Tipi di saldatura PCB e processo di assemblaggio

Ricordo quando ho iniziato a lavorare in un laboratorio e di tanto in tanto dovevo saldare i cavi su contatti metallizzati. Lavoravamo con materiali semiconduttori, ma gli stessi materiali possono essere utilizzati nella saldatura dei PCB. Si tratta solo di scegliere la giusta miscela da adattare al processo di produzione dei PCB.

Il processo di produzione di PCB prevede più fasi, che vanno dalla fabbricazione di schede nude all'assemblaggio e all'imballaggio. Nell'ambito dell'assemblaggio PCB, esistono diversi tipi di saldatura PCB utilizzati per montare i componenti. Le diverse saldature hanno caratteristiche meccaniche, considerazioni sulla sicurezza e problemi di smaltimento differenti che devono essere presi in considerazione quando si pianifica l'assemblaggio. La transizione verso l’elettronica senza piombo sta relegando ai margini l’uso di saldature a base di piombo.

Non entrerò ancora nel dibattito tra piombo e senza piombo perché su Internet ci sono già molti contenuti al riguardo. Per ora, limitiamoci a considerare i diversi tipi di saldatura PCB, in particolare i diversi materiali e processi.

Materiali di saldatura PCB

Esistono molti tipi di saldature disponibili sul mercato e scegliere quello migliore potrebbe sembrare un compito arduo per un nuovo progettista o assemblatore. Le saldature vengono utilizzate per creare collegamenti elettrici tra contatti metallici permettendo alla lega fusa (che è una lega morbida) di formare una miscela eutettica che si fonde mentre si raffredda. La miscela di metalli presente in un PCB saldato determinerà la sua resistenza meccanica dopo la solidificazione, la temperatura di fusione richiesta e i fumi emessi durante la saldatura. Possiamo distinguere i tipi di materiali di saldatura PCB in base al materiale di base, ai costituenti metallici e ai tipi di flussanti.

Contenuto metallico

Le miscele di saldatura al piombo sono note come saldature dolci e sono responsabili dell'avvio dell'industria elettronica. Hanno un punto di fusione di circa 180-190 °C e una durata approssimativa di 2 anni. Le comuni leghe saldanti a base di piombo includono:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Altri rapporti Sn/Pb includono 50/50, 30/70 e 10/90. Lo stagno viene utilizzato principalmente come metallo di base poiché conferisce alla lega un punto di fusione più basso e il piombo inibisce la crescita dei baffi di stagno. Una maggiore concentrazione di stagno rende il giunto saldato più resistente al taglio e alla trazione. Il componente argento in 62/36/2 Sn/Pb/Ag fornisce una minore resistenza al contatto e resistenza alla corrosione. Tieni presente che esistono altri tipi di saldature (indio, lega di zinco, ecc.), tuttavia non vengono utilizzate sui PCB in quanto incompatibili con il processo di produzione dei PCB.

Le saldature senza piombo stanno guadagnando sempre più popolarità da quando l'Unione europea ha approvato la Direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances, restrizione all'uso di sostanze chimiche), che limita l'impiego del piombo nell'elettronica. Un problema con le saldature senza piombo è che tendono maggiormente a formare baffi di stagno. Spesso si utilizzano dei rivestimenti conformi per prevenire la formazione di questi baffi di stagno e per fornire protezione dall'umidità e dalla corrosione.

La lega per saldatura a flusso animato è venduta come bobina singola e contiene un agente riducente nel nucleo. Questo agente riducente (ne parleremo più avanti) rimuove qualsiasi patina di ossido sui contatti metallici per garantire un'alta conduttività nel contatto elettrico. Il tipo di materiale contenuto nel nucleo è un altro punto da considerare se si sta saldando a mano.

Materiale del nucleo di saldatura

Le bobine di saldatura o le paste saldanti contengono uno di questi tipi di materiali per fondere i contatti metallici durante la saldatura:

• Flussante organico acido: un flussante a base acida garantisce la rimozione aggressiva degli ossidi dai contatti metallici durante la saldatura. Questo flussante è solubile nell'acqua e richiede la pulizia dei residui dopo la saldatura per prevenire la corrosione.
• Flussante di colofonia: la colofonia è una forma solida di resina derivata dalle conifere. I residui del flussante di colofonia non causano corrosione, quindi viene utilizzato ogni volta che risulta più difficile rimuovere i residui del flussante acido organico.
• Saldature a nucleo solido: alcuni fili di saldatura hanno un nucleo solido e non contengono alcun flussante, quindi il flussante deve essere applicato a mano. Questo tipo di saldatura è utile per la saldatura manuale, purché sia disponibile il flussante.

Processi di saldatura PCB

Oggigiorno il tipo di saldatura più comune nei PCB è la saldatura a nucleo di colofonia senza piombo (Sn-Cu). A meno che il tuo assemblatore non stia lavorando a una scheda unica o che tu non stia assemblando la tua scheda personale, il PCBA non verrà saldato a mano, bensì seguirà un processo automatizzato:

• Saldatura a onda: utilizzata per componenti a foro passante
• Saldatura a riflusso: utilizzata per componenti SMT in un forno di rifusione
• Saldatura selettiva: utilizzata quando un componente a foro passante potrebbe essere danneggiato dal calore elevato o non è indicato per le procedure a onda e riflusso

Si applica prima il flussante/la pasta sui contatti metallici della scheda per ridurre l'ossidazione e uniformare il flusso della saldatura fusa, che rafforza il giunto saldato finito su un PCB. La maggior parte dei progettisti probabilmente penserà che sia necessario assemblare le parti con dei cavi privi di piombo utilizzando una pasta saldante priva di piombo, tuttavia non si tratta di un requisito rigoroso. Secondo un gruppo di esperti di saldatura, non è raro mescolare questi materiali, purché si tenga presente che la lega finale che si forma potrà avere delle proprietà meccaniche a metà strada tra le leghe finali a base di piombo e quelle prive di piombo.

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