Grazie ai componenti in esecuzione THR (Through Hole Reflow) è diventato possibile adattare la tecnologia a foro passante alla saldatura nel forno a rifusione. Ecco in cosa consiste.
La realizzazione dei PCB-A (ossia la saldatura dei componenti sul circuito stampato per ottenere la scheda elettronica) non può che essere effettuata da macchine semiautomatiche o automatiche in grado di saldare autonomamente e rapidamente i componenti elettronici, aumentando i volumi di produzione per ridurre i costi del prodotto finito. La tecnica di montaggio dei componenti SMD che oggi va per la maggiore è indubbiamente il reflow soldering, nato per i componenti a montaggio superficiale e che per essi viene utilizzato in virtù del fatto che supera le difficoltà pratiche della saldatura di componenti da montare sulla superficie del PCB caratterizzati dall’avere molteplici tipi di layout e di disposizione dei contatti (ad esempio a lato come i QFN o sotto al corpo come gli LGA). Ma quando in un circuito stampato devono essere presenti componenti sia SMT, sia Through Hole Technology, che si fa? Bisogna quantomeno prevedere un passaggio di saldatura in macchine per reflow soldering ed uno distinto per la saldatura a onda sul lato opposto, quando non (se i componenti THT sono pochissimi e i volumi di produzione ridotti...) la saldatura manuale a fine ciclo per i “Through Hole”. Ma se il layout della scheda elettronica da realizzare prevede di collocare componenti SMD su entrambe le facce? Che si fa? Ebbene, in un caso del genere -tutt’altro che infrequente- si porrebbe il problema di evitare il distacco degli elementi posti sul lato di saldatura dei componenti THT, ad esempio laddove si ricorresse alla saldatura a onda.
In situazioni come queste occorre operare una saldatura selettiva degli elementi a montaggio tradizionale (che sono i THT, appunto) e in tutte le evenienze appena analizzate entra in gioco il problema del rallentamento del ciclo produttivo e dell’incremento dei costi che ne consegue, perché non è possibile operare in unico passaggio. Infatti, le due tecnologie, SMT e THT, che al giorno d’oggi sono combinate in quasi tutti i dispositivi elettronici, richiedono metodi di saldatura diversi e più passaggi e non c’è modo di aggirare il problema.
L’ideale sarebbe poter saldare con la tecnica del reflow soldering anche i componenti THT, cosa che supererebbe tutti i limiti sinora esposti.
Se un tempo affermare ciò sarebbe stato un’eresia, questo oggi è invece possibile, almeno per alcune categorie di componenti elettronici a montaggio superficiale che vengono classificate come THR: Through Hole Reflow. Si tratta di un’innovazione che aggira un ostacolo un tempo insormontabile, ma che richiede una progettazione specifica dei componenti interessati.
La tecnologia Through-Hole Reflow (THR) consente di saldare i componenti a foro passante e i componenti a montaggio superficiale contemporaneamente e con lo stesso profilo di rifusione. Ciò rende il processo più conveniente e fa risparmiare tempo, tanto che la tecnica sta diffondendosi non solo nelle aziende EMS (Electronic Manufacturing Services) ma anche presso realtà con linee di produzione più piccole.
THR: cosa sono e come si saldano
A tutti gli effetti, i THR sono componenti elettronici per montaggio e saldatura a foro passante; quindi, hanno i reofori da introdurre nelle piazzole a loro dedicate come se dovessero essere stagnati dal lato saldature con un saldatore manuale o con la tecnica a onda. Tuttavia, sono appositamente progettati e costruiti per affrontare con successo l’assemblaggio automatizzato e per sopportare l’elevato stress termico che si troveranno a subire durante il procedimento di reflow soldering nel forno di rifusione. Il problema termico non è affatto da poco, perché un componente per la saldatura tradizionale è progettato considerando che riceverà il calore dai reofori, scaldati dalla punta del saldatore o dalla lega saldante nella vasca per il procedimento a onda, mentre nel reflow soldering tutto il componente subirà, essendo introdotto in un forno, la stessa temperatura.
Per quanto riguarda il procedimento di saldatura, è un po’ particolare e implica una leggera variazione rispetto al classico reflow soldering: durante il processo di assemblaggio del PCB, in un primo momento viene stampata (deposta) una certa quantità di pasta saldante nelle vie, ossia nei fori dedicati ai reofori o piedini destinati ai THT; quindi, il componente da saldare viene deposto e spinto attraverso la pasta saldante, cosicché quest’ultima lo avvolge e aderisce ai terminali.
La Fig. 1 propone il lato inferiore di un PCB nelle cui piazzole è stata deposta la pasta saldante sul lato superiore per preparare la saldatura dei THR.
Quando si introduce la scheda nel forno di rifusione, la pasta si scioglie e la lega saldante una volta divenuta liquida per effetto della temperatura si ritrae nelle vie a causa delle forze di bagnatura e capillarità e forma il giunto di saldatura, che assicura la connessione elettrica e meccanica per ciascun terminale del componente THR. I restanti componenti in SMT (Surface-Mounting Technology) si saldano come di consueto, per rifusione, di fatto alla stessa maniera dei THT.
Il componente in tecnologia Through Hole Reflow è stato progettato in modo da poter essere montato senza richiedere passaggi ulteriori se non il posizionamento, che deve essere fatto introducendo precisamente i terminali nei fori, ma ciò non richiede macchine di pick & place con precisione maggiore di quella richiesta da componenti SMD di piccole dimensioni come quelli con package di formato dallo 0805 in giù.
La deposizione della pasta saldante avviene nelle piazzole con i fori dei terminali destinati ai componenti THT esattamente come sui pad riservati agli SMT.
La tecnica di montaggio dei THR è di solito la PIP (Pin in Paste) altrimenti detta THTR (Through Hole Technology Reflow) e nella Fig. 2 sono sintetizzate le fasi della preparazione e saldatura dei componenti sulla scheda elettronica.
Parametri determinanti per la riuscita di tale procedimento sono le dimensioni dei fori e dei reofori, lo spessore dei PCB, lo spessore e l’angolazione dello stencil (ossia la dima) che delimita la deposizione della pasta, la tecnica di stampa della pasta saldante e la composizione della pasta saldante stessa.
Per ottimizzare il procedimento di saldatura è opportuno che il PCB venga progettato seguendo alcuni suggerimenti basati sull’esperienza dei costruttori di schede elettroniche che si avvalgono della PIP, tra cui:
- dimensionare i fori in modo che vi sia la minima differenza ammissibile dal sistema di pick & place fra il diametro del foro e quello del terminale del componente da saldare;
- evitare piazzole troppo larghe;
- non posizionare vie nelle aree in cui è necessario stampare la pasta saldante per i componenti THT;
Inoltre, nel deporre la pasta saldante, il processo automatizzato va strutturato in modo da:
- posizionare la spatola con un angolo di 45° rispetto allo stencil per migliorare la pressione della pasta sul PCB;
- aumentare la dimensione delle aperture dello stencil in modo che si sovrappongano all’area attorno al foro PTH (sovrastampa) in modo che quando la pasta saldante si scioglierà, scorrerà nei fori e permetterà di ottenere un giunto di saldatura adeguato.
Il diametro del foro deve essere misurato includendo la placcatura di rame e stagno. Se il diametro del foro del PCB è troppo piccolo, sarà molto difficile montare il componente sul PCB e un volume di saldatura inferiore in un foro piccolo può causare una connessione insufficiente tra pin e PCB; viceversa, un foro sovradimensionato può causare una minore stabilità meccanica della parte prima della saldatura a rifusione.
Il foro deve normalmente avere un diametro di 0,3 mm maggiore del piedino.
Componenti THR: quali?
Realizzare dei componenti elettronici per montaggio a foro passante adattabili alla tecnica di saldatura in forno a rifusione non è critico, almeno per quelli la cui esecuzione prevede già dei package in resine resistenti alle alte temperature che sono appannaggio degli SMD; qualcosa di più critico è l’adattamento di componenti THT nati per la saldatura tradizionale o a onda, come ad esempio gli elettromeccanici da circuito stampato, i portafusibile, i test-point, i relé, per citarne alcuni. In questi casi il costruttore deve adottare accorgimenti, tra cui l’adozione di parti in plastica o resine in grado di affrontare le temperature caratteristiche del reflow soldering in forno senza deformarsi o perdere l’isolamento.
Un componente THR deve essere costruito in modo che vi sia distanza tra PCB e package per consentire un migliore flusso d’aria onde facilitare la fusione della lega saldante, nonché offrire spazio sufficiente per la pasta saldante. Inoltre, il package dovrebbe avere forma tale da consentire l’ispezione ottica automatica (AOI) del giunto di saldatura e garantire che non vi sia contatto con la pasta saldante durante il reflow soldering. L’altezza dalla superficie del PCB dipende dalla superficie del componente e dal numero di pin.
Un altro aspetto importante dei componenti THR è la lunghezza dei piedini: se sono troppo lunghi, la distanza tra la pasta saldante e il PCB diventa eccessiva, nel senso che durante la saldatura la lega saldante verrà spinta lontano dal foro metallizzato e formerà sfere sulla testa; ne risulterà una saldatura di pessima qualità. Al contrario, piedini troppo corti rischiano di non farli entrare in contatto con una quantità di pasta saldante sufficiente a fornire una saldatura stabile. Pin troppo corti affonderanno nel PCB, i punti di saldatura saranno buoni, ma i risultati di saldabilità non soddisferanno i criteri IPC-A-610. Idealmente, i pin dovrebbero fuoriuscire dal PCB tra 0,20 mm e 0,80 mm, per ottenere buoni risultati di saldatura.
La Fig. 3 mostra la situazione derivante da tre lunghezze dei terminali da saldare.
Componenti THR sul mercato
Un esempio di componenti THR arriva dalla Schurter, che rende disponibili i propri portafusibili della serie OGN in versione THR, che di fatto è una SMT, quindi con base in resina resistente alle alte temperature, dotata però di terminali per montaggio a foro passante più dritti e corti di quelli della versione THT. Il portafusibili Schurter OGN è in formato 5x20 e viene reso disponibile in confezione blister (nastro e bobina) per poter essere montato su PCB con un processo completamente automatizzato. Il corpo isolante è in resina resistente a temperature fino a 245 °C in forno a rifusione.
Altri esempi sono i connettori con elettronica RJ-45 della Würth Elektronik WE-RJ45 THR, dove il package e i LED sono stati rivisti per resistere alle alte temperature; particolare attenzione è stata prestata per garantire che il calore possa raggiungere tutti i punti di saldatura nello stesso modo e con il medesimo risultato. Le parti in plastica, che nei connettori RJ-45 per montaggio a foro passante, sono in nylon o PBT (polibutilene tereftalato) e non resistono a più di 225 °C, sono state sostituite da Liquid Crystal Polymer (LCP) che presenta un punto di fusione sufficientemente elevato (330 °C) ed è poco igroscopico, così da limitare i rischi connessi all’assorbimento di umidità.
La lunghezza dei pin del connettore WE-RJ45 THR è 2,20 mm, il che rende il componente compatibile con PCB dello spessore di 1,40 ÷ 2,00 mm.
La Fig. 4 propone i portafusibili Schurter e i connettori RJ45 con trasformatore Wurth, entrambi in esecuzione THR.
THR e umidità
Nell’utilizzare componenti elettronici in esecuzione THR va considerato che ai fini dell’MSD, ossia delle problematiche connesse all’accumulo di umidità nelle plastiche che ne compongono il package, bisogna trattarli come gli SMD e comunque adottare quelle accortezze che già appartengono agli elementi da saldare per rifusione. Tra queste, l’essiccazione in forno se sono rimasti in ambiente umido per un tempo maggiore di quello ammesso in base alla categoria di appartenenza, ovvero se sono stati conservati al di fuori delle loro buste sigillate per la protezione dall’umidità. A riguardo rimandiamo all’articolo pubblicato nel fascicolo di maggio scorso intitolato “MSD: attenzione all’umidità” e al Focus MSD pubblicato nel fascicolo di Giugno scorso.
La sensibilità all’umidità è un tema rilevante per i componenti in esecuzione THR perché come i loro corrispondenti SMD dovranno essere introdotti in un forno e salvo alcuni casi particolari, l’eventuale deformazione o rigonfiamento del package andrebbe a condizionare il funzionamento del componente saldato: per esempio in un connettore o un encoder potrebbero toccarsi dei contatti o verrebbe meno l’isolamento contemplato dalle specifiche di progetto.
