Come si salda un SMD?

[nikiT]

Grazie per i consigli! Sono in debito!

[venexian]

Boiler, puoi provare a menarla quanto vuoi, ma la tua affermazione

Saldarli a mano vuol dire distruggerli.

è falsa.

Non è vero che saldare un condensatore multistrato SMD con il saldatore a mano vuol dire distruggerlo. Non sono io ad affermarlo, ma la realtà quotidiana. E questo non solo nei laboratori dove è in pratica l'unico metodo utilizzato per lavorare sui prototipi, ma anche di molte linee di produzione, dove i ritocchi a fine linea vengono fatti proprio con il saldatore stilo.

AVX è forse, insieme a Murata, il maggior produttore di componenti ceramici. Ovviamente consiglia di saldare i suoi componenti in rifusione. Ovvio. Ma certo non afferma che si distruggono se saldati a mano.

Ancora più interessante è questo documento, parte del corso sull'assemblaggio dei componenti ceramici tenuto da Eptac, leader nei corsi di saldatura e nella certificazione IPC.

Lo stress termo-meccanico subito da un condensatore ceramico saldato a mano è simile a quello che si ha nella saldatura a onda, e ogni giorno sono milioni i condensatori saldati con questi metodi.

Fare inutile terrorismo affermando che saldare a mano un condensatore ceramico vuol dire distruggerlo, non è buona informazione.

[boiler]

Venexian, non ho dubitato nemmeno per un istante che tu volessi avere l'ultima parola.
Mi sta tutto bene, ma questo no:

Boiler, puoi provare a menarla quanto vuoi, ma la tua affermazione

Saldarli a mano vuol dire distruggerli.

è falsa.

Uno può attaccarsi alle sfumature linguistiche usate.
Può attaccarsi alla probabilità che il difetto si presenti o meno.
E uno può anche preferire i suoi test alle raccomandazioni del fabbricante.

Ma resta il fatto che tutti i produttori di MLCC sono d'accordo.
Anche AVX (chiaro che poi ognuno cita la parte di documento che piú gli comoda): http://catalogs.avx.com/SurfaceMount.pdf

Thermal shock is common in MLCs that are manually attached or reworked with a soldering iron. AVX strongly recommends that any reworking of MLCs be done with hot air reflow rather than soldering irons. It is practically impossible to cause any thermal shock in ceramic capacitors when using hot air reflow.
However direct contact by the soldering iron tip often causes thermal cracks that may fail at a later date. If rework by soldering iron is absolutely necessary, it is recommended that the wattage of the iron be less than 30 watts and the tip temperature be <300ºC. Rework should be performed by applying the solder iron tip to the pad and not directly contacting any part of the ceramic capacitor.

(la formattazione rispecchia il testo originale, le parti evidenziate lo sono nel documento di AVX, non per mia scelta)

Vista l'attenzione che presti alle sfumature di significato di quello che si scrive, non ti sarà sfuggito il " If rework by soldering iron is absolutely necessary...".

Il caso mi sembra abbastanza chiaro, ma per completezza aggiungiamo il parere di Nic Components:
https://www.niccomp.com/resource/files/ ... 032012.pdf

Cause: thermal stress
Sources: Hand Soldering
Behavior: Immediate or latent IR failure; increasing LC or erratic LC leading to short

(qui la formattazione invece è mia)

E anche di Kemet: http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArt ... edures.pdf

In hand soldering of the MLCC SMT capacitors, a manufacturer can utilize two hand soldering methodologies that include pre-heating or no pre-heating of the capacitors. KEMET recommends utilizing a pre-heating technique. However, due to the large temperature gradient between the capacitors and the tip of the soldering iron and the general lack of strenuous process control techniques manual soldering is not typically recommended. The thermal stresses from the large thermal gradients and the propensity of the operator touching the tip of the soldering iron to the device can lead to mechanical damage such as cracking or breaking of the devices and can ultimately end up on electrical failures.

Poi, come già detto, ognuno fa come preferisce.

@ nikiT: segui i consigli di Venexian. Io sono qui solo per menarmela.
@ venexian: passo e chiudo, così puoi avere l'ultima parola.

[luxinterior]

Io ho questa

Senza lode senza infamia per quello che devo fare io basta e avanza.
Scomdo il piano di preriscaldo che si trova molto indietro e lavorarci non è agevole

Sul lavorare a mano o meno a volte si deve fare di necessità virtù. se posso faccio fare tutto a un terzista esterno e invidio le sue ragazze che con un tocco di stagnatore fanno tutto perfettamente.
Quando devo intervenire io sono delle botte termiche non indifferenti...
Comunque con l'aria calda anche io sono riuscito a piazzare un paio di QFN piccolini ma solo su campionature e prototipi, mai produzione.

[PietroBaima]

Mi sono permesso di farmi trascinare nella discussione, per curiosità.

Da hobbista ho sempre saldato con lo stilo, ma, essendo ignorante per quanto riguarda la produzione industriale, ho fatto una telefonata a chi di schede ne monta qualche milione l'anno e, lavorando anche nell'elettromedicale, ha bisogno che l'affidabilità del prodotto sia primaria rispetto a molti altri aspetti che diversamente classificheremmo come assolutamente importanti.

Premetto che il mio obiettivo NON è dare ragione o a boiler o a venexian, non ne sono per niente interessato.
Mi incuriosiva solo sapere quale fosse il metodo giusto di procedere.

Mi è stato detto che industrialmente i componenti che non hanno una piazzola termica vengono prima incollati con colla tissotropica rossa (non c'entra S.Gennaro) perché stiano fermi e poi avviene una saldatura automatica ad aria con preriscaldamento in forno, per evitare di stressare i componenti dal punto di vista della differenza termica.
Se invece hanno una piazzola termica ed è importante garantire un flusso termico corretto, si utilizzano delle leghe saldanti a più alto contenuto di rame, facendo dei preriscaldamenti diversi.

Mi viene riferito che un componente riesce a sopportare circa 10 volte meno uno stress termico asimmetrico, rispetto ad uno simmetrico. Questo però lo sapevo, perché molte volte mi sono stati chiesti modelli ondulatori di propagazione del calore su dispositivi (per la radiazione del calore prodotto dal circuito durante il suo funzionamento, però, non per la saldatura) e i progettisti erano interessati a garantire il rispetto di una massima differenza termica.

Nel caso in cui serva smontare il componente, questo prima viene dissaldato preriscaldando la scheda, poi rimuovendo manualmente lo stagno in eccesso con della calza, poi mentre viene raffreddato viene sollecitato con degli ultrasuoni per liquefare la colla tissotropica.
Tutto questo viene fatto non per riparare il dispositivo, che non è economicamente utile, ma per analizzare e capire i motivi del guasto, in laboratorio.
Chiaramente la rimozione del componente dalla scheda non deve peggiorare il guasto.
Spesso si fanno delle radiografie alla scheda.

In genere una sovracorrente provoca la fusione dei fili di bonding, mentre uno stress termico asimmetrico (che non dovrebbe avvenire se la radiazione del calore è stata progettata con cura, nemmeno durante un guasto) provoca in genere la formazione di cricche nelle ceramiche o nel silicio.

Poi ci sono degli effetti combinati, per esempio un surriscaldamento locale dovuto alla perforazione del dielettrico di un condensatore, il quale ha provocato una cricca. Questo è indice di un circuito mal progettato, sempre. Se il circuito non è stato alimentato correttamente oppure è stato maltrattato dall'utente non deve guastarsi la scheda in un punto a caso, ma la situazione deve essere dominata dalle protezioni che la scheda deve avere.

Molto interessante, trovo.

Da hobbista saldo tutto con il mio vecchio weller, senza manco il display...

[venexian]

Boiler, se prendi le discussioni come gare da vincere, non fai un servizio né a te, né a chi legge senza intervenire. Non c'è nessuna gara, ognuno è libero di fare le proprie affermazioni, ognuno è libero di confutare quelle degli altri. Se ti vuoi 'ritirare' sei altrettanto libero di farlo, io non vedo questa certo come la concessione di una vittoria a tavolino.

Il tuo atteggiamento nei riguardi dell'oggetto di questa discussione è lo stesso di chi ha letto il bugiardino del vaccino contro il morbillo, vi ha trovato scritto che tra gli effetti collaterali c'era pure l'autismo e ne ha dedotto che il vaccino per il morbillo causa l'autismo. Non è così, almeno per il mondo scientifico.

La stessa cosa è in quei datasheet. C'è scritto che se scaldi malamente il componente si può criccare, che usare un saldatore a stilo può scaldare malamente il componente, ma questo non significa che utilizzando il saldatore a stilo si distruggono tutti i condensatori ceramici.

Quando si parla di assemblaggio, in tutto il mondo si fa riferimento a IPC. Loro sono quelli che fanno le prove, le pubblicano e ne deducono le raccomandazioni per stabilire lo stato dell'arte. Se loro dicono che si può fare, io ci credo.

Nello specifico di questo thread, si parla di assemblaggio di prototipi, senza necessità di sottostare a specifiche medicali, militari, spaziali o similari. Giusto assemblaggio di prototipi 'consumer'. In questo caso, credo tutti, forse tu escluso, saldano anche i condensatori ceramici con lo stilo. Lo stesso vale per la fase di misura e troubleshooting che si fa sul tavolo del laboratorio. Lo strumento più pratico, più affidabile e meno invasivo è certamente lo stilo.

Nessuno sano di mente affermerebbe che in una produzione di serie si possa utilizzare lo stilo, non per una questione di cracking dei componenti, ma per una mera questione economica. E per gli assemblaggi 'speciali', come quelli citati sopra, le procedure sono talmente complesse, che stilo o non stilo conta veramente poco, tanto siamo su un altro pianeta.

Io da un paio d'anni collaboro con un'azienda elettronica di grandi dimensioni e ho il piacere di poter imparare da chi ha molta esperienza, ricambiando con le mie conoscenze di meccanica gli elettronici... che spesso ne sono a digiuno dai tempi della scuola. L'affidabilità dei prodotti è stato un argomento sul quale abbiamo lavorato molto e con mia soddisfazione ho visto che alcune modifiche alla meccanica delle schede elettroniche ha sortito effetti inimmaginabili.

L'idea che mi sono fatto, e sembra condivisa da molti, è che l'elettronica ha due killer vaganti. Uno sono le cariche elettrostatiche, l'altro sono le vibrazioni. Tutti i morti non dovuti ad errori di progetto o a funzionamenti fuori dalle specifiche sono da addebitare a uno di loro. Mai visto un componente criccato dalla saldatura, sia a onda, reflow o manuale. Gli anni saranno pochi, ma le schede che ho visto sono veramente tante.

Ripeto, Boiler, parliamone. Tranquillamente.

@PietroBaima

La procedura che hai descritto è un po' strana, probabilmente per la natura 'speciale' delle schede prodotte. Non capisco però come si saldino i componenti, mi pare manchi la lega di apporto, che in un qualche modo dovrebbe comparire.

Aggiungo le procedure che conosco io.

1) Onda
Si utilizza su schede che hanno anche componenti THT. Sulla board, lato inferiore, viene prima deposto serigraficamente il pattern di colla per i componenti, poi i componenti vengono posizionati con una o più macchine pick&place e il tutto va in un forno a bassa temperatura per polimerizzare la colla. Vengono poi inseriti, a mano o a macchina, i componenti THT, vengono rasati i terminali e si passa alla saldatura, composta da shiumaggio di flussante, preriscaldo e onda di stagno che lambisce i terminali e i componenti SMD. Segue l'ispezione e il ritocco, per eliminare i ponti di lega saldante, se presenti o per rinforzare le giunzioni deboli. Queste ultime operazioni vengono svolte manualmente da operatori, normalmente operatrici, con lo stilo.

2) Reflow
Si utilizza su schede con soli componenti SMT. Sulla board, lato superiore, viene deposta serigraficamente la lega saldante, poi i componenti vengono posizionati con una o più macchine pick&place e il tutto va nel forno per rifusione che scioglie la lega saldante e connette i componenti. Segue l'ispezione e il ritocco come sopra.

Esistono ovviamente varianti e integrazione delle procedure qui sopra, come ad esempio il reflow su ambo il lati, eseguito con due diverse leghe saldanti con fusione a temperatura differente per poter prima montare i componenti da un lato e poi saldare quelli dall'altro senza dissaldare i precedenti. Oppure il reflow da un lato e la saldatura a onda dall'altro, spesso utilizzato per le schede di potenza.

Ciò che c'è sempre, è il ritocco, fase necessaria per massimizzare la produttività. Anche nel caso siano presenti macchine di ispezione ottica computerizzata, il ritocco è poi affidato alle mani esperte delle operatrici con il loro bravo stilo.

Anche sui condensatori ceramici.

[venexian]

Premessa

Le prove di cui scrivevo in [5] non avevano come fine quello di verificare il possibile sviluppo di cricche dovute allo stress termico, ma solo quello di saggiare quanto potesse essere il degrado delle caratteristiche di diversi componenti elettronici, in caso di surriscaldamento ben oltre le specifiche del costruttore.

Con lo stesso spirito, ho condotto un test qualitativo per saggiare il discusso problema delle cricche nei condensatori multistrato ceramici, quando saldati con uno stilo. Il test prevede di generare volutamente un esagerato gradiente termico tra i due terminali e, contemporaneamente, fare in modo che questo gradiente sia applicato in un tempo molto breve, tale da generare uno shock termico certamente superiore a quello dovuto ad un ciclo di saldatura manuale con lo stilo.


Procedura

Si porta lo stilo alla massima temperatura possibile (1), si raccoglie il campione con una goccia di lega per uno dei terminali, si attende che tutto il campione abbia raggiunto l'equilibrio termico (2) e poi si intinge il terminale opposto in una goccia d'acqua deposta su una superficie idrofobica. Il contatto con l'acqua deve essere il più breve possibile, per consentire all'acqua raccolta di evaporare velocemente e prelevare il calore latente di evaporazione altrettanto velocemente per poter alzare più possibile la velocità di raffreddamento e il conseguente stress. Una stima approssimativa posiziona tale velocità nell'ordine dei 1-10 kK/s.

Nell'immagine si vede il condensatore appeso con un terminale allo stilo e nel momento immediatamente precedente al contatto dell'altro terminale con la goccia d'acqua.

La prova è stata condotta su dieci differenti condensatori con differenti dimensioni, differenti ceramiche e differenti produttori. Ogni campione è stato sottoposto a dieci cicli termici per ogni terminale. La comparazione dei valori di capacità misurati prima e dopo il test ha mostrato che nessun danneggiamento macroscopico era avvenuto a danno di nessuno dei dieci campioni.

Un pull-test avrebbe potuto dare maggiori informazioni, ma il lavoro necessario all'esecuzione del test andava oltre il budget di tempo preventivato.


Conclusioni

Si tratta di un test qualitativo, non può da solo dare informazioni certe sul comportamento di questi componenti nei riguardi degli stress termici. Ha comunque la sua validità, dimostrando che nella realizzazione di prototipi di laboratorio, la saldatura dei multistrato ceramici con uno stilo non comporta rischi maggiori di qualsiasi altro evento raro e imponderabile, sempre possibile in ogni realizzazione tecnica.


Ringraziamenti

Ringrazio Boiler, senza la cui insistenza non avrei condotto questo test. Adesso ho aggiunto un po' di esperienza al mio piccolo bagaglio, esperienza che condivido volentieri con voi.

Ringrazio PietroBaima, il cui interesse mi ha spinto a procedere con una verifica, invece di ignorare tutto come il solito flame da forum.


Note

(1) Lo stilo utilizzato è regolabile fino a 420 °C. Questa è la temperatura impostata, ovviamente quella effettiva sarà inferiore. Vista la natura qualitativa del test, la temperatura della punta dello stilo non è stata misurata, ma dal degrado della lega saldante si può supporre ben oltre i 300 °C.

(2) Data la massa irrisoria del componente, l'equilibrio si raggiunge in millisecondi, ma la puntualizzazione è utile a comprendere la procedura.

[nikiT]

Questo scambio di idee è davvero interessante!

Quello che mi sembra di capire dalle fonti che citate è che l'uso dell'aria calda sia preferibile a quello del saldatore, e che l'uso del saldatore è in generale possibile ma, secondo alcune fonti, sconsigliato.

La prova di venexian è molto interessante, ma andrebbe fatta su un campione statisticamente più rappresentativo.

Il test prevede di generare volutamente un esagerato gradiente termico [...] tale da generare uno shock termico certamente superiore a quello dovuto ad un ciclo di saldatura manuale con lo stilo.

L'entità del gradiente potrebbe essere stata sovrastimata, perché a temperature superiori della temperatura di Leidenfrost si verifica la calefazione (la temperatura di Leidenfrost di un interfaccia rame/acqua è ~260 °C).

A favore della stima, c'è il fatto che l'acqua ha un calore specifico ~10 volte superiore a quello dei materiali costituenti il condensatore e il fatto che la calefazione si verifica solo dopo che il calore latente di evaporazione è stato ceduto.

A sfavore della stima c'è il fatto che la superficie all'interfaccia è molto piccola. Quello che probabilmente succede, è che la temperatura scende inizialmente con un elevato, ma appena è stato ceduto il calore latente di evaporazione, il dimunuisce notevolmente. A peggiorare le cose c'è il fatto che all'altra estremità del gradiente c'è una sorgente che continua a fornire calore, e quindi c'è il rischio che il gradiente termico, ovvero il , sia più contenuto del previsto.

Nella situazione reale, un'estremità del condensatore può essere accoppiata termicamente ad un'ampia superficie di rame, che ha una capacità termica grande e praticamente costante. Sarebbe interessante ripetere il test su un grande numero di condensatori in questa situazione (purtroppo temo che questo sia solo alla portata dei produttori! ).

C'è da dire che anche un piccolo aumento della percentuali di guasti legati all'uso di questa tecnica giustificherebbe l'impiego dell'aria calda. Non mi stupirebbe se fosse questo il motivo per cui produttori dichiarino che l'uso saldatore sia possibile, ma l'uso dell'aria calda sia preferibile.

Ciao,
Niki

[nikiT]

Intanto avrei un'altra domanda da farvi!

Ho visto che esistono due tipologie di paste saldanti per la saldatura con l'aria calda: quelle denominate "clean" e quelle denominate "not-clean". Immagino che questo sia referito al residuo lasciato dall'antiossidante. Quale metodo è preferibile tra i due?

Ciao,
Niki