un'applicazione impegnativa, come la riduzione dei vuoti nei BGA o la saldatura rapida.
Sfide e Innovazioni nell'Assemblaggio di Componenti Ultra-Miniaturizzati (MiniLED)
L’uso di componenti ultra-miniaturizzati nei dispositivi elettronici è determinato dalla necessità di aumentarne la funzionalità e la compattezza. I componenti SMT (Surface Mount Technology) come 008004/M0201 stanno diventando prevalenti sia nelle applicazioni consumer che in quelle del settore auto grazie alle loro dimensioni ridotte ed efficienza. Allo stesso modo, i componenti MiniLED vengono integrati nei display moderni, migliorandone le prestazioni e l'efficienza energetica.
La rapida implementazione delle tecnologie di illuminazione MiniLED ha portato ad innovare ogni fase del processo di assemblaggio SMT: dalla serigrafia, al posizionamento, alla saldatura.
Sfide Principali
La principale sfida posta da questo tipo di assemblaggio è semplicemente la dimensione del componente. Prima dell’introduzione del MiniLED, il componente più impegnativo che un assemblatore SMT poteva incontrare era uno 01005, che misura circa 400x200 µm, mentre un MiniLED attuale misura 140x100 µm con l’obbiettivo tecnologico di scendere presto a 50x50 µm. Le dimensioni coinvolte sono al di sotto della soglia visiva per gli esseri umani e introducono nuove considerazioni nel processo di assemblaggio SMT.
Considerazioni sul Processo
- Serigrafia: Il deposito della crema saldante per un componente MiniLED è indubbiamente la sfida maggiore. Decine, se non centinaia di migliaia di depositi ultra-miniaturizzati devono essere realizzati con precisione micrometrica in una sola passata di racla e senza margine di errore.
- Lo spessore della lamina per serigrafare depositi di 100x100 µm non deve superare i 30 µm per ottenere un’area ratio ottimale per il rilascio.
- Un'apertura quadrata di 100x100 µm con una lamina di 30 µm ha un’area ratio di 0,833. Gli studi e i test hanno confermato che il valore normalmente accettato dall’industria SMT di 0,66 non è idoneo alla serigrafia di MiniLED.
- Angoli arrotondati delle aperture sono imperativi per garantire che residui di pasta non si accumulino negli angoli, con la conseguente progressiva riduzione del volume di pasta depositata.
- Le lamine devono inoltre avere una finitura superficiale esente da porosità e un taglio laser il più liscio possibile e con una variazione di spessore contenuta.
- È da notare che stencil così sottili sono molto delicati e possono essere facilmente danneggiati. Questo significa che gli stencil dovranno essere ispezionati regolarmente per verificare la loro costante integrità.
- Infine, il nano-rivestimento è indispensabile per migliorare il trasferimento della pasta.
- Un processo serigrafico di successo per i MiniLED richiede attrezzature dedicate che garantiscano la planarità e la stabilità del circuito durante la fase serigrafica. Si dovrebbe utilizzare il vuoto per fissare e rendere planare il circuito. I pin di fissaggio sono inadeguati con queste dimensioni e altamente sconsigliati.
- Crema Saldante: La crema saldante utilizzata nella serigrafia dei MiniLED richiede sfere di Tipo 6 (T6) e più fini. Creme saldanti con sfere così piccole, alterano ogni aspetto del suo comportamento.
- T6 rappresenta il limite della produzione "normale" di sfere per creme per saldatura, mentre sfere di tipo 7 (T7) e sfere più fini richiedono un nuovo approccio.
- Per l'assemblatore, questo significa che le creme avranno una disponibilità limitata (scelte di leghe), costi aggiuntivi e saranno necessarie modifiche alle attrezzature e ai processi di assemblaggio esistenti.
- Le paste saldanti progettate per le applicazioni MiniLED sono tipicamente confezionate in quantità più piccole rispetto alle creme saldanti standard.
- I parametri di base della macchina serigrafica come la velocità delle racle, la pressione, ecc., possono essere stabiliti con un test di serigrafia standard DOE*.
- È obbligatorio utilizzare attrezzature dedicate e/o il vuoto per sostenere il substrato.
- Lo stencil utilizzato per serigrafare aperture così piccole è meno di un terzo dello spessore di uno comunemente usato nell’assemblaggio SMT, con 30µm rispetto a 100µm.
- Il PCB rappresenta la variabile di input più significativa nel processo serigrafico dei MiniLED.
- Ispezione della Crema Saldante: L'Ispezione della Pasta Saldante (SPI) è fondamentale per sviluppare e monitorare un processo di serigrafia MiniLED.
- Posizionamento dei Componenti: Molti modelli di Pick&Place attuali si stanno rivelando inadeguate per soddisfare i requisiti di produttività per i MiniLED. L'attrezzatura deve essere sia ultra-veloce che ultra-precisa.
- Saldatura a Convezione Forzata: Le creme T6 e più fini richiedono un ambiente di rifusione a basso contenuto di ossigeno. Tipicamente, meno di 500 ppm di ossigeno, garantiranno che la crema saldante mostri una buona coalescenza e bagnabilità.
- Il profilo di rifusione dovrebbe essere ottimizzato per la massa dei componenti e dell’assieme.
- Poiché il deposito di saldatura rifuso è molto piccolo, è difficile applicare i criteri standard di valutazione della qualità del giunto di saldatura.
- Per garantire l’integrità del giunto sono stati utilizzati sezionatura trasversale e test di trazione.
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