Difettosità saldatura RoHs

La varietà e le cause dei difetti nella saldatura senza piombo

Fonte: Prodelec-Group

Guida al riconoscimento dei risultati ottenibili dal processo lead free

Le aziende del settore elettronico stanno ormai introducendo la saldatura lead free nei loro ambienti produttivi, per uniformarsi alle direttive europee che impongono l’eliminazione del piombo dai manufatti elettronici entro luglio 2006.

Un efficace passaggio al lead free per qualsiasi scheda elettronica può dirsi tale solo al superamento di alcune sfide: la scelta dei materiali, delle attrezzature di produzione, e il contenimento dei costi richiedono una attenta pianificazione, ma il punto focale del processo rimane la fase di saldatura.

Questa fase è regolata da due fattori:

1-L’impatto dei diversi materiali e delle loro caratteristiche: la lega, il flussante, il materiale e la finitura del circuito stampato, il packaging e le caratteristiche di saldatura dei componenti limitano la finestra di processo, che determina come un giunto può essere saldato efficacemente preservando l’integrità della scheda e dei componenti.

2-La flessibilità e compatibilità dei sistemi di saldatura: che siano a rifusione, a onda o selettivi, essi devono assicurare un processo controllato in ogni sua fase e devono essere compatibili con l’esposizione a temperature maggiori.

Per la maggior parte delle schede il passaggio alla saldatura lead free avrà un impatto minimo; è stato provato che per un gran numero di applicazioni il compito maggiore è quello di cambiare il bill of material e la logistica, mentre dopo aver trovato il settaggio ottimale di processo la saldatura senza piombo è raggiungibile con gli stessi o con migliori risultati rispetto a quella con leghe stagno-piombo.

Sfortunatamente, a causa della grande varietà dei prodotti, esistono delle eccezioni: ciò che va bene per una scheda può essere deleterio per un’altra.

Schede già difficili da lavorare con un processo stagno-piombo, ad esempio con caratteristiche termiche e di bagnabilità scarse, risultano doppiamente laboriose con l’uso della tecnologia lead-free. Possono manifestarsi problemi derivanti da differenti punti di fusione, differenti strati intermetallici o da altre caratteristiche ancora.

 

Saldatura a rifusione lead free compatible:

Implementare il processo di rifusione richiede un’attenta valutazione dei cambiamenti necessari e di come il forno deve essere adattato per far fronte alle differenze rispetto alla saldatura con leghe stagno-piombo.

Occorre osservare quattro aspetti principali del processo di rifusione:

– Preriscaldo: utilizzare un profilo di tipo “lineare” piuttosto che di tipo a “sella” influenza il comportamento del flussante ed ottimizza la relazione fra ?T (differenziale termico tra i componenti) e il TAL (Time Above Liquidous).

– Picco di temperatura e TAL: il raggiungimento delle corrette temperature di picco minimo e massimo, associato ad un appropriato TAL, è necessario per mantenere integra la scheda e i componenti, e assicurare un’efficace formazione dei giunti.

– Gradiente di raffreddamento: quando si utilizzano leghe lead free, il gradiente di raffreddamento ha una grande influenza sulla formazione e sulla microstruttura del giunto, oltre che sullo spessore di intermetallico.

Una maggiore velocità di raffreddamento rende la microstruttura più omogenea e i giunti più resistenti; tuttavia i componenti, il materiale della scheda e la lega non possono essere esposti a tempi di raffreddamento eccessivamente rapidi perchè potrebbero danneggiarsi.

– Tempo: la produttività è determinata dal rapporto tra la dimensione delle schede e la velocità del convogliatore, ed ovviamente dipende dalla lunghezza della zona di rifusione del forno.

Flessibilità, accuratezza, alta capacità di trasferimento termico e precisione sono caratteristiche fondamentali per un processo di rifusione di qualità. Dal punto di vista dell’utilizzatore finale, un forno lead free compatible deve saper ottimizzare il preriscaldo, il differenziale termico tra componenti (?T), il TAL ed il gradiente di raffreddamento rientrando nei limiti della finestra di processo e mantenendo un cycle time simile a quello del processo con leghe stagno-piombo.

 

Saldatura ad onda e leghe senza piombo:

Un’ ulteriore sfida nel processo di saldatura ad onda è rappresentata dalla riduzione della distanza dei punti di saldatura, da un attuale passo di 60-75 mil ad un passo di 16-20 mil: questa sfida è resa più difficile dalla scarsa bagnabilità delle leghe lead free.

E’ necessario determinare se la riduzione della distanza tra i punti può portare a difetti nella saldatura ad onda, con la conseguente necessità di dover adottare un processo di saldatura selettiva.

Un numero sempre maggiore di schede richiede la presenza di maschere di saldatura: la tendenza ad utilizzare sempre più spesso componenti a montaggio superficiale e press fit obbliga all’uso di maschere per evitare che la scheda e i componenti vengano a trovarsi a diretto contatto con l’onda.

Parametri quali il design delle maschere di saldatura, il loro spessore, la forma dei bordi, la frequenza di utilizzo e la manutenzione cambiano con l’utilizzo di leghe lead free.

Lo sviluppo del processo di saldatura ad onda deve tenere conto di alcuni elementi, quali composizione della lega, tipo di flussante, requisiti inerenti il preriscaldo, ottimizzazione delle onde.

Inoltre, i nuovi materiali e le nuove caratteristiche del processo provocano un aumento del consumo elettrico della saldatrice.

La decisione di utilizzare flussanti VOC free (meno dannosi per le esalazioni tossiche) in concomitanza con l’introduzione di leghe senza piombo, comporta l’aumento delle temperature di preriscaldo oltre i 120° C sul lato top della scheda, mentre sul lato bottom la temperatura è dai 5° ai 30° (a seconda della complessità della scheda) maggiore che sul lato top.

La quantità di energia necessaria per far evaporare il flussante a base acquosa è maggiore, e qualora esistessero limiti nelle capacità dei moduli di preriscaldo, potrebbe rendersi necessario diminuire la velocità del convogliatore. L’utilizzo della maschera di saldatura aggiunge ulteriori difficoltà nell’ottimizzazione dei processi di flussatura e preriscaldo.

Il rapporto tra la temperatura del processo e il tempo di contatto della lega dipende dal tipo di tecnologia utilizzata e dalla complessità della scheda: PCB a singolo lato possono essere processate a temperature di 250°-260° C (relativamente basse per il lead free) con tempo di contatto di 2-5 secondi, mentre schede a due lati con ovvie necessità di ottenere una buona risalita richiedono temperature di 260°-265° C e tempi di contatto sino a 3-8 secondi.

 

Fattore estetico o difetto reale?

E’ arrivato il momento di comprendere le caratteristiche della saldatura lead free: come appaiono i giunti di saldatura, quali difetti bisogna aspettarsi e come è possibile aumentare la qualità e mantenere basso il livello di difettosità.

Perchè la saldatura abbia successo è necessario che i componenti a contatto con la lega siano in grado di sopportare il processo senza danneggiarsi, e che abbiano come caratteristica una buona saldabilità (bagnabilità a contatto con la pasta). Inoltre la forma del giunto deve essere tale che la pasta resti liquida durante il processo di saldatura e non scenda sotto il punto di fusione durante il processo (saldabilità termica).

La differenza principale tra le connessioni create con un processo stagno-piombo e uno lead free è in come appare la superficie di saldatura.

La prima cosa che si nota nei giunti saldati con lead free è la loro apparenza ruvida e frastagliata, ben diversa dai giunti lisci e lucenti che sono caratteristici dell’utilizzo di leghe stagno-piombo.

Affidandosi ai criteri estetici delle leghe classiche, i giunti lead free risulterebbero difettosi sulla base della loro apparenza, mentre è importante differenziare gli aspetti visivi dai reali difetti che potrebbero compromettere l’affidabilità dei giunti di saldatura.

Tuttavia, non essendo ancora stati codificati degli standard per i giunti di saldatura lead free, è difficile a volte stabilire quali di essi possono considerarsi entro i limiti e quali no.

Tipici elementi di saldatura quali criccature e sollevamento del giunto o del pad (fillet e pad lifting), contrazione della superficie e formazione di vuoti (voids) sono sotto osservazione per stabilire se essi costituiscano un difetto di saldatura oppure una semplice anomalia estetica.

I difetti già riconosciuti come tali sono raggruppabili a seconda della caratteristica che li causa:

1. Materiali delle schede e temperature più alte

2. Danni ai componenti e mix non desiderati

3. Mancato flussaggio ed alte temperature

4. Caratteristiche delle leghe senza piombo

5. Contaminazione della saldatura

6. Surriscaldamento e altri difetti di rifusione

 

1. Materiali delle schede e temperature più alte

Temperature di saldatura più alte possono portare a vari difetti potenziali.

Una bassa qualità della scheda unita agli effetti derivanti dall’aumento delle temperature può causare imbarcamento e delaminazione della scheda (separazione tra il materiale di base ed il rame delle piste, oppure tra i vari layer da cui una scheda è composta).

L’imbarcamento di una scheda può essere limitato utilizzando materiali con alti valori di TG (glass transition temperature) e TD (Delamination Temperature).

Possono essere installate opzioni, disponibili in alcuni sistemi, per ridurre l’imbarcamento schede, come ad esempio i supporti a filo o a catena.

Nel processo di saldatura a rifusione il controllo del gradiente di raffreddamento diventa importante quando sono presenti BGA. Un rapido raffreddamento è consigliabile per ottenere una migliore struttura del giunto, ma può aumentare l’imbarcamento del substrato del BGA. Per limitare questo effetto è consigliabile rallentare in modo controllato la velocità di raffreddamento.

Un altro rischio dell’alta temperatura è la formazione di fori nei giunti: i circuiti stampati producono gas durante il processo di saldatura, i quali derivano da acqua assorbita o rimasta intrappolata, da materiali organici presenti nel coating o da elementi volatili contenuti nei materiali laminati. Questo problema è arginabile con una fase di preriscaldo del circuito stampato o un’appropriata fase di curing.

L’introduzione di finiture lead free ha fatto nascere alcuni nuovi fenomeni quali pad anneriti, layer difettosi con finitura dorata, ossidazione degli stampati OSP oppure ad immersione di stagno o di argento: tutti questi difetti riducono la saldabilità e sono il risultato di una scarsa qualità o di una bassa resistenza delle schede alla corrosione.

 

2. Danni ai componenti e mix non desiderati

I difetti legati ai componenti possono essere suddivisi in due gruppi:

A – Difetti legati alla finitura del componente: essi sono prevalentemente relativi a whisker di stagno ma possono includere anche contaminazione ad opera di finiture contenenti piombo oppure bismuto, che portano alla formazione di  segmenti a basso punto di fusione e causano fori, una seconda rifusione durante la saldatura ad onda o aumentano il rischio di sollevamento del giunto (fillet lifting).

B – Difetti risultanti dalla bassa qualità delle materie prime: questi includono assorbimento di umidità, fusione o deformazione delle parti plastiche, oppure delaminazione dovuta alle più alte temperature richieste dalla tecnologia lead free.

La dicitura “RoHs compliant” implica anche la resistenza a più alte temperature ed include solo quei materiali che sono conformi alla normativa europea RoHs.

Attualmente non esistono standard di stoccaggio ed etichettatura dei materiali RoHs compliant: alcuni fornitori di componenti cambieranno i part number, mentre altri conserveranno identico part number e gestiranno la transizione a partire da una determinata data. Questi diversi atteggiamenti possono causare il rischio che componenti con diverse finiture siano mischiati tra loro.

Con i componenti BGA, per esempio, il mix di finiture con e senza piombo è molto dannoso per la qualità dei giunti: le sfere potrebbero non fondersi completamente o potrebbero causare un aumento dei voids dovuto ai diversi comportamenti in fase di fusione dei materiali.

Le alte temperature del processo lead free richiedono materiali plastici più resistenti, che assorbano meno umidità e che siano quindi meno suscettibili al difetto conosciuto come “pop corning”. Quest’ultimo è causato dal rapido surriscaldamento dell’umidità assorbita dai rivestimenti plastici, e porta alla delaminazione degli strati interni dei componenti. Di tutte le finiture lead free, quella contenente stagno puro è la più sperimentata nella produzione per alti volumi, e si è dimostrata efficace su miliardi di condensatori ceramici SMD utilizzati in passato con il processo di saldatura stagno-piombo.

 

3. Mancato flussaggio con alte temperature

Il flussante gioca un ruolo primario nel processo di saldatura: numerosi difetti possono essere attribuibili ad una sua non corretta attivazione.

Un flussante forte è in grado di rimuovere ossidi e prevenire corto circuiti, inoltre, la risalita per i componenti through-hole sarà favorita da un flussante con alta resistenza al calore.

Una corretta risalita è uno degli obiettivi chiave nella saldatura, e le leghe lead free, caratterizzate da una minore bagnabilità, rendono questo processo più difficoltoso.

Una inertizzazione con azoto nell’area di saldatura può migliorare le performance di bagnabilità, perchè gli ossidi possono così essere rimossi e la risalita aumentata.

Difetti quali le cosidette “pagliuzze” di lega oppure i “ghiaccioli” sono evitabili con un’adeguata attività di flussaggio o con un’atmosfera di azoto.

Il flussante dev’essere compatibile con le maggiori temperature di preriscaldo e di rifusione, con moduli a convezione di aria calda, con formatori a doppia onda, con le finiture ed il solder mask dei circuiti stampati.

L’interazione tra flussante e solder mask può causare residui sul lato bottom della scheda a seguito della saldatura. Questi residui oleosi, che non evaporano durante il processo di saldatura,  sono composti da solder resist modificato nella sua struttura a causa di problemi nella sua formulazione oppure da una sua errata cottura. I fabbricanti di PCB per ovviare a tali difetti devono curare in modo appropriato la fase di riscaldamento dei circuiti stampati.

Per alcune aziende questo potrebbe non essere considerato un difetto mentre potrebbe esserlo per altre, che ad esempio utilizzano la tecnologia di conformal coating sulle proprie schede.

I residui di saldatura che aderiscono al solder resist sono definiti “solder webbing”.

 

4. Caratteristiche delle leghe senza piombo

Tutte le parti a contatto con la lega liquida nella saldatura ad onda aumentano la propria temperatura e si espandono a causa del calore introdotto nel giunto dalla lega.

Il grado di espansione termica non è lo stesso per tutti i materiali, ma è generalmente più alto nella saldatura senza piombo.

Per le schede realizzate in epoxy-glass, l’espansione termica ha un valore variabile che dipende dalla temperatura: questa espansione diventa massima sull’asse Z.

A causa delle differenze di espansione termica tra il rivestimento in rame e il materiale base della scheda possono verificarsi delle deformazioni nel giunto di saldatura. Questa deformazione si concentra prevalentemente nell’area di saldatura del pad, che assume una forma a cuneo durante il processo. Questa deformazione è un meccanismo dinamico, che muove su e giù i pad durante la saldatura e che può indurre alla formazione di crack (criccature) nei giunti.

Un crack o micro-rottura è una spaccatura o un disallineamento nella superficie di saldatura che può risultare più o meno profondo. La formazione di spaccature è spesso il risultato del movimento del pad durante il processo di saldatura.

Le micro-rotture possono essere causate da diversi meccanismi che agiscono sul giunto in fase di solidificazione.

Lo standard IPC-A-610-D definisce che il restringimento dei fori è accettabile quando il fondo della spaccatura è visibile e quando la spaccatura non è a contatto con il pad, la metallizzazione del foro o il pin del componente.

Il sollevamento del pad o del giunto sono causati dallo stesso meccanismo, ovvero la differente espansione termica dei materiali.

Un contatto prolungato tra la scheda e la lega saldante porterà ad una migliore risalita. Una maggiore temperatura consentirà inoltre una migliore bagnabilità dei giunti: l’abbinamento di questi due elementi però può essere dannoso, perchè può causare diversi difetti, quali:

– Blow holes: I gas emessi dalla scheda sottoposta ad alta temperature sfiatano, entrando nella lega saldante e provocando vuoti (voids).

– Dissoluzione del rame: il rame che è contenuto nei pad tende a dissolversi nella saldatura. Tempi molto prolungati di contatto possono portare ad una eccessiva o totale  dissoluzione del rame se questo è troppo sottile.

– Rifusione secondaria: i componenti SMT rifondono una seconda volta  se le temperature del processo ad onda superano il punto di fusione della pasta. La lega potrebbe spostarsi ed i terminali  dei componenti potrebbero staccarsi dal pad.

Talvolta può rimanere una debole connessione tra il terminale ed il pad, rendendo ancora più difficile rilevare questo difetto, dal momento che sarebbe ancora possibile un flusso di corrente.

Per prevenire la rifusione è utile posizionare dissipatori termici sulla superficie dei componenti più vulnerabili.

– Solder wicking: la lega tende a scorrere sulla superficie del terminale allontanadosi dall’area del giunto, rendendo difficile una connessione adeguata

– Danno ai componenti: Alcuni componenti (come ad esempio i MELF) se rimangono troppo a lungo immersi nella lega allo stato liquido durante la saldatura ad onda possono rompersi. In altri casi, la colla che li trattiene al circuito stampato può non sopportare la temperatura troppo elevata e il componente può cadere all’interno del bagno.

 

5. Contaminazione della saldatura

Alcuni metalli tendono a dissolversi nella pasta saldante lead free: la temperatura, la velocità alla quale si muove la lega e la composizione della lega stessa determinano la rapidità di questo processo.

Per garantire un processo stabile di saldatura è necessario controllare la composizione della lega, perché ogni variazione rispetto alla struttura originale provoca una diversa reazione durante la fusione, in particolare nel caso della contaminazione con piombo o ferro.

Attualmente in molti processi lead free coesistono paste saldanti senza piombo e componenti con finiture al piombo. Raggiunta una certa temperatura il piombo si dissolve nel pozzetto, e la contaminazione porta ad un abbassamento del punto di fusione, oltre che ad una violazione delle normative RoHS. Una volta contaminato, il pozzetto deve essere sostituito, comportando costi aggiuntivi.

Lo stesso discorso è applicabile alla contaminazione da ferro.

La contaminazione con piombo, bismuto,  rame o altri metalli compromette il processo di solidificazione: in particolare, la lega SnPbBi crea segmenti a basso punto di fusione all’interno della massa di lega saldante che, uniti allo stress meccanico nei giunti, possono provocare spaccature.

Se il materiale con il quale è costruito il pozzetto di saldatura non ha uno strato protettivo sufficiente, l’acciaio presente nella sua struttura  potrebbe dissolversi nella pasta saldante e formare residui FeSn2. Il punto di fusione di questi cristalli è di 510° C, perciò essi rimangono solidi nel bagno fuso e tendono a raccogliersi negli angoli del pozzetto, dove il flusso della lega è più ridotto. Tuttavia, se essi vengono aspirati dalle pompe insieme alla lega saldante, potrebbero finire in un giunto di saldatura, alterandone la struttura o provocando corto circuiti.

 

6. Surriscaldamento e altri difetti di rifusione

Con le temperature più alte necessarie per il processo di rifusione lead free aumenta il rischio del surriscaldamento dei componenti.

La finestra del processo di rifusione è ridotta con la tecnologia lead free, quindi è fondamentale raggiungere e mantenere una bassa differenza di temperatura tra il punto più freddo e quello più caldo sulla scheda (?T) in modo da fondere completamente la pasta saldante senza danneggiare i componenti.

Alcuni difetti della saldatura a rifusione sono collegati alle caratteristiche della pasta saldante e al processo di serigrafia, come già accadeva con le leghe classiche. Essi sono:

– Effetto lapide: questo fenomeno avviene quando i componenti si sollevano su un lato, mentre l’altro rimane a contatto con la scheda. Alcuni studi hanno dimostrato che l’incidenza di tale difetto diminuisce con l’utilizzo di paste saldanti lead free: questo a causa della scarsa bagnabilità che provoca minore tensione superficiale e quindi minore forza sul componente.

– Formazione di microsfere: questo difetto si presenta con la formazione di sfere lungo i lati del componente. Tali sfere sono solitamente causate da un’eccessiva presenza di pasta saldante sul pad, da un processo di serigrafia non accurato oppure dalla fuoriuscita di solventi in forma gassosa dalla pasta durante la fase di preriscaldo.

– Corto circuito: tale difetto è causato da un processo di serigrafia non accurato, dalla sbavatura o dal collasso della pasta, da un volume eccessivo di pasta o da un piazzamento dei componenti impreciso.

– Materiali misti in BGA: Utilizzare BGA nel processo può diventare problematico quando la finitura delle loro sfere e la pasta saldante non sono compatibili.

Se la pasta saldante lead free è utilizzata con sfere BGA stagno-piombo, le sfere si fonderanno ad una temperatura di 183° C, quando ancora la pasta starà producendo gas, facendo evaporare il flussante. Poiché le sfere collassano sopra la pasta, i gas possono fuoriuscire solo attraversando lo strato di Sn-Pb, causando vuoti (voids).

Se le sfere BGA senza piombo sono utilizzate con pasta stagno-piombo è necessario assicurarsi che le sfere siano completamente fuse per ottenere un auto-allineamento sufficiente.

La finitura di numerosi componenti è già stata modificata da stagno-piombo a stagno puro senza renderlo noto agli utilizzatori finali: ciò ha provocato numerosi problemi di scarsa bagnabilità e di differente aspetto della saldatura, causando anche seri dubbi sull’affidabilità di tali giunti.

 

Raccomandazioni:

Numerosi difetti solo legati alla qualità del materiale di cui le schede sono composte. La saldabilità delle schede si basa su alcuni fattori tra cui la qualità nella fornitura del prodotto e le corrette condizioni di stoccaggio.

Con la saldatura ad onda la temperatura deve essere più bassa possibile per prevenire il surriscaldamento dei componenti, il danneggiamnto dei materiali, e cosa più importante, la seconda riusione della pasta saldante.

Temperature più basse di saldatura limitano gli effetti corrosivi dello stagno fuso sulle parti ferrose del pozzetto e delle giranti, ed evitano la formazione di cristalli di ferro-stagno.

Sia nella saldatura ad onda che in quella a rifusione alcuni difetti sono causati da un’insufficiente attività di flussatura. Un flussante in grado di sopportare alte temperature può evitare corto circuiti e migliorare la risalita.

Un buon controllo del processo di rifusione previene il surriscaldamento e l’incidenza di altri difetti.