Nozioni fondamentali sui connettori per il ... - Phoenix Contact

Nozioni fondamentali
Connettori per
il processo SMT
Through Hole Reflow

Surface Mount Technology SMT –
un moderno processo di produzione
La tendenza ad utilizzare componenti SMD
(Surface Mount Device) è rimasta immutata
negli anni. Grazie all'utilizzo di processi
completamente automatizzati per quanto
concerne la pressione della pasta, l'equipaggiamento
dei componenti e la saldatura, la
produzione nelle linee SMT diventa un procedimento
rapido e poco costoso. Nasce
quindi l'esigenza di integrare in questo processo
produttivo il maggior numero possibile
di componenti.
Per una perfetta integrazione nel
processo SMT, è necessario tener
conto dei seguenti fattori:
• Dimensioni, formato e peso dei componenti
(limitazioni in caso di equipaggiamento
automatico)
• Resistenza alle alte temperature dei
componenti.
• Sollecitazioni meccaniche previste per i
componenti in uso (ad es. forze di trazione
sul connettore nelle applicazioni
"Wire-to-Board")
Tecnologia Through Hole Reflow (THR)
Il termine "Tecnologia Through Hole Reflow"
descrive una tecnica di montaggio dei componenti
sul circuito stampato. Indica il montaggio
passante (Through Hole) dei componenti per
equipaggiamento nell'ambito del procedimento
di saldatura reflow. Si tratta di una tecnologia
sviluppata appositamente per i processi
completamenti automatizzati nel processo di
produzione SMT.
2 PHOENIX CONTACT

Varianti di equipaggiamento dei circuiti stampati
Circuito stampato SMT
La realizzazione del circuito
stampato SMT avviene "a costi
contenuti", poichè il processo di
equipaggiamento e saldatura dei
componenti è completamente
automatizzato e universale.
Indice
Surface Mount Technology
SMT – un moderno
processo di produzione
Pagine 02 – 03
Circuito stampato misto
Nella realizzazione di circuiti
stampati misti, i numerosi
componenti SMT e una piccola
percentuale di componenti
cablati fanno lievitare i costi di
produzione, essendo necessario
un secondo processo di equipaggiamento
e di saldatura.
Il procedimento
"Pin in Paste"
Requisiti dei
componenti THR
Pagine 04 – 05
Pagine 06 – 10
Qualificazione dei
componenti THR secondo
J-STD-020D
Pagine 11 – 13
Integrazione nel processo
Pagine 14 – 22
Immediata individuazione
del prodotto giusto
Pagina 23
PHOENIX CONTACT 3

Il procedimento "Pin in Paste" –
Base della tecnologia THR
Il procedimento “Pin-in-Paste” trasferisce
il tipico processo di produzione SMT ad
un circuito stampato con foro di contatto.
Il principio di funzionamento di questo
procedimento è attualmente considerato
come dato di fatto.
I risultati ottenuti sono – indipendentemente
dalla geometria dei componenti, dai
materiali di saldatura e dai parametri di
processo – decisamente buoni.
Scopo dell'integrazione di componenti
nella tecnologia passante
(Through Hole) nel processo di
reflow SMT:
I componenti cablati e
i componenti SMT ...
... possono essere lavorati contemporaneamente
• con le stesse apparecchiature
• con lo stesso procedimento
• alle stesse condizioni
Principio
di funzionamento
Svolgimento del
processo "Pin in Paste"
1. 2. 3. 4.
Circuito stampato
con foro con
contatto
La sagoma viene
posizionata
Applicazione pasta
Riempimento del foro
5. 6. 7. 8.
Montaggio
componente
Distribuzione pasta in
tutto il foro grazie al
codolo
Saldatura Reflow
Ecco fatto!
4 PHOENIX CONTACT

Il procedimento "Pin in Paste" nel processo SMT
Il procedimento “Pin in Paste” costituisce
la base della tecnologia THR,
mediante la quale è possibile ridurre
le fasi del processo di produzione e
integrare componenti cablati nella produzione
SMT. Ciò consente di evitare
gli adeguamenti alle apparecchiature di
produzione esistenti o alla gestione del
processo. Tuttavia i componenti THR
devono possedere particolari requisiti
per poter essere lavorati nell'ambito del
procedimento di produzione SMT.
Stampaggio
Equipaggiamento
Saldatura Reflow
Ispezione
PHOENIX CONTACT 5

Requisiti dei componenti THR
Dal 2007 non si utilizza più il piombo nei
processi di saldatura. Il passaggio ai processi
di saldatura senza piombo ha richiesto
numerose modifiche e adeguamenti dei
materiali e dei procedimenti di saldatura.
Ciò ha portato, di conseguenza, ad un'ottimizzazione
nella scelta dei materiali (plastiche
e metalli), della geometria dei componenti
(lunghezza dei pin) e degli imballaggi.
Di seguito sono descritti gli aspetti fondamentali
dei requisiti dei componenti THR
e della tecnologia THR nei processi senza
piombo.
Superfici di aspirazione per equipaggiamento ottimale
Per poter prelevare i componenti THR dalla
testina del dispositivo automatico senza pinze
o pipette speciali, è necessario disporre di
superfici di aspirazione lisce.
Qualora tali superfici non fossero disponibili
o fossero troppo piccole, il componente
deve essere provvisto di pad Pick and Place.
Superficie di aspirazione a forma del componente Superficie di aspirazione rialzata integrata Pad Pick & Place aggiuntivo
6 PHOENIX CONTACT

Spazi liberi sotto i componenti
I componenti THR vengono inseriti nei fori
con contatti passanti. Dopo la stampa, la
pasta di saldatura si trova nel foro e sull'anello
nella parte superiore del circuito stampato.
Se la pasta deve essere sovrastampata
per creare ulteriori riserve, la stampa può
includere una zona ai margini della vernice
isolante (vedere anche "Stampa serigrafica
per componenti THR" a pagina 15).
Per evitare incrostazioni di pasta e conseguenti
errori di saldatura, i componenti devono
essere provvisti di grandi spazi liberi intorno
al codolo di saldatura e di distanziatori,
i cosiddetti "Stand Off". Essi impediscono il
contatto tra il corpo isolante dei componenti
e la pasta saldante.
Spazi liberi intorno ai codoli
Oltre ai vari design è indicato anche lo spazio
libero intorno al codolo di saldatura. La zona
grigia mostra dove il componente poggia
direttamente sul circuito stampato.
4,05 0,55
4,42
Profondità
0,5 mm
5,08
Disegno dello spazio libero
0,66
2
Two in One – Componenti multipolari
Maggiore è il numero di poli e di conseguenza
la lunghezza di un componente THR,
minore è la finestra di processo nella quale
può essere lavorato. Contemporaneamente
aumenta l'entità degli adeguamenti nel processo.
Tolleranza del componente
Con l'aumentare della lunghezza, diventa
difficile conservare la precisione del passo e
la flessione del connettore subisce un incremento.
Massa del componente
Il peso del componente, necessariamente
elevato, rallenta il processo Pick and Place;
un'accelerazione diventa problematica, se non
impossibile da realizzare.
Confezionamento
Le confezioni su nastro per componenti multipolari
spesso non rientrano negli standard
e necessitano di speciali adeguamenti delle
unità di alimentazione.
Con la soluzione “Two in One” per connettori
maschi COMBICON THR, si possono
realizzare componenti multipolari da 13 a 24
poli. I connettori maschi THR sono composti
da 2 segmenti disposti sul circuito stampato.
I segmenti sono ridotti della misura delle
rispettive pareti laterali interne. Ciò consente
di creare spazio per un equipaggiamento
senza contatto e un allineamento delle prese.
In seguito alla saldatura reflow, si ottengono
le stesse proprietà che caratterizzano i connettori
maschi monolitici, il comfort di innesto
si mantiene quindi su un buon livello qualitativo.
I vantaggi sono costituiti da un'elevata
stabilità dimensionale e da una flessione
ridotta/minima dei segmenti più corti, da una
riduzione della massa del componente e dal
confezionamento su nastri di larghezza standard,
per il quale è disponibile un feeder.
Connettori Two in One per
equipaggiamento automatico su
nastro Tape On Reel standard
PHOENIX CONTACT 7

Componenti THR a colori
Inizialmente la tecnologia THR disponeva
solo di materiali beige, trasparenti o neri,
colorati con nerofumo di diverso spessore.
Con il crescente successo di mercato di
questa tecnologia non solo si è ampliato il
portafoglio di prodotti possibili, ma anche
l'esigenza di varianti a colori.
I materiali di base sono stati quindi colorati
con pigmenti e due fattori hanno inciso in
modo determinante sul risultato: la stabilità
del pigmento colorato alle elevate temperature
di processo e la possibilità di creare la
tonalità desiderata. Attualmente è disponibile
un numero limitato di componenti colorati,
la cui tonalità spesso si discosta leggermente
dalla tradizionale tonalità standard.
Una scelta maggiore è offerta dal poliammide,
immediatamente seguito dai PPA, mentre
gli LCP si trovano in cima alle richieste.
In questo caso infatti sono state realizzate
fino ad ora solo alcune tonalità di colore.
In stretta collaborazione con i produttori di
materiali plastici si cercherà di ampliare la
gamma di varianti.
Connettori THR a colori in poliammide HT
Varianti a colori
Influenza della geometria del codolo di saldatura
Nel processo THR i componenti cablati vengono
inseriti nei fori, precedentemente riempiti
con pasta saldante, mediante processo
serigrafico. In questo caso, la geometria delle
connessioni dei componenti riveste un ruolo
fondamentale.
Foro nel
c.s.
Foro nel
c.s.
Foro nel
c.s.
Generalmente si distinguono tre tipi di geometria
di connessione:
Contatto
di saldatura quadrato
Contatto
di saldatura tondo
Contatto
di saldatura rettangolare
In base alla geometria
dei pin di collegamento,
la quantità
di pasta saldante
necessaria varia.
Il successivo grado di
riempimento dipende
in maniera sostanziale
dal corretto rapporto
tra il volume
dei pin e il volume
del foro.
L'effetto reflow si
crea per capillarità.
La pasta saldante
aderita al codolo di
saldatura dopo la
fusione viene risucchiata
nel foro presente
sulla superficie
del circuito stampato.
Se le forze capillari
non riescono ad agire
nel modo corretto a
causa di geometrie
sfavorevoli, come nel
caso di connessioni
troppo sottili, si può
verificare una perdita
di pasta (ad es.
mediante sgocciolamento).
La finestra di
processo, in questo
caso, si riduce e
aumenta la difficoltà
di ottimizzazione.
Contatto di saldatura THR tondo (connettori M12)
Codoli di saldatura rettangolari, volumi di pasta
insufficienti, in questo caso senza perdita di pasta
– ottimizzazione necessaria!
8 PHOENIX CONTACT

Contatti dorati
Alcune applicazioni richiedono l'uso di contatti
dorati. Generalmente i residui di oro in
un punto di saldatura sono considerati critici,
poiché portano alla formazione di strati di
stagno-oro, che a lungo andare possono
infragilirsi e quindi danneggiare il punto di
saldatura. Nella tradizionale saldatura a onde,
lo strato dorato in prossimità della saldatura,
in caso di codoli di contatto completamente
dorati, viene rimosso per ridurre questo
rischio. Nella tecnologia THR, il limitato
apporto di pasta saldante fa sì che l'oro
rimanga nel punto di saldatura.
Per questo motivo, i codoli di Phoenix
Contact sono parzialmente dorati. Il lato
contatti è dorato, mentre il lato saldatura è
stagnato.
Codoli parzialmente dorati
Connettore maschio THR con codoli parzialmente
dorati
Scelta della corretta lunghezza del codolo di saldatura
Nella scelta della corretta lunghezza del
codolo di saldatura è necessario tenere presente
anche il metodo e il tipo di processo
di saldatura. In generale nei processi senza
piombo è consigliato utilizzare codoli corti a
causa della notevole variazione dei parametri
della pasta saldante.
Ciò vale in particolare per i processi a fase
di vapore, nei quali, indipendentemente dalla
pasta utilizzata, il condensato si deposita sul
cuneo di saldatura all'estremità del codolo
con possibile perdita di pasta.
Al contrario, con codoli molto corti e incassati
nel circuito stampato è possibile realizzare
punti di saldatura ottimi. Per quanto
riguarda l'ispezione IPC, non esistono in questo
caso criteri di qualificazione e il rischio
deve quindi essere valutato singolarmente.
Lunghezza pin (standard) Convezione THR Fase di vapore THR
1,4 mm
Saldatura ottimale!
Ispezione secondo
IPC impossibile!
Saldatura ottimale!
Ispezione secondo
IPC impossibile!
2,6 mm Ottimale! Ottimale!
3,4 mm
Preferibile per processi
con piombo.
Finestra di processo ridotta
nei processi senza piombo.
Adeguata
con riserva.
Rischio di perdita
di pasta.
Sconsigliata!
PHOENIX CONTACT 9

Interazione tra la lunghezza del codolo di saldatura e la pasta saldante
Nel processo THR si ha l'interazione dei vari
elementi interessati: circuito stampato, pasta
saldante, componenti e tipo di procedimento
reflow. Tali elementi influiscono sul risultato,
in modo particolare la pasta saldante utilizzata.
Il passaggio a processi di saldatura senza
piombo implica condizionamenti anche sul
processo di saldatura THR senza piombo.
Pasta
Superficie
c.s.
Processo
di saldatura
Componenti
Per il processo di saldatura è quindi disponibile
un quantitativo di pasta sufficiente che,
durante il processo serigrafico, viene pressata
in modo mirato sulla parte inferiore del circuito
stampato.
I componenti THR di Phoenix Contact sono
attualmente dotati di codoli che sporgono
sopra la parte inferiore del circuito stampato
di 1 mm. Per paste di saldature critiche e
senza piombo (riempimento lento e ridotta
adesione al codolo) sono disponibili codoli di
lunghezza inferiore. Codoli molto corti consentono
di utilizzare anche paste di saldatura
con e senza piombo, che tendono a sgocciolare.
La valutazione dei punti di saldatura per
questo particolare formato è tuttavia limitata
(vedere anche "Ispezione dei punti di saldatura"
a pagina 21).
La pasta di saldatura pressata rimane attaccata
alla punta dei codoli e costituisce il deposito
per il processo di saldatura conclusivo.
N.B.: un codolo il più possibile corto impedisce
il gocciolamento della pasta di saldatura.
Per i sistemi di reflow a fase di vapore, si
consiglia di utilizzare un codolo corto, poiché
la condensa appesantisce ulteriormente le
gocce di pasta saldante.
Materiali resistenti alle alte temperature – HT
Nel profilo dei requisiti di un materiale per
componenti THR, fondamentale è la resistenza
alle alte temperature temporanee.
Contemporaneamente lo spettro delle prestazioni
di un componente THR deve variare
il meno possibile rispetto alla saldatura ad
onde.
Nei materiali plastici resistenti alle alte temperature,
i requisiti di isolamento rientrano,
in parte, tra quelli delle materie plastiche
standard. Per questo motivo occorre tenere
in considerazione dati e tensioni di dimensionamento
bassi. Attualmente su richiesta
vengono utilizzati poliammidi (PA 4.6), LCP
(Liquid Crystal Polymer) o PCT.
L'esigenza di una resistenza alle alte temperatura
è stata ulteriormente rafforzata dal
passaggio ai processi senza piombo. In media,
il livello di temperatura d'esercizio è stato
aumentato del 30 – 40°C. Poiché la temperatura
massima per molti componenti è limitata
a 255 - 260°C, la finestra di processo si
riduce automaticamente.
La processabilità di un componente realizzato
con un determinato materiale resistente alle
alte temperature deve essere qualificata in
base alla norma IPC / JEDEC J-STD-020D.
10 PHOENIX CONTACT

Qualificazione dei componenti
THR secondo J-STD-020D
L'obiettivo della norma di qualificazione
IPC/JEDEC J-STD-020D è di stabilire l'assorbimento
di umidità nei materiali, che
sotto esposizione alle sollecitazioni termiche
della procedura di reflow potrebbe
comportare la distruzione (sotto forma
di formazione di bolle), delaminazione o
deformazione del componente. In funzione
della geometria del componente e indirettamente
della scelta del materiale, vengono
stabiliti dei "livelli", che determinano il tipo
di confezione (ad es. in sacchetti essiccanti)
e la lavorazione in atmosfere normalmente
presenti nei processi SMT.
Classificazione dei requisiti dei componenti reflow
In una serie di esperimenti di base, al componente
è stata applicata la temperatura di
picco massima necessaria di 260°C per oltre
30 sec., nell'ambito di un processo di saldatura
reflow simulata. Nella pratica, tuttavia,
i componenti con custodia di grande spessore
o volume non presentano la stessa resistenza
alle alte temperature di picco garantita
dai componenti di volume e spessore ridotto.
Di conseguenza, indipendentemente dal
materiale selezionato, per i primi componenti
sono stati stabiliti requisiti di resistenza alla
temperatura di picco più bassi.
Determinazione dei requisiti di resistenza
alle temperature di picco massimo
consentite in funzione del volume e
dello spessore della custodia.
In funzione del comportamento di assorbimento
di acqua del materiale per alte temperature
utilizzato, si deterrmina un livello
target.
Volume
componente
> 2000 mm 3
350 – 2000 mm 3
260 °C 245 °C 245 °C
260 °C
250 °C
245 °C
260 °C 260 °C 260 °C
< 350 mm 3 1,6 mm – 2,5 mm ≥ 2,5 mm
I componenti THR
di Phoenix Contact
rientrano in
questa categoria di
dimensionamento:
• Spessore componente
≥ 2,5 mm
• Volume componente
> 350 mm3

Determinazione del requisito di tempo
massimo di apertura consentito = sicura
lavorazione senza danni nel processo
di reflow.
∞
Con il termine lavorazione aperta si intende
il prelievo del componente asciutto da una
confezione a tenuta d'aria e la lavorazione
entro il periodo di tempo indicato dal livello.
In questo periodo di tempo, il componente
può assorbire umidità, senza danneggiare il
processo di reflow.
I componenti, che non assorbono umidità o
solo quantità trascurabili, sono candidati per
il livello 1 “unlimited” senza ulteriore imballo
a secco (Drybag). I componenti, soggetti ad
assorbimento dell'umidità, sono classificati in
Livello 2 (1 anno) a Livello 3-6 (poche ore)
Tali componenti devono essere necessariamente
imballati in confezioni Drybag.
Tempo aperto
Illimitato
1 Y
1 anno
4 W 168 72 48 24 TOL
4 settimane
168 h
1 2 2a 3 4 5 5a 6
72 h
48 h
24 h
Data sull'etichetta
Livello
Ciclo di prova, determinazione del livello MSL (Moisture Sensitive Level)
Di seguito viene descritto il ciclo di prova, con il quale viene testata la target class.
Definizione della target class Essiccazione 4 h a 125°C
Definire la nuova
target class
Esposizione
Assorbimento di umidità
secondo Target class
Saldatura reflow
con profilo temperatura secondo
"Classificazione formato
componente"
3 cicli di
reflow
Non
superata
Ispezione
Superata
Il componente viene
raggruppato secondo
la target class per la quale
l'ispezione è stata superata
12 PHOENIX CONTACT

Le prove vengono generalmente condotte
con temperature di picco di 260°C. Solo in
caso di mancato superamento, la temperatura
di picco viene ridotta a 250°C o 245°C, in
base alle indicazioni della norma per determinate
dimensioni e volumi dei componenti, ma
viene mantenuto il livello auspicato. Se anche
questa prova non viene superata, si stabilisce
un nuovo livello target e si ricomincia con
una temperatura di picco di 260°C. Solo
quando sul componente non si verificano più
danni, è possibile determinare il livello MSL
definitivo. Conformemente a quanto indicato
dalla norma, i componenti vengono quindi
imballati e contrassegnati.
Livello non superato – necessario
nuovo ciclo di prova
Confezionamento
Per i componenti compatibili con la saldatura
reflow senza piombo, Phoenix Contact
conferma una lavorabilità in conformità alla
norma IPC/JEDEC J-STD 020D con indicazione
dei rispettivi livelli MSL (Moisture Sensitive
Levels) per la gamma di prodotti.
Componenti in sacchetto standard – MSL 1
Componenti in Drybag – ad es. MSL 3
Etichetta
PHOENIX CONTACT 13

Integrazione nel processo – Presupposti per
il layout del circuito stampato, pressione della
pasta, equipaggiamento, saldatura e ispezione
L'integrazione ottimale nel processo inizia
con il layout del circuito stampato. Qui si
pongono le basi per il migliore risultato di
saldatura possibile. Anche la corretta applicazione
della pasta influisce notevolmente
sul risultato finale e per l'equipaggiamento
esistono regole, che devono essere osservate.
Il processo di saldatura e l'ispezione
finale sono descritti in dettaglio nelle
norme.
Layout circuito stampato
1. Design pad/anello
Per quanto riguarda il dimensionamento
dell'anello sono validi gli stessi requisiti dei
pad realizzati con saldatura a onde. Tenendo
conto delle distanze in aria e superficiali e
dello spazio libero sotto il componente intorno
al codolo, l'ampiezza dell'anello deve essere
compresa tra 0,2 e 0,5 mm. Il volume di
pasta potenzialmente maggiore su anelli ampi
può influire positivamente sulla qualità della
saldatura (formazione di menisco).
2. Diametro del foro
Per poter utilizzare la tecnologia THR è
necessario apportare alcune modifiche al
layout del circuito stampato. A tale proposito
è importante la scelta del diametro del foro,
che deve garantire, da una parte, un buon
riflusso della pasta di saldatura nel processo
di reflow attraverso il foro e dall'altra anche
un'elevata precisione dei sistemi di equipaggiamento.
Una dimensione adeguata del foro
permette di compensare le tolleranze di
lavorazione e garantisce un'elevata sicurezza
dell'esecuzione.
d
d i
d = diagonale codolo quadrangolare utilizzato
d i
= diametro interno foro
La formula empirica per il calcolo di un
diametro del foro adeguato è
d i
= d + 0,3 mm
14 PHOENIX CONTACT

Nella pratica risultano tolleranze di lavorazione
maggiori con l'aumentare della lunghezza
del componente. Per incrementare la sicurezza
dell'esecuzione in caso di componenti
multipolari di grosse dimensioni, può essere
necessario aumentare il diametro interno
di max. 0,1 mm. Per i componenti THR di
Phoenix Contact sono indicati, per ogni
singola serie, i diametri di foro consigliati in
base al numero di poli.
Esempio:
Per la serie CC, fino a 5 poli è consigliato
un foro di diametro 1,5 mm.
A partire da 6 poli, il diametro aumenta a
1,6 mm.
1954537 CC 2,5/8-G-5,08 P26THR
Informazioni su questo articolo
Dimensioni / poli
Passo
5,08 mm
Misura a
35,56 mm
N. di poli 8
Dimensioni codolo
1 x 1 mm
Distanza codolo
5,08 mm
Diametro foro
1,6 mm
Pressione della pasta
1. Serigrafia per componenti THR
Nel processo di stampa, la pasta di saldatura
per i componenti SMD (montaggio superficiale)
e i componenti THR (Through Hole
Montage) viene applicata contemporaneamente
mediante una sagoma sui pad/anelli.
Attualmente vengono utilizzate sagome con
uno spessore da 100 a 150 µm.
Sulla stampante, tuttavia, è possibile modificare
la pressione di passaggio regolando i
parametri di angolazione e velocità della racla
(eventualmente mediante la compressione
nell'apposita cartuccia nei sistemi chiusi).
I processi di stampa dipendono dalla pasta
di saldatura utilizzata e dalle strutture Fine
Pitch dei componenti SMT e devono essere
influenzati solo lievemente dalla stampa THR
eseguita contemporaneamente.
P1
V
α1
α2 < α1
Sistema a racla chiuso
P2 > P1
P2
V
α2
Pressione passante in
funzione dell'angolazione
della racla
2. Volume di pasta necessario per componenti THR
Il volume della pasta compressa deve essere
il doppio del volume della pasta saldante
desiderato per la connessione, poiché una
grossa porzione della pasta è costituita da
coadiuvanti di saldatura, come gli attivatori e
fondenti. Nella pratica sono consigliate due
varianti di stampa:
1
0 – 0,5 mm
2
100 – 150 µm
Spessore sagoma
3
4
100 – 150 µm
Spessore sagoma
Variante A:
Pasta di saldatura con ridotta tendenza al
gocciolamento
– Sovrastampa non necessaria (1)
– Pressione di passaggio mirata della pasta
di saldatura fino a 0,5 mm sotto il circuito
stampato (2)
Variante B:
Pasta di saldatura con elevata tendenza al
gocciolamento
– Sovrastampa dell'asola di saldatura (3)
come deposito di saldatura aggiuntivo
– Riduzione della quantità di pasta applicata
grazie all'inserimento di blocchetti nella
sagoma (4)
PHOENIX CONTACT 15

3. Pressione standard (variante A)
La pressione della pasta determina l'aspetto
e la qualità del punto di saldatura. La regolazione
della quantità di pasta può avvenire
modificando la sagoma.
d S
= d A
– 0,1 mm dove
d A
= d i
+ 2*R
d s
Utilizzando una pasta saldante con ridotta
tendenza al gocciolamento (variante A), il
calcolo della sezione della sagoma avviene
secondo il seguente schema:
(d S
Sezione della sagoma Ø)
(d A
Asola di saldatura Ø)
(d i
Foro Ø)
(R Larghezza anello)
R
d i
d A
R
In questa variante si evita una sovrastampa
della pasta sulla vernice isolante. Il deposito
di pasta necessario risulta dalla compressione
della pasta sul lato inferiore del circuito
stampato.
Vantaggio: la sagoma si chiude sull'asola
di saldatura.
– Nessuna formazione di perle di saldatura.
– Nessuna sottostampa e quindi riduzione
dei cicli di pulizia.
Sagoma
Vernice isolante
Circuito stampato
Pasta
Anello
4. Pressione di passaggio ridotta (variante B)
Se la pasta utilizzata tende a sgocciolare o i
fori per i componenti utilizzati sono troppo
grossi, è necessario ricorrere ad un'altra
strategia. In questo caso è consigliabile l'inserimento
di blocchetti nella sagoma che delimitino
il flusso della pasta. Un ulteriore (piccolo)
deposito può essere applicato mediante
una sovrastampa mirata sulla superficie del
circuito stampato.
Dime di foratura alternative con blocchetti e
diametri maggiori:
d S
S
Blocchetto
– A confronto: nessuna sovrastampa, senza blocchetto
– Sovrastampa di 50 µm e blocchetto di 0,3 mm
R
d i
R
– Sovrastampa di 100 µm e blocchetto di 0,5 mm
16 PHOENIX CONTACT
Sezioni della sagoma

5. Risultati di saldatura con pressione ridotta della pasta
Il seguente esperimento con codoli da
1,4 mm in un circuito stampato di spessore
1,6 mm mostra chiaramente che aumentando
la larghezza del blocchetto, il volume della
pasta di saldatura diminuisce e i menischi di
saldatura diventano sempre più sottili.
Nessun blocchetto
Nessuna sovrastampa
Blocchetto 0,3 mm
Sovrastampa 50 µm
Sezioni della sagoma
Qualità di stampa
parte inferiore
del circuito stampato
Micrografie
Punti di saldatura
Blocchetto 0,5 mm
Sovrastampa 100 µm
Equipaggiamento
1. Equipaggiamento automatico – Pick and Place
Gli elementi di connessione al circuito stampato
sono solitamente montati a mano, in
particolare per i processi saldatura a onde.
L'integrazione di componenti THR nell'equipaggiamento
automatico nei processi di
reflow si rivela vantaggiosa in termini di
costo.
Per le loro dimensioni e il peso, tuttavia, i
componenti THR possono essere posizionati
solo con dispositivi automatici Pick and Place.
In questo caso la velocità di posizionamento
si riduce (nessuna perdita di componenti) ed
è disponibile un'altezza per l'equipaggiamento
da 25 a 40 mm. I componenti vengono prelevati
mediante pipette aspiranti standard.
Il componente viene prelevato (Pick) in posizioni
predefinite, fatto passare quindi davanti
ad una telecamera e misurato, infine collocato
in posizione sul circuito stampato (Place).
Per la gestione del processo, i componenti
THR devono essere disponibili in confezioni,
che vengono solitamente utilizzate nella produzione
SMT. Il formato più comune in questo
caso è su nastro (Tape on Reel).
Per componenti di grosse dimensioni o dalla
geometria particolarmente impegnativa è
possibile utilizzare caricatori piatti (Tray) o a
barra (Tube).
“Pick” del componente dal nastro
Rilevamento da parte della telecamera per
la misurazione
“Place” del componente sul circuito stampato
PHOENIX CONTACT 17

2. Confezionamento su nastro – Tape on Reel
La più comune forma di fornitura per componenti
SMT e THR è la confezione Tape on
Reel. Per i componenti THR vengono utilizzati
rotoli di larghezza standard 24 / 32 / 44 / 56 / 72 e
88 mm. A causa delle dimensioni dei componenti,
in particolare in caso di componenti
verticali, è necessario verificare se i raggi
disponibili nel feeder sono sufficienti per l'inserimento
e l'estrazione del nastro nel dispositivo
automatico.
Confezione Tape on Reel
Raggio del nastro adeguato al feeder
Componente per feeder troppo grosso
Lo spazio a disposizione sul piano del feeder
di un dispositivo automatico è sempre limitato.
Di conseguenza deve essere sfruttato
in modo ottimale. Versioni di feeder speciali
sono costose, sono quindi preferibili larghezze
standard comprese tra 24 mm e 56 mm,
che tuttavia limitano la lunghezza del componente
sul nastro.
A causa di queste limitazioni i connettori
multipolari sono disponibili nella versione
Two in One. In questo caso, il dispositivo
automatico posiziona separatamente la metà
sinistra e la metà destra del componente.
Il vantaggio consiste nella possibilità di sfruttare
il feeder standard disponibile, senza
dover affrontare altri costi. Rimangono inalterate
le principali routine come "l'equipaggiamento
caotico". Non sono necessarie costose
programmazioni che rispettano sequenze
prestabilite.
Connettore Two in One multipolare in 2 corsie sul
piano del feeder
Spazio limitato sul piano del feeder
Con la soluzione Two in One è possibile
realizzare connettori multipolari sul
circuito stampato
18 PHOENIX CONTACT

3. Confezioni alternative – Tube o Tray
Molti componenti SMD piatti richiedono una
confezione Tray. Di conseguenza spesso è
necessaria anche un'unità di alimentazione
Tray nel sistema di equipaggiamento automatico.
Anche i voluminosi componenti THR
possono essere confezionati in Tray, favorendo
lo sfruttamento ottimale dell'approvvigionamento
dei Tray e l'inserimento
dei componenti.
I componenti, il cui formato rende complicato
e più costoso il confezionamento su
nastro o Tray, sono disponibili in confezioni a
magazzino (Tube). Anche in questo caso sono
necessarie unità di alimentazione speciali sui
dispositivi di equipaggiamento automatico.
Nel complesso, tuttavia, i componenti THR
possono essere integrati nel processo.
Componenti THR voluminosi in Tray Confezionamento in Tube Versione speciale “Pin-Strip” in Tube
Saldatura
1. Processo di saldatura Through Hole Reflow
Dopo l'equipaggiamento, il materiale di saldatura
sotto forma di goccia di pasta ("testa di
fiammifero") si trova sulla punta del codolo
sotto il foro. Nel successivo processo di saldatura,
la pasta si fonde raggiungendo la temperatura
di liquefazione e si stende, con l'ausilio
dell'effetto capillare, lungo i fianchi del
codolo attraverso il foro. Nella fase di raffreddamento
che segue, una parte della pasta
saldante sprofonda verso il basso e forma il
caratteristico cuneo di saldatura. Le paste di
saldatura senza piombo sono caratterizzate
da un comportamento di riempimento più
lento rispetto alle paste contenenti piombo.
Per questo motivo per i componenti THR
si utilizzano superfici in stagno puro, appositamente
studiate per compensare questo
effetto.
La sporgenza del codolo sotto il circuito stampato
riveste un ruolo fondamentale nella fusione
della pasta di saldatura. La pasta di saldatura
compressa deve continuare a mantenere il
contatto con il foro (anello), per ottenere un
buon effetto di reflow. Codoli corti riducono
il rischio di perdita di pasta causata dallo sgocciolamento
(vedere anche "Influenza della lunghezza
del codolo di saldatura" a pagina 10).
Gocce di pasta sulle punte del codolo
Processo di fusione nel forno di reflow
PHOENIX CONTACT 19

2. Tecnologie di saldatura
L'attuale processo SMD si serve principalmente
della tecnologia di saldatura a convezione
(grado di diffusione ca. 75%), seguita
dai sistemi di saldatura a fase di vapore
(< 20%). Molto raramente si utilizzano forni
di saldatura a raggi infrarossi.
Il forno di saldatura a convezione è caratterizzato
dalla massima ampiezza di produzione
grazie al suo processo di esecuzione e
all'innovativa gestione, con calore superiore
e inferiore regolabile. Per quanto riguarda la
tecnologia THR, le limitazioni sono rare e
condizionate dal modello.
I forni di saldatura a fase di vapore sono stati
ulteriormente perfezionati negli ultimi anni.
Questa tecnologia di saldatura a forno, con
la sua elevata ampiezza di produzione, acquisisce
un'importanza ancora maggiore grazie
alla produzione "Inline". Per poter utilizzare
i componenti THR è necessario prestare
attenzione ad una particolarità: Anche il condensato
che si deposita sulla goccia di pasta
può causare uno sgocciolamento. Tale situazione
può essere ovviata utilizzando codoli
di lunghezza ridotta (vedere anche "Influenza
della lunghezza del codolo di saldatura" a
pagina 10).
Forno di saldatura a convezione
3. Situazione normativa per il processo di reflow
Camera di saldatura di una fase a vapore
Le attuali norme per la lavorazione di componenti
nei processi di reflow senza piombo
si limitano ai componenti SMD, per cui la
trasferibilita dei requisiti e delle prove di
qualificazione può avvenire solo in conformità
con queste norme.
1. Una norma che descrive il processo di
saldatura è la DIN EN 61760-1 – Tecnica di
montaggio superficiale – Procedimento normalizzato
per la determinazione dei componenti
montabili superficialmente (SMD).
2. Le condizioni del processo descritte in
DIN IEC 60068-2-58 – Test methods for
solderability, resistance to dissolution of
metallization and to soldering heat of surface
mounting devices (SMD) – servono per la
qualificazione. I profili di saldatura descritti
nell'ambito di applicazione della norma possono
essere utilizzati come base, soprattutto
perché i componenti di connessione al circuito
stampato idonei al processo di reflow
sono saldati insieme ai componenti SMD e i
requisiti sono quindi trasferibili. Lo svantaggio
consiste nel fatto che i componenti, che non
supportano alcun tipo di profilo, secondo
questa norma non possono essere qualificati,
sebbene nella pratica, a temperatura di picco
molto basse e andamento di profilo simile, è
possibile realizzare una saldatura perfetta ai
sensi di DIN EN 61760-1.
3. Una verifica ispettiva per i componenti è
indicata nella norma IPC/JEDEC J-STD-020D-
Moisture/Reflow Sensitivity Classification
for Nonhermetic Solid State Surface Mount
Device.
La verifica è descritta al punto "Qualificazione
di componenti THR" (a pagina 12). In linea
di massima la norma IPC/JEDEC J-STD-020D
descrive solo le condizioni qualitative per il
materiale della custodia, e non la procedura
di saldatura.
In generale i profili JEDEC vengono descritti
rispetto a quelli IEC come maggiormente
sollecitanti, ed in particolare nella pratica i
profili possono essere strutturati più flessibilmente
pur rientrando nell'ambito del profilo
di qualifica.
4. Profilo di saldatura consigliato
Nella pratica si tende sempre ad effettuare la
saldatura ai limiti inferiori delle sollecitazioni
termiche. Le comuni temperature di picco
vanno da 235°C a 245°C per le leghe di saldatura
SnAgCu diffuse in tutto il mondo.
Segue un profilo pratico consigliato (parte
superiore componente): Per i componenti
compatibili con la saldatura reflow senza
piombo, Phoenix Contact conferma una lavorabilità
in conformità alla norma IPC/JEDEC
J-STD 020D con indicazione dei rispettivi
livelli MSL (Moisture Sensitive Levels) per la
gamma di prodotti. In alcuni casi sono indicate
le temperature "Peak Body" massime
consentite.
Temperatura °C
Profilo saldatura reflow senza piombo (SnAgCu)
250
217°C
200

Ispezione
1. Requisiti del punto di saldatura
Per ispezionare i punti di saldatura THR si
può fare riferimento alla norma IPC-A-610D.
La valutazione del cuneo di saldatura sopra
e sotto il circuito stampato richiede necessariamente
che i codoli sporgano dalla saldatura.
Per codoli, la cui estremità termina
nel circuito stampato, non esistono criteri di
valutazione.
Un punto di saldatura può essere qualificato
di classe 3 – Prodotti di massima affidabilità –,
se sono soddisfatte le seguenti condizioni:
Grado di riempimento
riempimento verticale minimo
richiesto 75%
Riempimento complessivo
Lato di destinazione della saldatura
270° o 75%
Lato di provenienza della saldatura
330° o 92%
Riempimento dell'asola di saldatura
Lato di destinazione della saldatura: Riempimento
dell'asola di saldatura non necessario
Lato di provenienza della saldatura:
Riempimento dell'asola di saldatura 75%
2. Qualità dei punti di saldatura THR senza piombo
I punti di saldatura THR hanno caratteristiche
molto simili ai punti della saldatura a
onde o selettiva. La principale differenza è
costituita dalla forma del cuneo di saldatura.
Essendo disponibile meno pasta, per ragioni
di processo, i cunei di saldatura formati sono
più piccoli o solo accennati.
Questo aspetto particolare deve essere
concordato con la garanzia della qualità e
valutato utilizzando sistemi di ispezione
automatici (AOI).
PHOENIX CONTACT 21

Codolo standard – Risultati con saldatura senza piombo (SnAgCu)
Il codolo leggermente sporgente sulla parte
inferiore del circuito stampato soddisfa il
requisito minimo di possibilità di valutazione
del punto di saldatura secondo la norma.
In caso di concordanza ottimale di tutti i
parametri, i requisiti sono soddisfatti praticamente
al 100% per tutti i criteri. Nella micrografia
è raggiunto un grado di riempimento
pari ad almeno il 75%. Su entrambi i lati si
formano piccoli cunei di saldatura. La possibile
formazione di una cavità di ritiro dipende
in larga misura dalla pasta utilizzata.
Valutazione grado di riempimento per codolo di
2,6 mm in un circuito stampato di spessore 1,6 mm
Riempimento perfetto dell'asola di saldatura e
riempimento complessivo del 100%
Punto di saldatura THR tipico sottile sulla parte inferiore
del c.s. con riempimento dell'asola di saldatura
oltre il 75% e riempimento complessivo 100%
Forma speciale "codolo svasato"
Per alcuni layout è opportuno utilizzare
codoli svasati, soprattutto nel caso in cui
è necessario mantenere una certa distanza
rispetto al lato opposto del circuito stampato.
In questo caso viene utilizzato un codolo
svasato, che non sporge dal foro del circuito
stampato e il cui punto di saldatura non è
quindi qualificabile a norma IPC-A-610D.
Per valutarne la qualità è stato necessario
ricorrere a particolari strategie. Le micrografie
mostrano anche in questo caso un
grado di riempimento affidabile e una buona
formazione del cuneo di saldatura sotto il
componente.
La resistenza meccanica dei punti di saldatura
dei codoli svasati è inferiore del 15% circa
rispetto ai punti di saldatura con formazione
di menisco su entrambi i lati. La resistenza
meccanica delle due varianti supera di molto
quella di un semplice montaggio superficiale.
Valutazione grado di riempimento per codolo da
1,4 mm in un circuito stampato di spessore 1,6 mm
Valutazione del riempimento complessivo e
dell'asola di saldatura secondo IPC, non definita
Punto di saldatura sulla parte superiore del c.s.:
riempimento complessivo e dell'asola di saldatura
conforme alle norme
22 PHOENIX CONTACT

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