Saldatura 101: la semplicità della saldatura - la complessità della pasta saldante

Gente,

La saldatura tra rame e rame con una lega a base di stagno, come la lega eutettica stagno-piombo o una comune lega senza piombo come la SAC305, richiede solo la lega liquida e il rame per formare il legame intermetallico stagno-rame. Questa semplicità, con un unico piccolo inconveniente, mi è stata illustrata da alcuni colleghi della Speedline Technologies. Hanno preso un circuito stampato con componenti a foro passante montati e l’hanno fatto passare attraverso una saldatrice ad onda senza utilizzare alcun fondente. Il risultato è stato esilarante. Il circuito stampato pesava circa 10 libbre poiché presentava enormi ghiaccioli di stagno che pendevano da esso. A causare questo disastro sono stati gli ossidi che si formano sul rame. Passando nuovamente la scheda sotto un flusso di azoto si è ottenuta una scheda saldata a onda in modo impeccabile, pronta per la spedizione. Quindi, in realtà, per una saldatura a onda di successo, oltre alla lega di saldatura e al rame, sono necessari o un flussante o l’azoto, preferibilmente entrambi; tuttavia, il processo rimane comunque relativamente semplice.

C'è da compatire gli esperti di saldatura della fine degli anni '70 e dei primi anni '80. La tecnologia SMT era agli albori e il mercato richiedeva pasta saldante; tuttavia, l'unica esperienza che molti di loro avevano era quella con la saldatura ad onda. Nella saldatura ad onda, la funzione principale del flussante è quella di rimuovere gli ossidi dai pad del circuito stampato e dai componenti. La lega di saldatura è allo stato fuso e la sua ossidazione non rappresenta una preoccupazione primaria.Nel processo di saldatura, la lega di saldatura entra in contatto con la scheda solo per pochi secondi e la scheda è soggetta alle alte temperature solo durante questo breve periodo.

Immagino che alcune delle prime paste saldanti fossero costituite da polvere di saldatura con flussanti simili a quelli utilizzati nella saldatura ad onda. Se così fosse, probabilmente non funzionavano molto bene. Si considerino le notevoli differenze a cui è sottoposta la pasta saldante rispetto alla lega di saldatura nella saldatura ad onda. Il “flusso” contenuto nella pasta saldante deve rimuovere gli ossidi dai pad del circuito stampato, dai terminali dei componenti e dalle particelle di lega, ma deve anche proteggere tutte queste superfici dalla riossidazione per diversi minuti mentre si trovano nel forno di rifusione. Per garantire questa protezione, il “flusso” deve contenere materiali che fungano da barriera all’ossigeno. I materiali più comunemente utilizzati nelle paste saldanti no-clean sono le colofonie/resine. Le colofonie, o le resine che sono colofonie modificate o sintetiche, sono generalmente composti organici a peso molecolare medio-alto costituiti per l’80-90% da acido abietico. Si trovano tipicamente nelle conifere. Le colofonie/resine sono appiccicose per natura e forniscono una certa attività di flussaggio e resistenza all’ossidazione durante il processo di riflusso.

Il motivo per cui nel paragrafo precedente ho scritto “flusso” è che ciò che la maggior parte delle persone chiama “flusso” nella pasta saldante è in realtà una complessa combinazione di materiali. Questi “flussi” sono costituiti da:

• Colofonie/resine: per la barriera all’ossigeno e per una certa azione flussante
• Additivi reologici: per garantire le migliori proprietà di stampa, ad esempio una buona risposta alla pausa, una buona efficienza di trasferimento, un’eccellente resistenza allo slump, una buona adesività, ecc.
• Solventi: per sciogliere gli altri materiali
• Attivatori: per svolgere l'azione principale di decarburazione (rimozione degli ossidi)

  
  Figura. Le paste saldanti sono tra i materiali più sofisticati dal punto di vista ingegneristico.

  Le moderne paste saldanti devono possedere una buona capacità di barriera all'ossigeno. Nella maggior parte dei profili di riflusso, la pasta saldante rimane a temperature superiori a 150 °C per più di alcuni minuti. Durante questo periodo, è necessaria una barriera all'ossigeno per proteggere sia le particelle di lega saldante sia le superfici dei pad e dei terminali.

  Un esempio comune di barriera anti-saldatura insufficiente è il difetto “graping” o il suo derivato, il difetto “head-in-pillow”. Se si riscontra uno di questi difetti, una pasta saldante con migliori proprietà di barriera all’ossigeno sarà sicuramente d’aiuto.

  Prima del riflusso, la pasta saldante deve garantire una buona stampa, presentare una buona risposta alla pausa, non essere viscoelastica, resistere allo slump a freddo e avere una buona “adesività” per sostenere i componenti dopo il posizionamento. Durante il riflusso, oltre alla sfida rappresentata dalla barriera all’ossigeno, la pasta saldante non deve presentare slump a caldo, dovrebbe “Evitare il vuoto^TM”, non causare il difetto “head-in-pillow” (HIP), essere compatibile con tutte le finiture comuni dei cuscinetti PWP e garantire giunti saldati affidabili in condizioni di cicli termici, urti da caduta e vibrazioni. Uff! Che sfida complessa.

  Di conseguenza, direi che la pasta saldante è una delle sostanze più altamente ingegnerizzate al mondo… e di certo NON è un prodotto di largo consumo.

  Salute,
  Dr. Ron