Processo di saldatura
La saldatura è il processo di unione di due metalli tramite l’uso di una lega di saldatura, ed è una delle più antiche tecniche di unione conosciute. Giunti di saldatura difettosi rimangono una delle principali cause di guasto delle apparecchiature e quindi l’importanza di elevati standard di lavorazione nella saldatura non può essere sottolineata troppo.
Il seguente materiale copre le procedure di saldatura di base ed è stato progettato per fornire le conoscenze fondamentali necessarie per completare la maggior parte delle operazioni di saldatura manuale ad alta affidabilità e di rimozione dei componenti.
Proprietà della saldatura
La saldatura usata per l’elettronica è una lega metallica, fatta combinando stagno e piombo in proporzioni diverse. Di solito si possono trovare queste proporzioni segnate sui vari tipi di saldatura disponibili.
Con la maggior parte delle combinazioni di saldatura stagno/piombo, la fusione non avviene tutta in una volta. La saldatura 50/50 inizia a fondere a 183 C -361 F, ma non è completamente fusa fino a quando la temperatura raggiunge 216 C – 420 F. Tra queste due temperature, la saldatura esiste in uno stato plastico o semi-liquido.
La gamma plastica di una saldatura varia, a seconda del rapporto di stagno e piombo. Con una saldatura 60/40, la gamma è molto più piccola di quella della saldatura 50/50. Il rapporto 63/37, noto come saldatura eutettica, non ha praticamente alcuna gamma plastica e fonde quasi istantaneamente a 183 C -361 F.
Le saldature più comunemente usate per la saldatura a mano in elettronica sono il tipo 60/40 e il tipo 63/37. A causa della gamma plastica del tipo 60/40, è necessario fare attenzione a non muovere alcun elemento del giunto durante il periodo di raffreddamento. Il movimento può causare ciò che è noto come giunto disturbato. Un giunto disturbato ha un aspetto ruvido e irregolare e sembra opaco invece che lucido e brillante. Un giunto di saldatura disturbato può essere inaffidabile e può richiedere una rilavorazione.
Azione bagnante
Quando la saldatura calda entra in contatto con una superficie di rame, ha luogo un’azione solvente del metallo. La saldatura si dissolve e penetra nella superficie di rame. Le molecole di stagno e di rame si fondono per formare una nuova lega, una che è in parte rame e in parte stagno. Questa azione del solvente è chiamata bagnatura e forma il legame intermetallico tra le parti. (Vedi Figura 1) La bagnatura può avvenire solo se la superficie del rame è libera da contaminazione e dalla pellicola di ossido che si forma quando il metallo è esposto all’aria. Inoltre, la saldatura e la superficie di lavoro devono aver raggiunto la temperatura adeguata.
Anche se le superfici da saldare possono sembrare pulite, c’è sempre una sottile pellicola di ossido che le copre. Per un buon legame di saldatura, gli ossidi di superficie devono essere rimossi durante il processo di saldatura usando il flussante.
Flux
Connessioni di saldatura affidabili possono essere ottenute solo con superfici veramente pulite. I solventi possono essere usati per pulire le superfici prima della saldatura, ma sono insufficienti a causa della velocità estremamente rapida con cui si formano gli ossidi sulla superficie dei metalli riscaldati. Per superare questa pellicola di ossido, nella saldatura elettronica è necessario utilizzare materiali chiamati flussanti. I flussanti sono costituiti da colofonia naturale o sintetica e talvolta da additivi chimici chiamati attivatori.
La funzione del fondente è quella di rimuovere gli ossidi e di mantenerli durante l’operazione di saldatura. Questo viene realizzato dall’azione del fondente che è molto corrosivo alle temperature di fusione della saldatura e spiega la capacità del fondente di rimuovere rapidamente gli ossidi metallici. Nel suo stato non riscaldato, tuttavia, il fondente di colofonia non è corrosivo e non è conduttivo e quindi non influisce sul circuito. È l’azione disossidante di rimuovere gli ossidi e portarli via, oltre a impedire la riformazione di nuovi ossidi che permette alla saldatura di formare il legame intermetallico desiderato.
Il flussante deve fondere a una temperatura inferiore a quella della saldatura in modo che possa fare il suo lavoro prima dell’azione di saldatura. Volatilizzerà molto rapidamente; quindi è obbligatorio che il flussante sia fuso per fluire sulla superficie di lavoro e non essere semplicemente volatilizzato dalla punta del ferro caldo per fornire il pieno beneficio dell’azione di flussaggio. Ci sono varietà di fondenti disponibili per molti scopi e applicazioni. I tipi più comuni includono: Colofonia – non pulita, Colofonia – leggermente attivata e solubile in acqua.
Quando viene usato, il fondente liquido dovrebbe essere applicato in uno strato sottile e uniforme alle superfici da unire e prima dell’applicazione del calore. La saldatura a filo animato e la pasta saldante devono essere collocate in una posizione tale che il flussante possa fluire e coprire le giunzioni mentre la saldatura si fonde. Il fondente deve essere applicato in modo da non danneggiare le parti e i materiali circostanti.
Il saldatore
Il saldatore è disponibile in una varietà di dimensioni e forme. Una superficie continuamente stagnata deve essere mantenuta sulla superficie di lavoro della punta del saldatore per assicurare un adeguato trasferimento di calore e per evitare il trasferimento di impurità alla connessione di saldatura.
Prima di usare il saldatore, la punta deve essere pulita strofinandola su una spugna bagnata. Quando non è in uso il ferro dovrebbe essere tenuto in un supporto, con la sua punta pulita e ricoperta con una piccola quantità di stagno
Nota
Anche se la temperatura della punta non è l’elemento chiave nella saldatura si dovrebbe sempre iniziare alla temperatura più bassa possibile. Una buona regola generale è quella di impostare la temperatura della punta del saldatore a 260 C – 500 F e aumentare la temperatura come necessario per ottenere il risultato desiderato.
Controllo del calore
Il controllo della temperatura della punta del saldatore non è l’elemento chiave della saldatura. L’elemento chiave è il controllo del ciclo di calore del lavoro. Quanto velocemente il lavoro si scalda, quanto si scalda e per quanto tempo rimane caldo è l’elemento da controllare per ottenere connessioni di saldatura affidabili.
Massa termica
Il primo fattore da considerare quando si salda è la massa termica relativa del giunto da saldare. Questa massa può variare in una vasta gamma.
Ogni giunto ha la sua particolare massa termica, e come questa massa combinata si confronta con la massa della punta del ferro determina il tempo e l’aumento di temperatura del lavoro.
Surface Condition
Un secondo fattore di importanza quando si salda è la condizione della superficie. Se ci sono ossidi o altri contaminanti che coprono i pad o i cavi, ci sarà una barriera al flusso di calore. Anche se la punta del ferro è della giusta dimensione e temperatura, potrebbe non essere in grado di fornire abbastanza calore al giunto per fondere la saldatura.
Collegamento termico
Un terzo fattore da considerare è il collegamento termico. Questa è l’area di contatto tra la punta del ferro e il lavoro.
La figura 2 mostra una vista della punta di un saldatore che salda il cavo di un componente. Il calore viene trasferito attraverso la piccola area di contatto tra la punta del saldatore e il pad. L’area di collegamento termico è piccola.
La figura 3 mostra anche una vista di una punta di saldatore che salda un cavo di componente. In questo caso, l’area di contatto è notevolmente aumentata avendo una piccola quantità di saldatura nel punto di contatto. La punta è anche in contatto sia con il pad che con il componente migliorando ulteriormente il collegamento termico. Questo ponte di saldatura fornisce il collegamento termico e assicura il trasferimento rapido del calore nel lavoro.
Applicazione della saldatura
In generale, la punta del saldatore dovrebbe essere applicata al punto di massima massa del giunto. Questo permetterà la rapida elevazione termica delle parti da saldare. La saldatura fusa scorre sempre dalla zona più fredda verso quella più calda.
Prima di applicare la saldatura, la temperatura della superficie delle parti da saldare deve essere elevata sopra il punto di fusione della saldatura. Non fondere mai la saldatura contro la punta del ferro e lasciarla scorrere su una superficie più fredda della temperatura di fusione della saldatura. La saldatura applicata su una superficie pulita, flussata e adeguatamente riscaldata si fonderà e scorrerà senza contatto diretto con la fonte di calore e fornirà una superficie liscia e uniforme, con un bordo sottile. Una saldatura inadeguata presenterà un aspetto costruito e irregolare e una scarsa filettatura. Per una buona resistenza del giunto di saldatura, le parti da saldare devono essere tenute in posizione fino alla solidificazione della saldatura.
Se possibile applicare la saldatura alla parte superiore del giunto in modo che le superfici di lavoro e non il ferro fondano la saldatura e che la gravità aiuti il flusso della saldatura. Scegliere una saldatura a nucleo del diametro appropriato aiuterà a controllare la quantità di saldatura applicata al giunto. Usare un calibro piccolo per un giunto piccolo e un calibro grande per un giunto grande.
Pulizia post-saldatura
Quando è richiesta la pulizia, i residui di flussante dovrebbero essere rimossi il prima possibile, ma non più tardi di un’ora dopo la saldatura. Alcuni fondenti possono richiedere un’azione più immediata per facilitare una rimozione adeguata. Mezzi meccanici come l’agitazione, la spruzzatura, la spazzolatura e altri metodi di applicazione possono essere usati insieme alla soluzione di pulizia.
I solventi di pulizia, le soluzioni e i metodi usati non devono aver intaccato le parti, le connessioni e i materiali da pulire. Dopo la pulizia, le schede dovrebbero essere adeguatamente asciugate.
Resoldering
Si dovrebbe fare attenzione ad evitare la necessità di risaldare. Quando la saldatura è necessaria, gli standard di qualità per la connessione saldata dovrebbero essere gli stessi della connessione originale.
Un giunto di saldatura freddo o disturbato di solito richiede solo il riscaldamento e il riflusso della saldatura con l’aggiunta di un flusso adatto. Se il riscaldamento non corregge la condizione, la saldatura dovrebbe essere rimossa e il giunto risaldato.
Esecuzione
I giunti di saldatura dovrebbero avere un aspetto liscio. Una lucentezza satinata è ammissibile. I giunti dovrebbero essere privi di graffi, spigoli vivi, ruvidità, allentamento, vesciche o altre prove di cattiva fattura. I segni della sonda dei perni di prova sono accettabili a condizione che non influenzino l’integrità del giunto di saldatura.
Una connessione di saldatura accettabile dovrebbe indicare prove di bagnatura e aderenza quando la saldatura si fonde con la superficie saldata. La saldatura dovrebbe formare un piccolo angolo di contatto; questo indica la presenza di un legame metallurgico e la continuità metallica dalla saldatura alla superficie. (Vedi Figura 4)
Vuoti lisci e puliti o irregolarità sulla superficie del filetto di saldatura o del rivestimento sono accettabili. Dovrebbe essere evidente una transizione liscia dal pad al piombo del componente.