L’era attuale sta assistendo a un’elevata velocità di integrazione e alla produzione e fabbricazione massiccia di componenti al piombo da miniaturizzare. Per quanto riguarda l’assemblaggio SMT (Surface Mount Technology), i componenti devono attraversare una serie di processi, tra cui pre‑trattamento, posizionamento, saldatura, collaudo e confezionamento. Durante l’intero processo, il verificarsi di ESD (Electrostatic Discharge) può causare danni di varia entità, riducendo le prestazioni dell’assemblaggio SMT. Nel processo di saldatura, tuttavia, l’umidità all’interno dei componenti può generare vapore e pressione, provocando crepe all’interno dei componenti che possono diffondersi. Di conseguenza, possono infine verificarsi cortocircuiti, riducendo l’affidabilità dei prodotti. Pertanto, i danni causati dall’ESD sui giunti di saldatura sono così gravi che è necessario prestare loro sufficiente attenzione, ed è proprio di questo che si parla in questo articolo.
Fonte di generazione dell'ESD
L’elettricità elettrostatica deriva principalmente da tre fonti: attrito, induzione e corpo umano.
a. ESD per attrito
Come forma di energia elettrica, l’elettricità elettrostatica di solito rimane sulla superficie degli oggetti e la sua generazione deriva dallo squilibrio tra cariche positive e negative all’interno di un intervallo parziale. In generale, l’elettricità elettrostatica viene generata attraverso il trasferimento di elettroni e ioni. Quando avviene attrito tra due oggetti isolanti, l’energia elettrica sulla superficie di un oggetto viene trasferita alla superficie dell’altro oggetto, che quindi presenta cariche negative. Le ESD dovute all’attrito sono per lo più correlate alla pulizia della superficie dell’oggetto, alle sue dimensioni e all’ambiente.
b. ESD per induzione
Gli oggetti in grado di suscitare induzione sono i conduttori e il mezzo dielettrico nel campo dell’elettricità statica. Quando sono presenti conduttori attorno a oggetti carichi, sui conduttori si produce polarizzazione a causa dell’effetto del campo elettrostatico. Di conseguenza, si generano cariche indotte con polarizzazioni opposte e valori equivalenti, il che aumenta la possibilità di ESD.
c. ESD da corpo umano
Il corpo umano è considerato la principale fonte di ESD durante l’intero processo di assemblaggio SMT. Quando le persone si muovono, l’attrito causato dalle scarpe o dai vestiti porta alla formazione di oggetti carichi. Inoltre, la temperatura, il movimento ad alta velocità e le rotture possono anch’essi causare ESD.
In effetti, l’elettricità statica si incontra spesso nella vita quotidiana delle persone, ma provoca pochi danni. Tuttavia, se si utilizzano frequentemente circuiti integrati (IC) e materiali polimerici ad alte prestazioni, i danni dovuti alle scariche elettrostatiche (ESD) aumenteranno. Pertanto, è di grande importanza elaborare uno schema di protezione ESD nel processo di assemblaggio SMT.
Danno da ESD sulle giunzioni di saldatura
Le giunzioni di saldatura svolgono un ruolo così fondamentale nell’intero sistema dei prodotti elettronici da assumersi la responsabilità della connessione durante il funzionamento del circuito. Attualmente, i circuiti stanno diventando sempre più ad alta densità con un aumento sostanziale del numero di giunzioni di saldatura. Se si verifica un problema in una singola giunzione di saldatura, l’intero sistema del circuito fallirà. I difetti delle giunzioni di saldatura derivano principalmente dai difetti che si verificano nel processo di assemblaggio SMT. Una volta che la temperatura dell’ambiente fluttua o la corrente dell’intero circuito diventa instabile, i componenti si surriscaldano al punto che la fatica termica ridurrà ulteriormente le prestazioni dei prodotti elettronici. Inoltre, quando la temperatura intorno alle giunzioni di saldatura cambia, all’interno delle giunzioni di saldatura si generano tensioni termiche.
Un altro difetto delle giunzioni di saldatura è rappresentato dalle cavità. Le cavità si riferiscono a piccole bolle d’aria all’interno delle giunzioni di saldatura e derivano dall’espansione dei composti o dall’aria residua nella pasta saldante. Sebbene l’ispezione visiva possa essere utilizzata per individuare alcune cavità esterne delle giunzioni di saldatura, le cavità generate durante il processo di saldatura diventano una minaccia così grande che è difficile metterle in evidenza. Tuttavia, le cavità si formano a causa di una serie di processi naturali, il che significa che sono inevitabili. Da un lato, le cavità possono impedire la formazione di fratture o modificare i percorsi di propagazione delle fratture. Dall’altro lato, le cavità riducono la durata di conservazione dei prodotti finali.
Misure per ridurre al minimo l’effetto negativo delle giunzioni di saldatura
La protezione ESD è in cima all’elenco dei problemi che potrebbero verificarsi durante il processo di assemblaggio SMT. Gli operatori devono essere dotati di una conoscenza sufficiente in materia di protezione ESD, pienamente consapevoli dell’obiettivo e delle misure specifiche di protezione ESD. Inoltre, tutti gli operatori devono essere formati per possedere il know-how e mantenere un’elevata consapevolezza riguardo alla protezione ESD.
• Misura di protezione ESD n. 1: Conduttori e isolanti
Se l’elettricità statica viene generata sui conduttori, deve essere scaricata tempestivamente attraverso alcuni canali, come determinate apparecchiature e dispositivi. Il canale di dispersione elettrostatica può essere il collegamento a terra dei conduttori, in modo che le cariche elettrostatiche possano essere rilasciate dai conduttori. È possibile installare cavi antistatici per contribuire alla protezione ESD e questi dovrebbero essere predisposti in modo indipendente, separando i cavi di messa a terra di potenza dalle linee di messa a terra antistatiche. Poiché le cariche non possono muoversi negli isolanti, la misura di protezione ESD per i conduttori non funziona sugli isolanti. Pertanto, per la protezione ESD degli isolanti si applica solitamente la neutralizzazione delle cariche. Il ventilatore ionico viene utilizzato per generare ioni positivi e negativi in modo che le cariche elettrostatiche possano essere neutralizzate. Nello stesso ambiente, la diminuzione della temperatura ambientale porta a un aumento dell’umidità, che influisce anche sulla conducibilità dei conduttori. Quando la conducibilità elettrica aumenta costantemente e l’umidità cresce, è più facile proteggere contro le ESD in tale ambiente. Di conseguenza, una soluzione ottimale come misura di protezione ESD in un’area pericolosa è migliorare l’umidità e ridurre la temperatura.
• Misura di protezione ESD n. 2: Dispositivo di protezione ESD
Per ridurre in larga misura la generazione di elettricità statica e per scaricare quella già esistente, i dispositivi di protezione ESD devono presentare una conducibilità sufficiente ed essere in grado di controllare la velocità di dispersione ESD, in modo da evitare che l’elettricità statica venga scaricata in eccesso.
• Misura di protezione ESD n. 3: circuito di protezione
È abbastanza normale aggiungere un circuito di protezione alle misure di protezione ESD. Tuttavia, il circuito di protezione non è accettato nei circuiti miniaturizzati e ad alta densità.
Per quanto riguarda le misure di protezione ESD, occorre prendere in considerazione molti elementi quando si prende una decisione, in modo da poter applicare la misura di protezione ESD ottimale.
P.S. Alcuni consigli per una generazione ottimale delle giunzioni di saldatura nel processo di assemblaggio SMT
Con la continua miniaturizzazione e multifunzionalità dei prodotti elettronici, diventa sempre più difficile analizzare le cause dei difetti durante il processo di assemblaggio SMT. I problemi delle giunzioni di saldatura sono stati una questione chiave nel processo di assemblaggio SMT, quindi tali problemi possono essere affrontati impostando in modo appropriato la curva di temperatura della saldatura a rifusione.
La cavità è in grado di accelerare la velocità di propagazione della frattura e la resistenza dei giunti di saldatura sarà ridotta. L’applicazione di fori ciechi sul PCB (Printed Circuit Board) porterà alla formazione di cavità, che saranno causate anche da un’applicazione inappropriata della tecnologia. Nei fori ciechi è presente aria e il suo volume aumenterà dopo il riscaldamento. Inoltre, una parte dell’aria viene espulsa quando la pasta saldante si fonde e l’aria non espulsa diventerà una cavità nel giunto di saldatura.
Inoltre, la formazione di cavità è direttamente correlata alla temperatura di saldatura. Il tempo di preriscaldo dovrebbe essere prolungato fino a un intervallo compreso tra 90 e 120 secondi, in modo che l’aria e l’acqua contenute nella pasta saldante possano essere completamente vaporizzate, il che è in grado di ridurre la probabilità di comparsa di cavità. In alternativa, ridurre la tensione superficiale della pasta saldante è in grado di espellere le bolle in un ambiente ad alta temperatura.
