Utilizzo del piombo

Oct 22, 2023

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Diversi segmenti del mercato elettronico rimangono esenti dalle restrizioni sui materiali senza piombo, come la legislazione sulla restrizione delle sostanze pericolose (RoHS). Questi segmenti di mercato tendono ad essere dispositivi elettronici utilizzati in ambienti difficili e/o che presentano funzionalità critiche per la vita/il sistema. Sebbene questi segmenti di mercato, che includono l'avionica, possano utilizzare saldature contenenti piombo, è sempre più difficile procurarsi componenti avanzati in configurazioni non conformi alla direttiva ROHS. I team di progettazione dei prodotti che continuano a utilizzare processi di saldatura a stagno/piombo si trovano ad affrontare il dilemma di come utilizzare nei processi di assemblaggio i componenti BGA (ball grid array) disponibili solo con sfere di saldatura senza piombo. Questo documento discute diversi aspetti legati all'utilizzo di componenti BGA senza piombo in un processo di saldatura stagno/piombo: (1) metallurgia mista; (2) solidificazione; (3) baffi di stagno. Verranno discusse le possibili metodologie di utilizzo senza compromettere l'integrità del prodotto.

Il problema della metallurgia mista

La legislazione ambientale ha avuto un impatto significativo sull'industria elettronica in termini di set di materiali utilizzati nei prodotti elettronici. Il divieto di materiali come cadmio, cromo esavalente, mercurio e piombo ha eliminato una serie di componenti elettronici e processi materiali storicamente utilizzati nella produzione di prodotti elettronici. La rimozione del piombo dalle leghe di saldatura ha probabilmente il maggiore impatto sui prodotti elettronici a causa del suo ruolo di materiale primario per funzionalità meccaniche ed elettriche. La Figura 1 illustra come le tendenze globali di utilizzo delle saldature mostrano la sostituzione delle leghe di saldatura di stagno/piombo con leghe di saldatura senza piombo a partire dal 2004, come rilevato dal Programma statistico di saldatura globale IPC.

I team di progettazione dei prodotti che continuano a utilizzare processi di saldatura a stagno/piombo si trovano ad affrontare il dilemma di come utilizzare i componenti BGA disponibili solo con sfere di saldatura senza piombo. La combinazione di una lega di pasta saldante di stagno/piombo con un componente BGA con sfere di saldatura senza piombo dà come risultato una microstruttura del giunto di saldatura di "metallurgia mista" che presenta una scarsa integrità del giunto di saldatura in molti ambienti di utilizzo del prodotto. Tre soluzioni industriali sono emerse come metodologie accettabili per affrontare il potenziale problema di integrità del giunto di saldatura di una metallurgia mista (ovvero, parti senza piombo utilizzate su un gruppo stagno/piombo). La prima soluzione è inviare il componente BGA senza piombo a un fornitore di servizi esterno per essere "reballato" (ovvero, le sfere di saldatura senza piombo vengono rimosse e sostituite con sfere di saldatura in lega di stagno/piombo). Il processo di reballing si è dimostrato affidabile, a condizione che vengano seguite procedure di processo rigorosamente controllate. Il vantaggio di un componente BGA riballato è che è trasparente al processo di saldatura stagno/piombo; gli svantaggi sono il costo e il tempo necessari per riprogrammare il componente BGA.

Figura 1: Tendenze globali di utilizzo della saldatura. (Programma statistico globale sulla saldatura IPC)

Il reballing di un componente BGA richiede il controllo di diversi parametri chiave del processo: livello di sensibilità all'umidità, temperatura/tempo di rimozione/attacco della sfera di saldatura e pulizia del componente BGA riballato. Il test dei componenti funzionali è necessario per garantire che dal processo di reballing non risultino difetti di processo o di componenti. L'esempio seguente illustra come condurre una due diligence della valutazione funzionale prevenga l'introduzione di BGA reballati difettosi nei prodotti.

È stato riscontrato che un componente BGA presenta errori funzionali durante il test del prototipo ingegneristico. Il componente BGA in questione era stato acquistato dal fornitore del componente come BGA senza piombo ed è stato successivamente riballato utilizzando una lega di saldatura eutettica stagno/piombo. Una radiografia del sospetto BGA ha rivelato un eccessivo svuotamento del giunto di saldatura.

Figura 2:Immagine a raggi X del sospetto BGA.

Le indagini di settore hanno dimostrato che lo svuotamento del BGA, in generale, non è un problema di integrità del giunto di saldatura ma è un chiaro indicatore di un problema nella progettazione delle pastiglie o nel processo di saldatura. I pad BGA non contenevano alcuna tecnologia microvia, quindi inizialmente si credeva che la causa principale dello svuotamento fosse un problema relativo al deposito di pasta saldante o al profilo di rifusione. La Figura 2 mostra lo svuotamento eccessivo osservato nei giunti di saldatura BGA durante la valutazione ai raggi X.