Serie "Preriscaldamento"

Introduzione

In molti dei miei post ho parlato dei diversi tipi di flussanti per la saldatura ad onda: le loro potenzialità e i loro limiti. Questa serie seguirà lo stesso approccio, ma sarà dedicata ai preriscaldatori . Ma prima, una breve introduzione.

La definizione di preriscaldamento è la pratica di applicare il calore a un PCB dopo deposizione del flusso e immediatamente prima di di saldare. La saldatura a onda può essere eseguita senza preriscaldamento, ma la velocità di saldatura sarà bassa. L'antico detto "il tempo è denaro" sottolinea la necessità del preriscaldamento. In The Handbook of Machine Soldering SMT and TH, Woodgate afferma: "Durante alcuni lavori sperimentali con il preriscaldamento, una scheda è stata saldata a 12 piedi al minuto con il normale preriscaldamento applicato. Senza preriscaldamento non poteva essere saldata a una velocità superiore a 2,5 piedi al minuto". Il fatto che un giunto possa essere formato senza questo processo non significa che debba esserlo.

Le ragioni addotte per il preriscaldamento sono quasi sempre:

• Per "attivare" il flusso riscaldandolo
• Per evitare la formazione di palline di saldatura, asciugando il solvente del flussante che altrimenti schizzerebbe a contatto con l'onda di saldatura.
• Per ridurre lo shock termico sul PCB dovuto all'onda di saldatura, diminuendo così la deformazione e altri difetti associati a un brusco aumento della temperatura

La ragione più importante per utilizzare il preriscaldamento è quella di "riscaldare la scheda, i componenti, le terminazioni e le altre parti del giunto in modo che il riscaldamento finale e la saldatura possano procedere più rapidamente". Riducendo al minimo l'esposizione alla saldatura fusa, è possibile ridurre al minimo anche i danni ai componenti.

Tipi di preriscaldatori

Nella parte precedente ho accennato al fatto che il preriscaldamento è necessario per ridurre i costi della saldatura ad onda. Nel tentativo di ridurre i costi del processo di saldatura ad onda, sono stati sviluppati molti tipi diversi di preriscaldatori, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi. Le tipologie di preriscaldatori più comunemente utilizzate sono:

1. ​La piastra riscaldata elettricamente
2. Elettrico tubolare (Cal Rod)
3. Aria fritta
4. Piatto da quarti
5. Asta in quarzo
6. Ceramica
7. Infrarossi
8. Radiazione solare oculare concentrata
   • *Nota* C'è solo una persona in grado di farlo, ed è un caso estremamente raro. È anche “più veloce di un proiettile! Più potente di una locomotiva! Capace di scavalcare edifici altissimi con un solo balzo!” Mi riferisco ovviamente all'uomo d'acciaio, Superman. Uno dei suoi poteri è la vista calorifica. Questo sarebbe un metodo ideale per preriscaldare le tavole, poiché richiede solo la presenza dell'uomo d'acciaio. ​

Di tutti questi argomenti si parlerà nelle prossime settimane (ad eccezione di quello kryptoniano).

Queste sono le domande che un operatore deve porsi quando deve scegliere il preriscaldatore più adatto al proprio processo:

• Ti preoccupano i costi dell'elettricità e l'efficienza energetica?
• Hai bisogno di riscaldare e raffreddare molto velocemente? In tal caso, una massa termica di piccole dimensioni sarebbe l'ideale.
• Come verrà pulito? Una funzione autopulente è interessante?
• Per quanto tempo intendi utilizzare lo stesso preriscaldatore? Non vorrai certo che la sua potenza termica diminuisca con il passare del tempo.

Purtroppo non esiste un preriscaldatore in grado di risolvere tutte le questioni sopra citate non esiste. Stiamo tutti aspettando con ansia che ne venga inventato uno. La maggior parte dei preriscaldatori citati avrà solo una o due delle caratteristiche elencate. Nelle prossime settimane vi mostrerò le caratteristiche di ciascuno di questi preriscaldatori.

Piastra riscaldante o piastra di contatto

Nella sezione precedente sono stati presentati tutti i diversi tipi di preriscaldatori. Il preriscaldatore a piastra calda sarà il primo tipo di cui parlerò.

Se state cercando una soluzione economica per il preriscaldamento, la piastra riscaldante o piastra di preriscaldamento è la soluzione ideale. Il preriscaldatore è costituito da una piastra in ferro con resistenze a striscia fissate con bulloni sul lato inferiore, protette da un coperchio metallico. Di seguito è riportato uno schema.

I riscaldatori a striscia sono normalmente posizionati parallelamente al movimento della scheda sul trasportatore. In questo caso, la scheda si muoverebbe perpendicolarmente allo schermo. Il vantaggio di questa configurazione è che alcuni riscaldatori possono essere accesi o spenti in base alla larghezza e alle dimensioni della scheda da saldare. Ciò consente di risparmiare energia quando necessario e di riscaldare in modo più efficace in altri casi. La piastra d’acciaio deve essere sufficientemente spessa da garantire un riscaldamento uniforme. Pertanto, il risparmio energetico è, nella migliore delle ipotesi, marginale.

Vantaggi

• Praticamente autopulente: eventuali accumuli di residui si bruceranno senza compromettere le prestazioni di riscaldamento
• Insensibile a lievi variazioni ambientali (come l'apertura delle porte della macchina)
• Elevata massa termica
• A basso costo

Svantaggi

• Uso inefficiente dell'energia elettrica
• Richiede molto tempo per raggiungere una temperatura stabile

Questo tipo di preriscaldatore è ideale se i parametri di saldatura non subiscono variazioni significative durante la produzione. L’attesa che le schede raggiungano l’equilibrio termico può diventare un problema nel processo di assemblaggio perché, quando una macchina non è in funzione, la linea si ferma. Un modo per mitigare questo problema consiste nel regolare la velocità del trasportatore in base alle diverse dimensioni delle schede. Ciò creerà tuttavia una situazione in cui si dovrà trovare un compromesso tra la velocità di produzione e la temperatura di preriscaldamento. Questo compromesso risulterà comunque preferibile rispetto all’attesa che i preriscaldatori modifichino la temperatura, a meno che gli assemblaggi non siano molto compatti o che gli addetti all’assemblaggio utilizzino schede multistrato.

Calrod®: Saldatura ad onda

L'ultima sezione riguardava i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di un preriscaldatore a piastra o a piastra riscaldante nella saldatura ad onda. Esistono molti tipi diversi di preriscaldamento. Il preriscaldamento^Calrod® ha un tempo di risposta molto più rapido rispetto ai suoi omologhi a piastra o a piano di appoggio. La struttura fisica di un sistema Calrod è costituita da elementi tubolari che funzionano a temperature prossime al rosso incandescente, il che significa che gli elementi possono diventare incandescenti se utilizzati in determinate condizioni. Si tratta della stessa tecnologia impiegata nei fornelli elettrici. Questi elementi vengono utilizzati per riscaldare indirettamente il PCB tramite un riflettore solitamente integrato nel telaio a cui gli elementi sono fissati con bulloni. Di seguito è riportato uno schema degli elementi. I vantaggi dell’utilizzo di un preriscaldatore Calrod sono:

• Sono molto resistenti e non si rompono durante lo spostamento o la regolazione dell'attrezzatura in cui sono installati.
• Possono durare a lungo.
• Si riscaldano rapidamente e possono essere regolati senza ricorrere a macchinari costosi o complessi.
• Sono progettati per essere utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni.

L'efficienza di questo tipo di preriscaldatore dipende dalla pulizia: ciò significa che le aste e il riflettore devono essere mantenuti puliti per funzionare correttamente. La presenza di gocce di flussante sugli elementi o sul riflettore ne provoca la carbonizzazione e potrebbe causare un riscaldamento insufficiente, con conseguente saldatura non adeguata. Secondo "The Handbook of Machine Soldering SMT and TH" di Ralph Woodgate, esiste una «prassi comune che consiste nel rivestire il riflettore con un foglio di alluminio da cucina. Quando questo si scolorisce, viene sostituito con un foglio nuovo». Ciò garantisce un riscaldamento uniforme del gruppo. Se le barre riscaldanti vengono utilizzate a una temperatura sufficientemente elevata, possono essere autopulenti.

Il preriscaldatore Calrod può funzionare a una temperatura più elevata rispetto alla piastra riscaldante e non richiede una sezione di preriscaldamento lunga per raggiungere la stessa temperatura della scheda. Assicurarsi sempre, quando si utilizzano componenti SMT, di seguire le specifiche e le raccomandazioni del produttore dei componenti.

Aria fritta

È plausibile che questa sia stata, molto probabilmente, la prima forma di preriscaldamento utilizzata per essiccare i flussanti a base di colofonia, molto diffusi in passato. L’aria calda eliminava i solventi (principalmente alcol), ma non riscaldava molto bene il circuito stampato stesso. L’efficienza di trasferimento del calore tra l’aria e il circuito era bassa quando questo era esposto all’ambiente circostante e, di conseguenza, il preriscaldamento risultava insufficiente.

Il risultato è diverso se si colloca lo stesso sistema all’interno di un involucro. L’energia è in grado di riscaldare la scheda. Se correttamente implementata, questa forma di preriscaldamento può produrre un riscaldamento più uniforme rispetto alla maggior parte dei sistemi a radiazione diretta utilizzati da soli. Pertanto, è prassi comune abbinare il preriscaldatore ad aria calda a un altro metodo di riscaldamento.

Piastra in quarzo

Continuiamo la nostra analisi dei metodi di riflusso della saldatura.

Come suggerisce il nome, i preriscaldatori a piastre di quarzo sono costituiti da spesse piastre di quarzo in cui gli elementi riscaldanti sono incassati tramite cavità o fessure. Le velocità di riscaldamento e raffreddamento sono molto elevate rispetto ad altri preriscaldatori – fino a 93 °C al minuto. Poiché questi elementi raggiungono temperature molto elevate in breve tempo, non richiedono una fase di pulizia secondaria. Qualsiasi flussante che coli sulla piastra verrà bruciato. Come i preriscaldatori a piastra calda, le piastre di quarzo possono essere disposte in sezioni parallele al nastro trasportatore in modo da adattarsi a una varietà di configurazioni delle schede.

Le elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento richiedono un sistema di controllo sofisticato, il che rende questa soluzione più costosa rispetto alle alternative. Un avvertimento: se questa piastra viene lasciata incustodita, può surriscaldarsi causando danni irreparabili al preriscaldatore. La piastra al quarzo è inoltre sensibile a un uso improprio, come la caduta di un circuito stampato sulla superficie o una manipolazione incauta. Gli assemblaggi più complessi (multistrato, ad alta massa termica) necessitano di un riscaldamento adeguato, che in altri sistemi richiederebbe un preriscaldamento molto lungo. È improbabile che un sistema di questo tipo venga integrato in una saldatrice ad onda.

Tubo di quarzo

A seguito di piastre di quarzo per la saldatura ad onda, questa sezione è dedicata al preriscaldatore a tubo di quarzo, molto simile al precedente. Come ricorderete, uno dei vantaggi dell’utilizzo di una piastra di quarzo era che presentava tempi di risposta tra i più rapidi; tuttavia, i tubi di quarzo hanno tempi di rispostaancora più rapidi.​

Gli elementi riscaldanti sono posizionati all’interno dei tubi di quarzo insieme alle termocoppie. I tubi possono essere piuttosto fragili e, se degli oggetti cadono su di essi, rischiano di incrinarsi o rompersi. Un vantaggio, tuttavia, è che ogni tubo può essere acceso o spento singolarmente. Ciò è utile se sono installati parallelamente al nastro trasportatore, poiché forniranno un calore uniforme indipendentemente dalla larghezza della scheda. Se il sistema di trasporto ha una larghezza fissa, i tubi possono essere montati perpendicolarmente alle guide e accesi o spenti singolarmente per fornire il livello di preriscaldamento richiesto. Se la vostra saldatrice ad onda dispone di un sistema automatizzato e controllato da computer, oppure ha una larghezza fissa, allora questi preriscaldatori versatili sono la soluzione ideale. È comune abbinare i tubi al quarzo all’ aria calda , facendo passare attraverso i tubi aria riscaldata o aria ambiente. Questa è una delle opzioni più interessanti per i tecnici che non dispongono di spazio in eccesso in cui collocare un preriscaldatore.

Piastra a infrarossi e ceramica di tipo lampada

I preriscaldatori a lampada presentano il tempo di risposta più rapido rispetto a tutti gli altri modelli citati in altri post. Il filamento della lampada costituisce praticamente l’unica massa termica; è talmente veloce che il tempo di risposta si misura in secondi anziché in minuti, come nel caso degli altri modelli. Questo tipo di preriscaldatore può raggiungere temperature di picco eccezionalmente elevate, a condizione che sia dotato di un sistema di controllo avanzato. In assenza di un sistema di controllo adeguato, si potrebbero verificare danni alla scheda.

Purtroppo, queste lampade possono risultare piuttosto costose perché spesso presentano finiture dorate-riflettore placcato che potrebbe richiedere un raffreddamento ad acqua. Inoltre, queste unità sono molto fragili e devono essere mantenute perfettamente pulite. Se sulle lampade dovesse depositarsi dello sporco o del fondente, esiste un elevato rischio che si graffino durante il processo di pulizia, il che causerebbe danni permanenti.

Neanche i riscaldatori a piastra in ceramica sono di uso comune. Le velocità di riscaldamento e il design sono quasi identici a quelli precalentatori a piastra . Il tempo di risposta è rapido poiché gli elementi elettrici, insieme alle termocoppie, sono integrati nella superficie della piastra. Ciò garantisce una superficie liscia e facilmente pulibile. Sono inoltre resistenti e in grado di sopportare eventuali danni causati dalla caduta di tavole.

Riscaldamento, lunghezza d'onda e infrarossi

Come ho accennato nella sezione precedente, l’obiettivo del preriscaldamento, indipendentemente dal metodo utilizzato, è quello di portare la struttura metallica del giunto a una temperatura specificata. L’ideale sarebbe che il laminato del pannello e il componente rimanessero a temperatura ambiente; tuttavia, ciò richiederebbe che il metallo assorbisse l’energia termica mentre il materiale isolante la riflettesse. Purtroppo, ciò accade raramente poiché la maggior parte dei giunti formati presenta superfici metalliche lucide e riflettenti. Per garantire un riscaldamento adeguato, il calore viene trasferito dal corpo del componente o dal laminato di base, anziché riscaldare direttamente i metalli da unire.

I preriscaldatori di tipo "lampada" presentano generalmente lo scenario peggiore a causa delle loro emissioni a lunghezza d'onda corta. La loro superficie in vetro epossidico può bruciare, ma non c'è tempo sufficiente affinché il rame o i metalli rivestiti di lega saldante raggiungano la stessa temperatura. Tuttavia, l'impostazione dei parametri corretti può risolvere questo problema.

All'aumentare della lunghezza d'onda, la base isolante e i circuiti metallici hanno più tempo per raggiungere una temperatura uniforme, ma si perdono la capacità di concentrare l'energia e di ottenere un tempo di risposta rapido. La capacità di una superficie di assorbire o irradiare l'energia di una determinata lunghezza d'onda dipende da fattori quali il colore, la consistenza e la natura del materiale. Il punto fondamentale è che un materiale non può essere valutato adeguatamente sulla base di criteri visivi.

Automazione e controllo

Come discusso in precedenza, la temperatura del preriscaldatore è ben lontana dalla temperatura effettiva del PCB. Implementando un sistema a doppio preriscaldatore, in cui è presente un sensore di calore a infrarossi tra i due preriscaldatori, è possibile garantire un riscaldamento più uniforme in tutto l’assemblaggio. Il funzionamento consiste nell’impostare il primo preriscaldatore a circa il 70% del calore desiderato richiesto. Una volta che la scheda ha superato questa fase, la sua temperatura viene misurata dal sensore a infrarossi. Il sensore invia i dati al computer, che regola il setpoint del secondo preriscaldatore per garantire che l’intero assemblaggio sia adeguatamente riscaldato prima del contatto con l’onda di saldatura. Di seguito è riportato uno schema. Questo sistema elimina gran parte delle variazioni di temperatura dell’assemblaggio, compresi gli errori dell’operatore nel processo di saldatura ad onda.

Scelta del sistema di preriscaldamento ottimale

Ad eccezione del sistema automatizzato menzionato nel mio ultimo post, le prestazioni effettive delle varie tipologie di preriscaldatori presentano poche differenze. La scelta dipende dalla praticità e dalla capacità di fornire il calore necessario per portare il gruppo alla temperatura richiesta, utilizzando al contempo la massima velocità del trasportatore. Inoltre, nelle macchine di dimensioni più ridotte, le dimensioni geometriche rappresentano un fattore limitante.

Nel settore SMT, molti produttori di componenti impongono limiti alla velocità di preriscaldamento. Quando si verificano le prestazioni dei preriscaldatori, è opportuno testare gli assemblaggi con la maggiore massa termica, i componenti più pesanti, i dissipatori di calore e i piani di massa o di tensione, per verificare se è possibile portarli alla temperatura desiderata. Inoltre, è necessario valutare se la temperatura dovrà essere regolata frequentemente nel corso della giornata lavorativa. Un preriscaldatore con una risposta più rapida sarebbe l’ideale se occorre aumentare la produttività e l’efficienza. In caso contrario, potrebbe essere preferibile scegliere il preriscaldatore più semplice in grado di svolgere il proprio compito con il minimo sforzo in termini di pulizia e manutenzione. È importante ricordare che una riduzione delle prestazioni è inevitabile con l’invecchiamento del preriscaldatore o quando la tensione di alimentazione diminuisce.