I componenti PTH (o THT) possono essere saldati manualmente, ricorrendo alla tecnologia pin-in-paste col forno di rifusione, utilizzando un sistema di saldatura ad onda o una saldatrice selettiva. La saldatura selettiva è il processo preferenziale per saldare componenti PTH su un PCBA già assemblato con componenti SMT.
Molti sistemi di saldatura hanno dei limiti, dati soprattutto dalla capacità dei componenti elettronici nel resistere alle alte temperature; pertanto, non tutte le tecnologie si prestano a soddisfare i requisiti del processo di saldatura.
Il concetto di saldatura selettiva ha un significato ampio e raduna sotto il suo ombrello un insieme variegato di tecnologie e di handling. Per comodità si prendono in considerazione le due principali tecnologie, la saldatura con minionda e la saldatura laser
Grazie alla flessibilità intrinseca del processo, la saldatura selettiva può essere utilizzata con successo per saldare un'ampia gamma di circuiti stampati e di componenti; presenta numerosi vantaggi distintivi, tra cui:
- l'ottimizzazione dei processi può essere ottenuta in modo rapido e sicuro;
- garantisce giunti di saldatura affidabili senza surriscaldare i componenti né causare delaminazioni del circuito stampato;
- la riproducibilità del processo è garantita;
- elimina l'uso di costose maschere di saldatura (usate con macchine ad onda).
La saldatura con minionda, in linea o stand alone, ha dei limiti; quando ci sono componenti, solitamente di tipo SMT, vicini al punto da saldare il rischio è che la minionda li possa danneggiare o li rimuova dalle loro piazzole. Inoltre, in relazione alle dimensione del giunto da realizzare, la saldatrice richiede il cambio del nozzle, operazione che deve essere eseguita dall’operatore.
Nella famiglia di queste saldatrici, oltre a quelle con uno due o tre pozzetti, rientrano anche quelle multi-dip che utilizzano una matrice di nozzle (ciminies) che per dimensione e numero è pari ai giunti da realizzare, in pratica una fixture di saldatura legata al codice prodotto e pertanto da sostituire ogni volta che si cambia la scheda da saldare.
Questi limiti non riguardano la saldatura laser, da cui emerge a colpo d’occhio un’altra grossa differenza che riguarda il consumo energetico; il laser consuma solo quando è operativo, mentre il pozzetto deve rimanere in temperatura, a prescindere che saldi consecutivamente o che abbia tempi di attesa tra un PCBA e l’altro. Il sistema laser è immediatamente operativo, la saldatrice a minionda, qualunque sia il modello, richiede di portare in temperatura il pozzetto (warm up) per avere la lega allo stato liquido nel momento del bisogno. In più la saldatura con miniondarichiede che il PCBA arrivi già caldo; quindi, deve essere equipaggiata con almeno un’unità di preriscaldo (IR o aria calda). Per limitare la formazione di scorie, è spesso richiesta la presenza di azoto.
Cambia la potenza dei motori, cambia il livello di stress termico a cui è sottoposta la scheda, potrebbe cambiare la contaminazione superficiale se la saldatrice a minionda utilizza una flussatura spray in alternativa a una drop jet.
Sebbene sia meno rilevante, ma non è sempre vero che sia poco importante per tutte le aziende, cambia di molto anche l’area occupata dalla macchina.
Perché saldare col laser?
Una delle più grandi tecnologie che è emersa nella saldatura selettiva è il laser, che offre numerosi vantaggi rispetto a tutti gli altri metodi di saldatura selettiva fino ad oggi utilizzati. Le tecnologie selettive con l’ugello o ad onda con maschere sono pertanto perfettamente sostituibili dalla saldatura laser.
A differenza delle prime due, il laser è capace di un'incredibile precisione, può tranquillamente saldare sia componenti a foro passante che SMT.
Un grande vantaggio di questa tecnologia è che il trasferimento di calore è localizzato e senza contatto, la fonte di energia è concentrata solo sull’area dove il giunto di saldatura deve aver luogo. A seguito dell’erogazione del filo di lega (contenente l’anima di flussante) il laser applica il calore necessario a scioglierlo e a bagnare le parti da unire nella formazione del giunto.
La qualità dei giunti è elevata poiché si formano rapidamente limitando la formazione dell’intermetallico, evitando di incorrere in problemi di fragilità. Per l’assenza di crogiolo e di ugelli anche la manutenzione è molto contenuta. Inoltre, l'incredibile livello di precisione, non possibile con altri metodi di saldatura, facilita la formazione anche dei giunti che richiedono saldature complesse.
Potrebbe sembrare uno svantaggio della saldatura laser il dover assegnare un profilo termico adogni giunto. Poiché ogni giunto di saldatura ha un suo specifico carico termico, le macro di saldatura provvedono a questa incombenza creando automaticamente l’adeguato profilo termico.Quella che a prima vista potrebbe sembrare una controindicazione si rivela in pratica un grosso vantaggio, perché in questo modo si ottiene una saldatura “personalizzata” per ogni singolo giunto, contrariamente a quanto avviene con i profili generalizzati tipici degli altri processi. Con l’intelligenza data al software dai diversi algoritmi e col controllo a loop chiuso, il tempo impiegato è sostanzialmente identico a una normale programmazione.
Come avviene per tutte le tecnologie, anche la saldatura laser presenta alcuni inconvenienti che potrebbero limitarne l’impiego rispetto ad altri metodi.
Ad esempio i sistemi di saldatura laser potrebbero essere sfavoriti nelle applicazioni ad alto volume. In questo caso i forni a rifusione sono ovviamente il sistema di saldatura preferito, ma a patto che i componenti siano adatti alla tecnologia pin-in-paste e a supportare le alte temperature.
I sistemi di saldatura selettivi a minionda possono essere configurati per un rendimento elevato, componendoli ad esempio con due o tre pozzetti, ma cresce il costo del sistema e aumenta la complessità del processo.
La saldatura a onda potrebbe essere un’ulteriore alternativa in presenza di alti volumi, ma c’è da considerare il costo delle maschere (realizzate in CDM) con la loro complessità e la necessità di lavarle con una certa frequenza per evitare l’inquinamento del bagno d’onda. Il fatto che siano legate al codice prodotto implica inoltre la loro dismissione se si cessa la produzione di quel determinato codice.
Per quanto riguarda il costo delle apparecchiature di saldatura laser, non è più elevato se confrontato con le saldatrici selettive di fascia alta. Ovviamente non è logica la comparazione né con le macchine entry-level “tuttofare” né coi sistemi stand alone o semiautomatici, la cui qualità è modesta al pari della loro produttività.
La scelta della saldatrice selettiva
Sul mercato è presente un’offerta relativamente ampia tra cui scegliere e, come per ogni strumento, esiste la macchina giusta per ogni determinato processo. Alcune aziende hanno semplicemente bisogno di una macchina entry-level, mentre altre necessitano di una macchina per gestire abilmente complesse operazioni di assemblaggio. Qualunque siano le esigenze, probabilmente ci sono molteplici alternative che le soddisfano.
Per decidere quale macchina è la più adatta alla propria attività, vanno considerati diversi aspetti che riguardano il campo di applicazioni a cui è destinata la saldatrice e l’ambiente operativo.
Alcune aziende non richiedono molta flessibilità a causa di una gamma di prodotti piuttosto limitata e non hanno previsioni per un cambiamento di rotta; altre aziende devono produrre un'ampia varietà di PCB, sono in crescita e necessitano di un sistema di saldatura selettivo in grado di fronteggiare la presente e la futura variabilità.
Tra le principali valutazioni da considerare ci sono le seguenti:
- Dimensioni del circuito stampato, la possibilità che cambino in un arco temporale medio-lungo e di conseguenza la possibilità di avere anche la regolazione automatica del sistema di trasporto.
- Un altro elemento cruciale riguarda l’accessibilità all’area da saldare senza interferire coi componenti presenti. Essendo le schede già passate in un primo processo termico, potrebbero avere flessioni indesiderate (warpage), in questo caso diventa importante avere un sistema di compensazione dell’asse Z.
- La possibilità di configurare la macchina come un’isola stand alone, eventualmente con carico e scarico automatici, o di inserirla in linea di produzione, è un altro tratto distintivo di flessibilità.
- In alcuni settori (ad esempio il militare) è ancora in uso la lega stagno-piombo; la possibilità di cambiare rapidamente da SnPb a lead-free è impagabile. Sulla saldatrice laser basta sostituire il rocchetto di lega, che oltretutto non è limitato ad un unico diametro.
- Che l’azienda sia o meno allineata a Industria 4.0 è importante che la saldatrice selettiva possa dialogare col MES, fornisca dati di tracciabilità (immagini incluse) e sia in grado di allertare l’operatore ad ogni minima deviazione rispetto al target del processo.
- Il software del sistema deve essere sufficientemente potente per sgravare l’operatore dalla programmazione e dalle ordinarie operazioni di conduzione.
- Oltre a necessitare un basso livello di manutenzione, nella scelta di un sistema di saldatura selettiva è la quantità di supporto prevendita e aftermarket che diventa elemento vitale, oltre alla costante disponibilità dei ricambi e degli aggiornamenti software.
Tutti i vantaggi della saldatura laser
La saldatrice laser permette la regolazione punto per punto della potenza e della quantità di filo di lega (alias volume) necessari per realizzare il giunto secondo la normativa IPC; l'assenza di inerzia termica del laser unita alle letture della temperatura in tempo reale tramite pirometro, consentono la correzione dinamica a loop chiuso del profilo termico del giunto in costruzione. Pertanto:
- la posizione ortogonale del raggio migliora il trasferimento di energia nella zona desiderata;
- il raggio ad anello permette di irradiare energia solo sulla corona circolare che costituisce la piazzola (o comunque sia la geometria) e non sul foro né sulla punta del reoforo, prevenendo danni ai componenti e armonizzando la temperatura di terminale e piazzola;
- la capacità di gestire la dimensione dello spot e la potenza del laser durante l'intero processo di saldatura (preriscaldamento – saldatura – postriscaldamento), insieme all'erogazione controllata della quantità di filo di lega, forniscono la massima flessibilità per coprire tutti i possibili scenari di saldatura;
- passare dalla saldatura con lega a base di piombo a quella lead-free è semplicemente una questione di cambiare il rocchetto del filo;
- il processo di saldatura laser è pulito, fatto che elimina la necessità di lavare le schede saldate;
- il consumo energetico della saldatrice laser è estremamente basso, in particolare se confrontato con altri tipi di tecnologie di saldatura selettiva;
- i sistemi laser non richiedono warm up, sono pronti per saldare all’accensione, non richiedono né sistema di flussatura né preriscaldamento; queste caratteristiche li rendono uno strumento estremamente flessibile in ogni ambiente produttivo.
Facile da configurare, facile da utilizzare
La testa saldante costituisce il cuore del sistema laser ed è configurabile su richiesta del cliente come soluzione bottom, dove il processo di saldatura viene effettuato da sotto il PCB, o come soluzione top, dove il processo di saldatura viene effettuato da sopra il circuito stampato. È composta da ottica, che collima l’energia sulla piazzola, dal pirometro che lavora a loop chiuso col sistema di gestione del profilo termico, dalla telecamera che consente la ripresa live del giunto in formazione.
A questi componenti si affiancano il sensore dell’asse Z per compensare il warpage e il sofisticato wire feeder che lavora su due assi, Z e teta, che gli consentono di arrivare in prossimità dell’area di lavoro e di ruotare durante l’operazione di saldatura, per agevolare la completa bagnabilità del giunto; il wire feeder include anche un sensore che controlla la presenza del filo di lega e un dispositivo di scorrimento legato a un encoder per regolare con estrema precisione la quantità di filo erogata.
Con queste caratteristiche, la saldatrice laser si adatta altrettanto bene sia ai processi automatizzati in cui il sistema è integrato in linee di produzione ad alti volumi, sia agli scenari in cui i prodotti da saldare cambiano continuamente e i processi SnPb e lead-free si alternano con una certa frequenza.
Quando sono disponibili i dati CAD il software può importare le coordinate in automatico, altrimenti le coordinate dei punti da saldare possono essere acquisite tramite la telecamera. Il software evoluto in dotazione ai moderni sistemi laser genera automaticamente il programma di saldatura, ottimizzato in base alle caratteristiche geometriche e dimensionali dei giunti da realizzare, ma consentendo di modificare a necessità i parametri di saldatura. Tutti i parametri possono essere memorizzati in librerie per essere utilizzati in altri programmi.
Attraverso un’interfaccia grafica intuitiva, il software guida l’operatore nelle varie funzioni. Essendo specificatamente progettate per gli ambienti produttivi, le saldatrici laser consentendo la personalizzazione del layout dei pulsanti di controllo e delle informazioni visualizzate sullo schermo, traducibili in qualsiasi lingua.
La tracciabilità del processo è assicurata dalla possibilità di raccogliere le riprese video e i profili termici acquisiti per ogni singolo giunto di saldatura e di associarli al numero di serie del circuito stampato. La raccolta di questi dati è preziosa anche come strumento di debug del processo di saldatura.
Ovviamente le saldatrici laser hanno tutte le funzionalità necessarie per l'implementazione in qualsiasi scenario di Fabbrica 4.0, offrendo la possibilità di collegare qualsiasi sistema informativo proprietario o di terze parti per raggiungere gli obiettivi desiderati.
Soluzioni di saldatura personalizzate ed eco-compatibili
Con un assorbimento di potenza massimo di 2,5 KW/h, Firefly NEXT>Series, progettata e realizzata da Seica, è facile da programmare, gestire e manutenere. Il consumo di lega di saldatura è limitato alla quantità applicata a ciascun giunto, generando zero rifiuti ed eliminando i costi di smaltimento associati alla formazione di scorie.
L'utilizzo della tecnologia laser ha sicuramente un certo appeal nel mercato della produzione elettronica, il grosso vantaggio del sistema Firefly è che abbina al laser un enorme contenuto tecnologico sviluppato attraverso l'esperienza pluriennale sui sistemi a sonde mobili. Ad esempio, l’avanzata gestione dei motori, l’utilizzo di sensori di ultima generazione per la gestione del warpage o l’acquisizione di immagini video del processo di saldatura. Il laser, di fatto, è solo uno dei molteplici contenuti tecnologici che compongono il sistema e che permettono un facile utilizzo della sua tecnologia.
Disponibile nelle versioni di saldatura dal lato top (T60) e dal lato bottom (B60) Firefly è gestita tramite il software VIVA comune a tutti i sistemi Seica che, in qualità di partner globale, è in grado di progettare e personalizzare soluzioni specifiche di saldatura selettiva laser per i propri clienti.
Un processo di saldatura costantemente sotto controllo
Da quanto esposto emerge che la saldatrice laser offre un'eccellente alternativa al processo di saldatura selettiva tradizionale, sfruttando appieno la sua tecnologia per fornire una soluzione pulita, senza contatto ed efficiente. L'architettura hardware modulare, combinata con il sofisticato software, ne consente l’utilizzo in diversi ambienti di produzione: dai multiprodotto, che richiedono flessibilità e tempi di configurazione rapidi, alle produzioni di volumi elevati, dove lo stretto controllo del processo e la ripetibilità sono fondamentali.
La soluzione ottimale rimane pertanto quella di utilizzare il raggio laser ortogonale alla piazzola, a forma di corona circolare che migliora la focalizzazione dell'energia dove richiesto e offre la possibilità di lavorare con piazzole di forma e dimensione diverse (ad esempio anche ovali), offrendo evidenti vantaggi in termini di applicabilità e ripetibilità del processo.
Un ingombro minimo, efficienza e pulizia accompagnano un processo di saldatura flessibile, costantemente monitorabile e certificabile, rendendo il sistema di saldatura selettiva laser la soluzione ideale per risolvere problemi di produzione, sia nei settori EMS (Electronic Manufacturing Services) che OEM, come ad esempio il settore automotive.
