Nei miei vent'anni di esperienza nel settore della produzione elettronica, ho sentito molte affermazioni sull'uso dell'azoto nei processi di saldatura in ambiente inerte: molte delle quali completamente errate. In questa discussione userò l'esempio del riflusso in un forno chiuso, anche se molte di queste considerazioni possono riguardare la saldatura ad onda e persino la saldatura sotto vuoto.
Cominciamo con il vero motivo per cui un ingegnere di assemblaggio utilizza l’azoto nella saldatura inerte: perché è il gas più economico disponibile che non reagisce con le superfici metalliche calde formando una pellicola che impedisce la saldatura. Tutto qui. Punto. Chi utilizza l’azoto per la saldatura a riflusso non lo fa perché possiede proprietà straordinarie, ma perché presenta bassi livelli di ossigeno e umidità ed è in grado di eliminare (diluire) l’ossigeno fino a un livello sufficientemente basso da impedire o rallentare l’ossidazione delle superfici metalliche durante il riscaldamento.
Per comprendere qualsiasi processo che utilizzi gas inerti (non reattivi), è necessario conoscere la composizione dell’aria, il gas più abbondante a nostra disposizione. L’aria è composta per circa il 78% da azoto, per il 20,9% da ossigeno e per lo 0,9% da argon, con piccole quantità di altri gas, come l’anidride carbonica e così via, oltre a quantità variabili di vapore acqueo. Il vapore acqueo può arrivare fino a circa il 4% e, naturalmente, a questo livello diluirà le concentrazioni degli altri gas di (96/100), nel caso in cui pensiate che ci sia un errore di calcolo. Il livello di ossigeno (20,9%) equivale a 209.000 ppm (parti per milione). L’unità ppm è una misura molto più utile quando ci si trova a livelli percentuali bassi; ad esempio, lo 0,01% equivale a 100 ppm. È inoltre importante notare che la misura frazionaria (ppm o %) è correlata alla quantità in volume e, in base all’equazione dei gas ideali, anche alla percentuale molare.
Adesso tratterò metà dei miti, e l'altra metà la prossima volta.
Mito 1: “L’azoto rimuove gli ossidi”
Realtà: L’azoto utilizzato alle temperature di riflusso non possiede alcuna proprietà di flussaggio (rimozione degli ossidi) e non reagisce chimicamente con nulla a tali temperature. L’azoto impedisce o rallenta l’ossidazione o (nel caso di una superficie pulita con flussante) la riossidazione semplicemente perché non è un gas ossidante. Il gas di formatura (una miscela di idrogeno e azoto) è molto diverso, e ne parlerò in una nota successiva.
Mito 2: "L'azoto migliora il trasferimento di calore"
Realtà: Non ha alcun effetto termico pratico sul processo di saldatura. Il trasferimento di calore nei gas a parità di pressione e temperatura è determinato dal peso molecolare dei gas: nient'altro. Poiché l'azoto ha un peso molecolare di 28 e l'ossigeno quasi lo stesso (32), la differenza nelle proprietà di trasferimento di calore tra aria e azoto è minima, sia che si tratti di flusso laminare che turbolento.
Mito 3: "Se misuro il livello di ossigeno nell’azoto in entrata, allora conosco il livello all’interno del forno"
Realtà: Anche un forno a rifusione inerte apparentemente ben sigillato, in realtà, mescola in una certa misura l’aria ambiente con l’azoto. Ciò avviene tramite semplice diffusione (determinata dalla differenza di pressione parziale dell’ossigeno tra l’aria esterna e l’interno del forno) oppure tramite miscelazione turbolenta dell’azoto con l’aria in prossimità di un’apertura. Ciò che accade in un forno reale è illustrato nella figura (sopra). Immettendo una bassa portata di azoto nel forno si avrà un effetto minimo o nullo (a); immettendone di più si ridurrà il livello, ma si osserveranno grandi variazioni (b); infine si raggiungerà un plateau (c) in cui si è ottenuto il livello minimo possibile di ossigeno, ma la miscelazione turbolenta continua a introdurre ossigeno dall’aria esterna. Aumentando la portata di azoto, si aumenta semplicemente la turbolenza e, di conseguenza, la velocità di miscelazione
Mito 4: “Un azoto più puro mi darà risultati migliori”
Realtà: L’azoto standard di qualità criogenica contiene circa 2-5 ppm di ossigeno. Anche spurgando un forno ben sigillato non si riuscirà a raggiungere esattamente lo stesso livello del gas in entrata. Non si noterà alcuna differenza se si utilizza una fonte di azoto con 10 ppm o 10 ppt (parti per trilione) di ossigeno. Come si può vedere dall’illustrazione sopra (c), l’effetto del gas altamente puro viene completamente annullato dalla miscelazione con l’aria.
Mito 5: "L'azoto riduce tutti i difetti di saldatura"
Realtà: L'azoto può aiutare a risolvere alcuni difetti legati alla bagnabilità e spesso può trasformare un processo di saldatura mediocre (marginalmente accettabile) in uno accettabile. Altro fatto: non solo può aumentare in modo incontrollato la bagnabilità (“capillarità”) sui leadframe o su altre superfici, ma può anche causare spruzzi di lega e contribuire all’inclinazione del die (assemblaggio di semiconduttori di potenza) o al fenomeno del “tombstoning” ( SMT).
Ne riparleremo la prossima volta. La seconda parte di questo post è disponibile qui.
Salute! Andy
