Perché è stata utilizzata una saldatura a bassa temperatura

Perché è stata utilizzata una saldatura a bassa temperatura
In passato, in risposta alla direttiva 2002/95/CE dell'Unione Europea sulla restrizione delle sostanze pericolose (RoHS), la saldatura nel processo PCBA è stata cambiata da stagno-piombo (SnPb) a leghe di stagno-argento-rame (SAC), aumentando però relativamente la temperatura di saldatura della saldatura. In risposta alla tendenza generale al risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica, sembra che un numero crescente di aziende stia cercando di trasformare il processo ad alta temperatura SAC in un processo a bassa temperatura.
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    Qual è il tipo di saldatura a bassa temperatura più popolare?

    Qual è il tipo di saldatura a bassa temperatura più popolare?

    In effetti, dopo il trasferimento del processo di saldatura alla lega SAC, anche la temperatura di riflusso di picco della linea di produzione SMT è passata dagli originali 220˚C a circa 250˚C, e l'aumento della temperatura di saldatura comporta anche una riduzione di parte dei materiali e dei costi di produzione. La necessità di utilizzare materiali più resistenti alle alte temperature, il cambiamento maggiore è rappresentato dai materiali plastici ingegneristici; inoltre, le alte temperature peggiorano anche la qualità della produzione, ad esempio i materiali hanno maggiori probabilità di deformarsi ad alte temperature e di causare saldature scadenti.

    Attualmente, il più noto saldatura a bassa temperatura è una lega di stagno-bismuto (SnBi) e stagno-bismuto-argento (SnBiAg) a base di stagno (Sn) con aggiunta di bismuto (Bi).

    Vantaggi del processo di saldatura a bassa temperatura

    Risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio

    Nel processo di saldatura a bassa temperatura, viene utilizzata una lega di saldatura con un punto di fusione più basso, che consente di ridurre la temperatura, il tempo e il consumo di energia.

    Ridurre la domanda di materiali ad alta temperatura

    L'uso di materiali con una minore resistenza alla temperatura al di sopra della temperatura ambiente si traduce solitamente in una riduzione dei costi dei materiali durante il processo di saldatura a bassa temperatura.

    Riduzione della soglia di processo e miglioramento della resa produttiva

    Cambiando la lega di saldatura da SAC a SnBi, la temperatura massima nel forno di riflusso si riduce da 250˚C a circa 175˚C e, di conseguenza, anche il tasso di deformazione del circuito stampato ad alta temperatura si riduce di circa 50%, che è una delle cause principali della saldatura HIP/HoP di grandi parti senza piombo come BGA e LGA e della rottura di MLCC.

     

    parti senza piombo come BGA e LGA

    Svantaggi del processo di saldatura a bassa temperatura

    L'affidabilità a lungo termine dei giunti a saldare è scarsa

    Il principale svantaggio delle saldature a bassa temperatura è che i giunti di saldatura sono relativamente fragili e soggetti a cricche di stagno dovute alle sollecitazioni. Rispetto alle saldature in lega SnPb e SAC, la resistenza delle saldature in lega SnBi è molto debole rispetto agli shock termici e alle cadute da impatto.

    Nel processo di rifusione è probabile che si verifichino difetti di taglio a caldo.

    La lacerazione a caldo tende a comparire sulla superficie delle piazzole dei circuiti stampati nel processo di saldatura ibrido di sfere di saldatura SAC, pasta saldante SnBi senza piombo e stagno-piombo, soprattutto nei BGA con giunti di saldatura di parti pre-saldate. Questo perché durante il processo di saldatura, la sfera di saldatura SAC ha un punto di fusione elevato e non è facile da sciogliere. 

    Anche dopo la fusione, si solidificherà prima durante il processo di raffreddamento, mentre la pasta saldante SnBi si fonderà sicuramente durante il processo di rifusione e si raffredderà. Inoltre, polimerizza più lentamente del SAC. Immaginate che durante il processo di raffreddamento del forno di riflusso, le sfere di saldatura BGA si siano solidificate o non si siano fuse affatto, lasciando solo una piccola porzione di saldatura SnBi allo stato di slurry. 

    A questo punto, anche il PCB e la scheda portante BGA si riprendono gradualmente dalla deformazione ad alta temperatura. Una volta che lo spazio tra la scheda portante BGA e il PCB si è deformato poco ad alta temperatura e lo spazio diventa più grande dopo il ritorno alla temperatura (recupero della deformazione), tirerà lo slurry di saldatura SnBi non ancora completamente indurito, formando così una fessura a caldo.

    Che tipo di profilo di temperatura deve essere utilizzato quando le sfere di saldatura BGA in lega SAC vengono miscelate con una pasta di saldatura a bassa temperatura?

    Infatti, è utile combinare contemporaneamente pasta saldante a bassa temperatura, sfere saldanti a bassa temperatura e profili a bassa temperatura, in modo da ottenere tutti i vantaggi della pasta saldante a bassa temperatura e il miglior effetto e qualità di saldatura. Tuttavia, poiché sul mercato non sono disponibili BGA con sfere di saldatura a bassa temperatura, è necessario che i profili a bassa temperatura siano combinati tra loro. Produzione di PCB deve ricorrere alla pasta saldante a bassa temperatura e alle sfere di saldatura BGA in lega SAC.

    Se si vuole ottenere il miglior effetto qualitativo del SAC miscelato con la pasta saldante a bassa temperatura, è necessario trovare un modo per ridurre l'impatto della lacerazione a caldo e il miglior profilo di riflusso è quello di seguire il profilo di temperatura del SAC, perché il profilo ad alta temperatura può essere fuso, mentre allo stesso tempo il SAC e la lega SnBi consentono al SAC di diffondersi nell'area della lega SnBi.

    Lega SAC

    Modificando il rapporto di lega della formula SnBi, si può aumentare leggermente la temperatura di solidificazione dell'area SnBi e si raccomanda di accelerare la velocità di raffreddamento dopo il picco di temperatura, in particolare tra 217°C (SAC305) e 138°C (Sn42Bi58), allo scopo di far solidificare l'area di saldatura SnBi subito dopo la solidificazione dell'area di saldatura SAC nel più breve tempo possibile. In questo modo, però, si perdono tutti i vantaggi dell'utilizzo dell'LTS e la resistenza della saldatura non è pari a quella della lega SAC, per cui è meglio utilizzare direttamente la pasta saldante SAC.

    La maggior parte dei casi in cui si utilizza una pasta saldante a bassa temperatura è dovuta al fatto che i componenti non possono sopportare il profilo ad alta temperatura del SAC. In questo caso, è possibile utilizzare solo il profilo a bassa temperatura della pasta saldante a bassa temperatura. Gli esperti suggeriscono di ridurre il più possibile la temperatura di picco del reflow senza compromettere la qualità della saldatura. Lo scopo è quello di ridurre il calore del PCB e di supporto di riflusso scheda durante la rifusione.

    Allo stesso tempo, è necessario accelerare la velocità di raffreddamento dopo il picco di temperatura di riflusso. Lo scopo è quello di solidificare la saldatura a bassa temperatura prima che la deformazione della scheda si riprenda. Tuttavia, se la velocità di raffreddamento è eccessivamente accelerata, si rischia di peggiorare la fessurazione della saldatura BGA. Per la valutazione, la temperatura e la velocità di raffreddamento migliori vengono selezionate dopo test di affidabilità e confronti. Non è consigliabile aumentare la temperatura di riflusso di picco, perché più alta è la temperatura, maggiore è la deformazione del PCB e del supporto BGA.

    Come rafforzare la resistenza meccanica della pasta a bassa temperatura

    colla di resina epossidica

    Attualmente, la soluzione più praticabile per il rinforzo dei giunti di saldatura a bassa temperatura è l'uso del sottofondo. Questa soluzione esisteva già all'epoca della comparsa dei CSP e dei flip-chip ed è stata successivamente applicata ai BGA. Si utilizza una colla a base di resina epossidica da puntare sul bordo del BGA o di parti simili e si sfrutta il principio dell'azione capillare per consentire alla colla di penetrare e riempire il fondo della parte, quindi di riscaldare e solidificare per raggiungere lo scopo di riempire gli spazi vuoti e rafforzare i giunti di saldatura. Alcuni utilizzano una colla con una viscosità relativamente elevata per puntare selettivamente sui quattro angoli del BGA (coner bond) o sui quattro bordi del BGA (edge bond) per rafforzare il fissaggio.

    Ecco il sottofilm. Dopo che la scheda è stata stampata con la pasta saldante, è stata posizionata sulla posizione BGA del PCB attraverso una macchina di posizionamento SMT (evitando le giunzioni di saldatura), e poi il BGA è stato posizionato su di essa. L'alta temperatura del forno a rifusione viene utilizzata per fondere il film e riempire lo spazio, per poi solidificarlo dopo il raffreddamento. Tuttavia, va notato che il sottofilm funziona solo dopo l'assemblaggio della scheda e il test di funzionamento, mentre il sottofilm viene aggiunto durante il processo SMT. Se il tasso di rendimento del prodotto non è elevato, la rilavorazione sarà molto problematica.

    Inoltre, con l'aumento dell'applicazione delle saldature a bassa temperatura, esistono anche la cosiddetta pasta epossidica e il flusso epossidico, realizzati in base alle esigenze del momento. La pasta epossidica consiste nell'aggiungere epossidica alla pasta saldante, stampando direttamente la pasta saldante e riscaldandola dopo il riflusso; tuttavia, poiché viene aggiunta alla pasta saldante, il suo dosaggio non può essere eccessivo e la resistenza della saldatura dei componenti BGA può essere limitata. Tuttavia, se si tratta solo di componenti di chip o di schede luminose a LED, dovrebbe comunque avere un certo effetto.

    Pannelli luminosi a LED 

    Il flusso epossidico utilizza la stampa e l'erogazione della pasta saldante prima del montaggio, che è un po' simile al sottofilm. Gli effetti di questi due processi di aggiunta di epossidica devono ancora essere verificati ulteriormente, ed entrambi sono stati completati prima del test. L'aggiunta di underfill può effettivamente rafforzare la capacità del BGA di resistere alle sollecitazioni, ma può solo ritardare la fessurazione della saldatura dovuta alle sollecitazioni, ma non può curarla completamente. In altre parole, dopo un certo periodo di utilizzo, i giunti di saldatura problematici continueranno a causare problemi. 

    Pertanto, per slegare la campana, è necessario trovare un modo per ridurre al minimo la fonte di stress che colpisce i giunti di saldatura.

    Quali tipi di prodotti sono in grado di adottare il processo di saldatura a bassa temperatura?

    Ora che abbiamo appreso che i giunti di saldatura dei prodotti con processo di saldatura a bassa temperatura sono relativamente fragili e non resistenti alle sollecitazioni, purché la situazione di impiego dei prodotti elettronici non sia soggetta a forti sollecitazioni termiche (cicli di alta e bassa temperatura) o meccaniche (impatto di caduta). Se non c'è bisogno di una garanzia di durata a lungo termine, si dovrebbe prendere in considerazione l'utilizzo di un processo di incollaggio a bassa temperatura. In fin dei conti, si risparmiano energia e costi. Ecco alcuni riferimenti alle linee guida del settore per la citazione delle saldature a bassa temperatura:

    La vita utile del prodotto progettato è preferibilmente entro 5 anni o meno. Si raccomanda di eseguire una valutazione MTBF (Mean Time Between Failures).

    È preferibile che le parti principali abbiano un meccanismo di protezione aggiuntivo per le giunzioni a saldare, come l'erogazione o il calafataggio.

    giunti a saldare

    È preferibile che le parti dell'IO siano dotate di un meccanismo aggiuntivo contro le sollecitazioni di inserimento, come ad esempio l'anti-sovrainserimento, l'anti-scuotimento e altri meccanismi.

    Le condizioni di funzionamento del prodotto sono ottimali al di sotto dei 40˚C e la temperatura massima di funzionamento non deve superare gli 85˚C.

    Viene generalmente utilizzato in ambienti interni senza forti oscillazioni di temperatura. Non è consigliato l'uso in veicoli o in ambienti esterni.

    Attualmente, le saldature a bassa temperatura sono utilizzate soprattutto per le luci a LED, in piccola parte anche per i mini-LED e sono in fase di valutazione anche alcune industrie di PC.

    Conclusione

    Dal punto di vista del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni di anidride carbonica, il processo della pasta saldante a bassa temperatura è effettivamente più conveniente dal punto di vista energetico e può anche ridurre i requisiti per i componenti in materiali plastici ad alta temperatura e risparmiare sui costi. Tuttavia, l'attuale pasta saldante a bassa temperatura ha un difetto fatale, ovvero la scarsa affidabilità. 

    Le giunzioni a saldare sono relativamente fragili e possono non avere un grande impatto su alcune parti di piccole dimensioni, ma per alcune parti che hanno requisiti di resistenza alle sollecitazioni, come le parti di I/O, o i prodotti che possono piegare il circuito stampato dopo essere stati sottoposti a forze esterne, o spesso i prodotti sottoposti a vibrazioni o a sollecitazioni termiche, non sono adatti al processo di saldatura a bassa temperatura. 

    Si può solo dire che, sebbene la pasta saldante a bassa temperatura sia in grado di soddisfare le esigenze di risparmio energetico e di riduzione delle emissioni di carbonio, la strada da percorrere è ancora lunga e forse la saldatura a bassa temperatura non sarà in grado di sostituirla completamente. SAC, è più probabile che la saldatura a bassa temperatura sia in parallelo con la SAC.

    FAQ

    Attualmente, la più nota saldatura a bassa temperatura è una lega di stagno-bismuto (SnBi) e stagno-bismuto-argento (SnBiAg) a base di stagno (Sn) con aggiunta di bismuto (Bi).
    Risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio Riduzione della domanda di materiali ad alta temperatura Riduzione della soglia di processo e miglioramento della resa produttiva
    L'affidabilità a lungo termine dei giunti a saldare è scarsa. Durante il processo di rifusione è probabile che si verifichino difetti di lacerazione a caldo.

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