Saldatura Vapor-Phase

Nella produzione di una scheda elettronica, il passaggio all’interno del forno rappresenta una delle operazioni più delicate dell’intero processo. Questo perché, contrariamente alle altre fasi, è un intervento indiretto, che passa attraverso il riscaldamento dell’atmosfera dentro il forno con l’impossibilità di controllarne i valori in ogni singolo punto.
Nel tradizionale forno a tunnel, infatti, le temperature vengono fatte variare, seguendo un profilo termico predefinito, in funzione dei materiali da trattare.
Proprio la corretta definizione di un simile profilo, il cui andamento deve essere studiato e creato per ogni singola produzione, comporta la necessità di dedicare un tempo significativo per garantire un risultato ottimale, si devono infatti effettuare una serie di prove, anche empiriche, e progressive ottimizzazioni di tale ciclo.
Tutti ciò, ovviamente, richiede del tempo e, soprattutto, comporta una serie di tentativi, con la possibilità di danneggiare alcuni componenti montati sulla scheda stessa.
Questo significa che, oltre a ridurre l’efficienza del processo produttivo, si ha un incremento delle spese, particolarmente significativo soprattutto in produzioni caratterizzate dall’impiego di componenti speciali o costosi.
Simili considerazioni, ovviamente, hanno un impatto trascurabile su produzioni numericamente significative, ben diverso è invece nel caso di produzioni limitate a pochi esemplari nelle quali i tempi di setup e gli errori devono essere annullati.
Per superare i limiti dei forni tradizionali, che rimangono comunque essenziali nelle produzioni su larga scala, sono stati realizzati dei forni in grado di sfruttare la tecnologia Vapor Soldering.
In questo caso, infatti, l’aria all’interno del forno non viene scaldata, ma si indirizza un flusso di vapore inerte sulla scheda stessa.
Il vantaggio di un simile approccio è facilmente intuibile. Dal punto di vista fisico, infatti, in determinate condizioni di pressione, il liquido utilizzato evapora sempre alla stessa temperatura.
Questo significa che la scheda si troverà sempre alla temperatura prefissata, evitando qualunque rischio di danneggiamento. Disponendo di un perfetto controllo della temperatura, l’intero processo può essere regolato agendo semplicemente sul tempo di permanenza del pcb all’interno del forno, viene così eliminato ogni possibile rischio di errore da parte dell’operatore di linea.
Infatti, anche se la scheda rimanesse all’interno del forno per un tempo superiore a quello necessario, la temperatura non supererà mai i valori preimpostati.
Tutti i componenti sulla scheda inoltre raggiungeranno la stessa temperatura, indipendentemente dalla loro dimensione, garantendo così saldature ottimali.
Simili caratteristiche si rivelano ideali per le produzioni di schede speciali o quando è necessario realizzare piccoli lotti che, con le soluzioni tradizionali, imporrebbero ogni volta lo studio e la definizione del corretto ciclo termico.
Per questi motivi, la tecnologia Vapor Soldering è stata inizialmente studiata per applicazioni in ambito militare e aerospaziale, dove vengono spesso impiegati componenti speciali per realizzare un limitato numero di pcb caratterizzati da un’affidabilità assoluta.
A tutto questo, inoltre, si aggiungono i vantaggi di un limitato consumo energetico.
Per finire, sulla zona da saldare, a causa della presenza del vapore, non vi è ossigeno, per cui non vi è possibilità di ossidazione, migliorando così la qualità della saldatura.

Saldatrice Vapor Phase


Introduzione al Processo di saldatura Vapor-Phase o a Fase Vapore

Il Processo di Saldatura per Condensazione, conosciuto anche come Processo di Saldatura Vapor-Fase, richiede l’utilizzo di un fluido inerte, non conduttivo elettricamente, riscaldato fino alla sua temperatura d’ebollizione. Sopra il fluido si crea una zona di vapore saturo, chimicamente inerte, la cui temperatura è identica al punto ebollizione del fluido usato nel processo. Quando s’inserisce un assemblaggio elettronico nella zona del vapore saturo, quest’ultimo condensa sulla superficie dell’assemblaggio fino a quando il PCB raggiunge la temperatura del vapore. Qualsiasi crema saldante con un punto di fusione inferiore alla temperatura del vapore è quindi rifusa.
I Sistemi di Saldatura per Condensazione, prodotti da ASSCON, sono stati sviluppati sul principio della fase singola e non usano prodotti chimici contenenti CFC. Utilizzano una tecnologia all’avanguardia che riduce le perdite di fluido.
Grazie ai principi fisici della condensazione del vapore è possibile, senza grandi sforzi, ottenere eccezionali risultati di saldatura.
I vantaggi maggiori della saldatura per condensazione sono:

  • Processo libero da ossidazione (0 ppm d’ossigeno) nella fase con vapore inerte, senza l’utilizzo dell’azoto;
  • Condizioni di processo riproducibili;
  • Nessun surriscaldamento degli assemblaggi elettronici;
  • Nessun effetto ombra, quindi riscaldamento omogeneo dell’assemblaggio;
  • Riscaldamento dell’assemblaggio indipendente da forma e colore del prodotto;
  • Grazie alla sua elevata pressione, il vapore penetra anche nelle aperture più piccole. Quindi è possibile la saldatura riproducibile di aree nascoste (ad esempio BGA);
  • Profilo di saldatura completamente riproducibile anche per assemblaggi differenti, dato che il processo di riscaldamento si auto-regola grazie alle sue proprietà fisiche;
  • Nessuno spreco di tempo nello stabilire i profili di temperatura;
  • Processo non inquinante (nessun valore FC);

Un ulteriore vantaggio del principio di rifusione per condensazione è l’eccellente capacità di trasmissione del calore tramite vapore saturo. Il coefficiente di trasmissione del calore per il fluido usato varia dai 500 ai 700 (W m-² K-¹) ed è quindi, fino a 10 volte superiore al riscaldamento per radiazione o convenzione forzata, in aria o azoto. In questo modo, si ottiene il riscaldamento riproducibile dell’assemblaggio in un tempo considerevolmente più breve. I consumi d’energia di una macchina di saldatura per condensazione sono, grazie alla sua eccellente efficienza nel trasferimento di calore tramite condensazione, una frazione rispetto alla convenzione forzata o a macchine di rifusione IR. È possibile lavorare assemblaggi con componenti di dimensioni e masse differenti, per esempio mini-chip, QFP, BGA, dissipatori, schermi per alte frequenza, ecc., senza problemi e pericoli di surriscaldamento. 


Descrizione del Processo di Saldatura

Gli assemblaggi da saldare saranno portati alla temperatura di rifusione dalla condensazione del vapore, direttamente proporzionale alla differenza di temperatura locale e quindi estremamente omogenea. Poiché il riscaldamento avviene dall’inizio per condensazione del vapore, il processo è completamente libero da ossidazione. Il punto d’ebollizione del liquido definisce la temperatura di saldatura.
La zona di saldatura contiene un fluido inerte, riscaldato fino al suo punto d’ebollizione tramite riscaldatori elettrici. Una volta raggiunto il punto d’ebollizione, la temperatura del fluido non può più aumentare. Ogni apporto successivo d’energia sarà usato per produrre vapore (entalpia dell’evaporazione), saturo, chimicamente inerte, la cui temperatura è identica al punto d’ebollizione del fluido. Per un gas, una variabile di stato aggiuntiva utile è l’entalpia (H), definita dalla somma dell’energia interna (E) più il prodotto della pressione (p) per il volume (V).
Inserendo l’assemblaggio in questo ambiente, il vapore condensa sulla sua superficie poiché la temperatura è inferiore rispetto a quella del vapore. La condensazione termina quando la temperatura del prodotto raggiunge quella del vapore. Le leghe di saldatura il cui punto di fusione è inferiore a quello del vapore saranno rifuse. Il prodotto sarà quindi sollevato dalla camera di processo tramite un discensore.


Il Fluido per il Trasferimento di Calore

La ASSCON usa un perfluoropoliestere ad alto punto d’ebollizione prodotto dalla AUSIMONT, venduto con il nome commerciale di GaldenTM. I perfluoropoliesteri della serie GaldenTM sono polimeri liquidi composti d’atomi di carbonio (C), fluoro (F) e ossigeno (O). I legami all’interno delle molecole C-O e C-F sono estremamente robusti, tanto da essere considerati fra i legami più stabili all’interno dell’intera chimica del carbonio. Gli atomi di fluoro, legati alla catena centrale del polimero, proteggono perfettamente lo scheletro del carbonio e quindi difendono i più vulnerabili legami C-C dagli attacchi chimici e termici. Le catene di carbonio più lunghe sono costituite da unità C3; è impossibile per esse cambiare in PFIB (perfluoroisobutileni C4F8) pericolosi per la salute.

I polimeri liquidi della serie GaldenTM sono tutti costruiti secondo questo principio ed esibiscono proprietà abbastanza straordinarie:

  • Elevata stabilità termica;
  • Eccellente compatibilità del materiale;
  • Elevata resistenza alle sostanze chimiche reattive;
  • Buone proprietà dielettriche;
  • Bassa pressione del vapore;
  • Nessun punto d’infiammabilità;
  • Elevata densità del vapore;
  • Eccellente coefficiente di trasferimento del calore;
  • Bassa tensione superficiale, buone proprietà di bagnabilità;
  • Non classificati come materiali pericolosi;
  • Nessuna attività chimica (perfluorinato, per es. nessun atomo di H o CI)
  • Nessun danno allo strato d’ozono.


La Sicurezza

Queste caratteristiche di sicurezza nella applicazioni di rifusione per condensazione sono state documentate in molti studi e non possono più essere messe in discussione. I Polimeri del GaldenTM non bruciano e sono straordinariamente inerti nei confronti di tutti i prodotti chimici, fino a temperature molto elevate. Non reagiscono con acidi, basi o forti agenti ossidanti. Sono anche compatibili con tutte i materiali sintetici, metalli ed elastomeri conosciuti.
La zona del vapore, grazie all’elevata densità del fluido, crea un’area inerte che protegge l’assemblaggio dall’ossidazione. L’ossigeno presente nelle molecole è legato chimicamente e quindi non disponibile per reagire.
I Polimeri del GaldenTM sono stati testati in molte prove, in condizioni di processo, alla ricerca di prodotti tossici. Nessun prodotto di reazione tossico è stato rilevato.
Altri usi di queste molecole sono:

  • Come lubrificante in applicazioni sotto vuoto e alta temperatura;
  • Come guarnizione di tenuta nella costruzione d’edifici;
  • Come liquido di separazione tra altri liquidi;
  • Nei Test di Burn-in;
  • Come sostanza primaria per pomate e cosmetici;
  • Come liquido di raffreddamento per computer ad elevate prestazioni;
  • Come sostitutivo del sangue in medicina.