Perché i pad SMT si sollevano durante la saldatura

Quando un pad di rame si stacca dal circuito stampato durante la saldatura, la causa è quasi sempre da attribuire al calore, al tempo e alle sollecitazioni che superano il legame che unisce il rame al laminato. Il distacco del pad SMT , noto formalmente come sollevamento del pad o pad sollevato, si verifica quando un calore eccessivo o un numero eccessivo di cicli di rilavorazione indeboliscono tale legame, spesso aggravato da un pad di piccole dimensioni, un laminato debole o una forza meccanica. Questa guida spiega i fattori reali alla base del sollevamento del pad, raggruppandoli in cause legate al materiale, alla progettazione e al processo, e fornisce soluzioni pratiche per prevenirlo.

Che cos'è un pad SMD sollevato (caduto)

Un pad, o piazzola, è la porzione di rame a cui viene saldato un componente. È legato al laminato sottostante tramite il sistema di resina del circuito stampato, e tale legame ha una resistenza limitata.

Terreno rialzato contro piattaforma rialzata

Quando il rame si separa dal laminato, il risultato è un sollevamento della piazzola, che si alza dalla superficie, o, nel peggiore dei casi, un distacco completo della piazzola, spesso portando con sé la pista di collegamento. In entrambi i casi, la connessione elettrica risulta compromessa e il circuito stampato potrebbe diventare inutilizzabile senza riparazione. Il rame in sé raramente si guasta; è il legame con il circuito stampato che cede.

Perché è importante

Un pad sollevato viene considerato un difetto o una condizione da segnalare secondo i criteri di accettazione dell'assemblaggio e può causare connessioni intermittenti o aperte sul campo. Comprendere i fattori alla base di questo problema è il primo passo per realizzare schede che resistano sia all'assemblaggio che a eventuali successive rilavorazioni.

Cuscinetti sollevati: montaggio a foro passante o montaggio superficiale

Il sollevamento influisce su entrambi i tipi di imbottitura, ma la geometria è diversa e di conseguenza anche il rischio.

I pad a montaggio superficiale hanno un ancoraggio inferiore rispetto ai pad metallizzati a foro passante, quindi possono sollevarsi con minore difficoltà, motivo per cui i via e le toppe a goccia di ancoraggio sono così importanti in una buona analisi del footprint . I pad a foro passante sono meglio fissati al corpo del chip, ma quando si rompono spesso trascinano con sé la traccia di collegamento. In entrambi i casi, la strategia di difesa è identica: gestire il calore e il tempo, e realizzare un laminato con un'adeguata resistenza allo strappo.

Perché i cuscinetti si sollevano: calore e tempo di contatto

Quasi tutti i casi di sollevamento dei cuscinetti sono riconducibili a un unico meccanismo: il legame tra rame e laminato si degrada quando quest'ultimo si surriscalda per un periodo prolungato.

Il principio fondamentale è che un contatto breve e intenso è meno dannoso di un contatto prolungato e tiepido . Appoggiare un saldatore su un tampone per diversi secondi trasferisce molto più calore al giunto rispetto a una saldatura rapida e decisa, anche a una temperatura della punta inferiore. Più a lungo il rame rimane caldo, più la resina si ammorbidisce e più debole diventa il giunto, fino a quando il tampone non si stacca.

Ecco perché la tecnica è importante quanto l'attrezzatura. Una punta pulita e ben stagnata e una quantità sufficiente di flussante permettono alla saldatura di bagnarsi in uno o due secondi, evitando così che il pad si riscaldi eccessivamente e si sollevi. Ricorrere a temperature più elevate o a tempi di saldatura più lunghi, anziché a una maggiore quantità di flussante, è la strada classica per ottenere un pad sollevato.

Come il materiale del pannello influisce sull'adesione del cuscinetto

Non tutti i pannelli resistono allo stesso modo al sollevamento. Le proprietà del laminato determinano la quantità di calore che l'incollaggio può sopportare prima di cedere.

La resistenza alla pelatura del rame è la proprietà che predice più direttamente il distacco e viene verificata mediante metodi di prova standardizzati. La scelta di un laminato con Tg e resistenza alla pelatura adeguate all'applicazione è una decisione di fabbricazione presa durante la produzione del PCB ed è particolarmente importante per le schede che saranno sottoposte ad alte temperature di saldatura o rilavorazioni. I progetti con elevato contenuto di rame e termicamente impegnativi, come quelli su substrati con anima metallica , meritano particolare attenzione in questo contesto.

Fattori di progettazione del PCB che causano il sollevamento dei pad

Il modo in cui un pad viene progettato e collegato influisce notevolmente sulla sua resistenza alla saldatura. Due pad sulla stessa scheda, uno ancorato e uno isolato, possono comportarsi in modo molto diverso.

Dimensioni e ancoraggio del cuscinetto

Un piccolo pad isolato con una traccia sottile ha una superficie di contatto ridotta per resistere al sollevamento. L'aggiunta di un via di ancoraggio che collega il pad a uno strato interno, o l'utilizzo di punti di giunzione a goccia nel punto in cui la traccia incontra il pad, aumenta l'adesione effettiva e resiste al distacco. I progetti a passo fine e con piccoli componenti passivi, come quelli che si trovano nei layout ad alta densità , traggono il massimo vantaggio da queste caratteristiche.

Sistema di ventilazione termica sugli aerei

Un pad collegato direttamente a una grande colata di rame o a un piano di massa è difficile da riscaldare, perché il rame disperde il calore. L'operatore applica quindi più calore per un periodo più lungo, ed è proprio questo che provoca il sollevamento dei pad. Un collegamento a scarico termico, che unisce il pad al piano con pochi sottili raggi, permette al giunto di raggiungere rapidamente la temperatura desiderata senza un riscaldamento prolungato.

Traccia il percorso

Instradare una traccia fragile in modo che non venga tirata durante la movimentazione di un componente, ed evitare transizioni brusche in corrispondenza del pad, riduce la componente meccanica del sollevamento. Scelte di ingombro e instradamento ottimali come queste sono esattamente ciò che si cerca in una revisione di progettazione per la produzione.

Fattori del processo di saldatura che sollevano i pad

Anche un circuito stampato ben progettato e realizzato con materiali di qualità può presentare pad sollevati se il processo di saldatura non viene eseguito correttamente.

• Temperatura del ferro da stiro. Una temperatura troppo elevata danneggia direttamente il legame; una temperatura troppo bassa impone tempi di posa più lunghi, che a loro volta sollevano i cuscinetti. Impostare la temperatura su "bagna rapidamente".
• Tempo di permanenza. Il contatto prolungato è la causa principale del processo. Fai la canna e vai avanti.
• Cicli di rilavorazione. Ogni riscaldamento successivo sollecita il giunto. Limitare il numero di volte in cui un giunto viene rilavorato.
• Preriscaldare. Riscaldare prima la piastra riduce lo shock termico e il tempo in cui il ferro da stiro deve rimanere a contatto con la piastra.
• Temperature senza piombo. Le leghe senza piombo fondono a temperature più elevate, quindi il margine di sicurezza prima del danneggiamento è minore e la tecnica di lavorazione assume un'importanza maggiore.

La dissaldatura è un'operazione particolarmente rischiosa, poiché la rimozione di un componente può comportare il riscaldamento ripetuto di un pad. L'utilizzo di strumenti di dissaldatura adeguati, di un flussante fresco e del minor calore possibile protegge il pad sia durante la rimozione che durante l'installazione.

Riepilogo delle cause del sollevamento dei pad SMD

I fattori sopra elencati possono essere riassunti in una tabella diagnostica rapida.

Come evitare che i pad SMD si sollevino

Riunendo le cause si ottiene una lista di controllo breve e pratica.

• Saldare velocemente. Utilizzare una punta pulita e calda e una quantità sufficiente di flussante in modo che ogni giunto si formi in uno o due secondi.
• Limitare le rilavorazioni. Evitate di riscaldare ripetutamente lo stesso cuscinetto; pianificate la giunzione in modo che sia perfetta al primo tentativo.
• Preriscaldare la scheda. Soprattutto per assi più grandi o più spesse, il preriscaldamento riduce il tempo necessario per la stiratura.
• Specificare materiale di buona qualità. Scegliere un laminato con Tg e resistenza alla pelatura del rame adeguate per le operazioni di saldatura e rilavorazione previste.
• Progettare dei tappetini per sopravvivere. Aggiungere fori di ancoraggio e punti di ancoraggio a goccia ai piccoli pad e scarico termico sui collegamenti planari.
• Maneggiare con delicatezza. Evitate di fare leva o di flettere i componenti, poiché ciò aggiunge stress meccanico, e cuocete in forno i circuiti stampati sensibili all'umidità prima di saldarli.

Queste abitudini si rivelano vantaggiose anche su larga scala: un design che resiste al sollevamento dei pad è più robusto durante la saldatura automatizzata e qualsiasi rilavorazione durante l'assemblaggio ad alto volume , dove la coerenza è fondamentale.

Come riparare un pad PCB sollevato

Se un pad si solleva nonostante le precauzioni, la connessione può spesso essere ripristinata, sebbene la riparazione abbia dei limiti.

• Ristabilire la connessione. Un breve filo di collegamento dal terminale del componente alla pista o a un via vicino può ripristinare il circuito.
• Stabilizzare il cuscinetto. L'adesivo o la resina epossidica possono tenere fermo un terreno parzialmente sollevato, impedendone ulteriori movimenti.
• Conoscere i limiti di accettazione. Un terreno sollevato viene valutato in base ai criteri di accettazione dell'assemblaggio per classe, quindi, in caso di lavori ad alta affidabilità, il pannello potrebbe non essere accettabile nemmeno dopo la riparazione.

Per un prototipo, una riparazione pulita del ponticello è solitamente sufficiente. Per le schede di produzione o ad alta affidabilità, un pad sollevato è un segnale per rivedere il materiale, l'ingombro o il processo di saldatura, in modo che il lotto successivo non presenti lo stesso problema.

Richiedi un preventivo per pannelli robusti

Il distacco dei pad è prevenibile: saldate rapidamente, limitate le rilavorazioni, scegliete un laminato con la giusta temperatura di transizione vetrosa (Tg) e resistenza allo strappo, e progettate pad di piccole dimensioni con elementi di ancoraggio. Se si seguono questi accorgimenti, i pad sollevati scompaiono quasi del tutto. Potete leggere ulteriori informazioni su Highleap Electronics e su come produciamo e assembliamo schede resistenti.

Domande frequenti

Perché i pad SMT si sollevano quando saldo?

Il calore e il tempo degradano il legame che unisce il pad di rame al laminato. La causa più comune è il contatto prolungato del saldatore con il pad; rilavorazioni ripetute, un laminato debole, un pad piccolo e isolato o l'umidità intrappolata peggiorano ulteriormente la situazione. Un contatto breve e a caldo con il flussante previene la maggior parte di questi problemi.

La temperatura del ferro o il tempo di contatto con il ferro influiscono maggiormente sul sollevamento?

Solitamente, la causa principale è un tempo di contatto prolungato, sebbene anche una temperatura troppo elevata danneggi direttamente il legame. L'obiettivo è impostare il saldatore a una temperatura sufficientemente alta da bagnare il giunto in uno o due secondi, in modo che il tampone non rimanga caldo abbastanza a lungo da sollevarsi. Un saldatore troppo freddo, al contrario, provoca un contatto più prolungato.

In che modo il materiale della tavola influisce sul sollevamento del cuscinetto?

Un laminato con una temperatura di transizione vetrosa più elevata si ammorbidisce meno con il calore e una maggiore resistenza alla pelatura del rame significa che il pad è incollato più saldamente. Il materiale polimerizzato male e l'umidità assorbita si sollevano molto più facilmente. Specificare una Tg e una resistenza alla pelatura adeguate per la saldatura e la rilavorazione previste riduce il rischio.

Le modifiche al progetto possono impedire il sollevamento del cuscinetto?

Sì. L'aggiunta di un via di ancoraggio e di elementi a goccia ai piccoli pad aumenta l'area di incollaggio, e i collegamenti di scarico termico ai piani consentono ai giunti di riscaldarsi rapidamente invece di imporre lunghi tempi di permanenza. Queste scelte di ingombro sono esattamente ciò che una revisione di progettazione per la produzione verifica prima della produzione.

Perché le piattaforme collegate ai piani di terra hanno maggiori probabilità di sollevarsi?

Una grande superficie piana in rame disperde il calore dal pad, consentendo all'operatore di applicare più calore per un tempo più lungo per fondere la saldatura, operazione che permette il sollevamento dei pad. Un collegamento di scarico termico, che unisce il pad alla superficie piana con pochi sottili raggi, permette alla giunzione di raggiungere rapidamente la temperatura desiderata ed evita un riscaldamento prolungato.

Il sollevamento dei pad è più frequente con la saldatura senza piombo?

Può succedere, perché le leghe senza piombo fondono a temperature più elevate, lasciando un margine minore prima che il legame si danneggi. Una buona tecnica, un flusso adeguato, il preriscaldamento e un laminato classificato per temperature senza piombo fin dalla fabbricazione contribuiscono a compensare il calore più elevato coinvolto.

È ancora possibile utilizzare una tavola con il pad sollevato?

Spesso sì, per un prototipo, aggiungendo un ponticello per ripristinare la connessione e stabilizzando il pad con dell'adesivo. Per le schede di produzione o ad alta affidabilità, un pad sollevato viene valutato in base ai criteri di accettazione della classe e potrebbe non essere accettabile, quindi è un segnale per correggere il materiale, l'ingombro o il processo.

I pad per componenti a foro passante si sollevano allo stesso modo dei pad SMT?

Entrambi i tipi di pad possono sollevarsi, ma i pad a foro passante sono ancorati dal cilindro metallizzato attraverso il foro, quindi resistono meglio al sollevamento; quando si rompono, spesso trascinano con sé la traccia di collegamento. I pad a montaggio superficiale si basano solo sul legame superficiale, quindi si sollevano più facilmente, motivo per cui i via di ancoraggio e le gocce di piombo sono utili.

Il preriscaldamento della scheda è davvero utile?

Sì. Il preriscaldamento porta l'intera scheda alla temperatura di saldatura, quindi il saldatore applica meno calore per un tempo inferiore, riducendo sia lo shock termico che il tempo di permanenza che solleva i pad. È particolarmente utile per schede più spesse, con spessori di rame elevati e pad collegati a piani di grandi dimensioni.