La pasta saldante è un tipo di saldatura che viene utilizzata nella produzione di circuiti stampati, al fine di collegare i componenti a montaggio superficiale ai pad presenti sulla scheda. Le paste saldanti sono utilizzate nella produzione di massa di circuiti stampati e prototipi di assemblaggio di circuiti stampati.
A cosa serve la pasta saldante
La pasta per saldatura è una combinazione di polvere composta da particelle sferiche di metallo saldante e da un flussante che ha la consistenza di un mastice appiccicoso. Il flussante svolge il suo compito di pulizia delle superfici di saldatura dalle impurità e dall'ossidazione ma costituisce anche un sistema adesivo temporaneo che tiene in posizione i componenti di montaggio superficiale.
Come si usa la pasta per saldatura
La pasta per saldatura si applica alla scheda mediante stampo. I componenti vengono messi in posizione da una macchina di prelevamento e posizionamento, oppure a mano. La pasta inizialmente aderisce in posizione a causa della sua appiccicosità. Si utilizza quindi il calore per fondere la pasta e formare quindi sia un legame meccanico che un collegamento elettrico.
La procedura generale è la seguente:
- Rimuovere l'olio, il grasso, il composto per lucidatura ed eventuali ossidi eccessivi dal giunto.
- Assicurarsi che il giunto sia liscio, piatto e libero da eventuali sbavature.
- Applicare la pasta per saldatura sul giunto superiore. La pasta non riempirà grandi spazi, quindi assicurarsi che i pezzi da saldare siano effettivamente a contatto.
- Riscaldare il pezzo lontano dal giunto mantenendo la fonte di calore in movimento, per evitare il surriscaldamento della pasta.
- Una volta che la pasta scorre, rimuovere la fonte di calore.
Tipi di pasta saldante
La polvere di saldatura utilizzata nella pasta può variare nella sua composizione chimica. Sono infatti possibili diversi tipi di materiale, in percentuali che vengono utilizzate a seconda delle esigenze della scheda da saldare. Ad esempio, la pasta saldante è disponibile nella versione senza piombo per soddisfare la direttiva RoHS sulla restrizione delle sostanze pericolose.
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La pasta saldante viene classificata in base alla dimensione delle particelle di metallo che compongono la polvere di saldatura. Queste particelle sono di forma sferica e possono variare di dimensioni secondo gli standard IPC J-STD.
BIACCA o Bianco di piombo
La composizione chimica di questo pigmento è carbonato di piombo basico, conosciuto certamente anche nell'antichità. Plinio (Nat. Hist., XXXIV, 54, XXXV, 19) ne descrive non solo le proprietà ma anche il metodo di fabbricazione che pare molto simile a quello usato dagli Arabi e dai Giapponesi.
Nel Medioevo la produzione di questo preparato che veniva usato anche come medicamento, era monopolizzato dagli Olandesi e dai Veneziani. Nel sec. XVIII si stabilì (Bergmann) la vera composizione della biacca e da allora si studiarono vari metodi razionali per la fabbricazione industriale. La biacca è una polvere bianca amorfa, pesante, che unita con olio di lino cotto (100 parti di pigmento e 30 di olio) dà una pittura di ottimo potere ricoprente e di lunga durata, usata quindi anche per lavori esposti all'esterno degli ambienti.
Le ragioni di questa resistenza pare siano dovute alla formazione di un sapone di piombo, tra gli acidi grassi dell'olio e l'idrato di piombo, e anche alle minime dimensioni dei microscopici granuli costituenti il pigmento, in confronto a quelli degli altri colori bianchi.
Le pitture di biacca hanno più o meno il difetto di annerire se esposte alle emanazioni solfidriche, perché può avvenire la formazione di solfuro di piombo che è nero. La biacca come tutti i composti di piombo è velenosa e si è discusso a lungo anche in congressi internazionali per tutelare chi si occupa della sua fabbricazione e della sua applicazione. La malattia generata dalla biacca è conosciuta col nome di saturnismo (v. piombo).
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Metodi di produzione della biacca
Il metodo più antico è quello chiamato olandese e consiste nel porre lamine sottili di piombo avvolte a spirale entro vasi di terra verniciati, nel fondo dei quali viene posto acido acetico diluito. Questi vasi si dispongono in strati sovrapposti, coprendo tutto con letame fresco di cavallo. Talvolta s'impiegano anche corteccie di quercia, residui di conceria, i quali hanno sul letame il vantaggio di non sviluppare acido solfidrico che può danneggiare la bianchezza del prodotto. Queste operazioni durano più di un mese.
Le lamine vengono poi battute e strofinate meccanicamente per staccare la biacca formatasi e separata dal piombo metallico non ancora intaccato. Si procede quindi a separazioni, lavaggi e macinazione per ottenere una polvere impalpabile. Se la biacca contiene ancora piccole quantità di acido acetico costituisce il bianco duro; se questo è tutto eliminato, il bianco tenero.
Un altro metodo consiste nell'appendere lamine di piombo piegate e poste su bastoni di legno, entro camere anch'esse di legno o in muratura (biacca camerale) dove giungono vapori di acido acetico ed aria. Per effetto dell'acido e dell'ossigeno si forma in pochi giorni l'acetato di piombo; allora si fa arrivare l'anidride carbonica che dà luogo alla formazione della biacca.
Recentemente invece delle lamine si è usato piombo in polvere, ottenuto facendo arrivare un filo di piombo fuso sopra un piattello girante a grande velocità che proietta tanti piccoli granellini di piombo contro le pareti del recipiente. La polvere di piombo viene attaccata da un miscuglio gassoso formato di vapori d'acqua, acido acetico, aria, ossigeno e anidride carbonica.
Vi è anche un processo misto, ora molto usato in Germania e in Italia (Milano); esso parte dal piombo metallico ridotto in sottilissimi fili, che viene messo in apposite torri dove arriva una soluzione diluita di acido acetico e una corrente d'aria sotto pressione di circa 4 atmosfere.
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La biacca si può ottenere anche con svariati processi elettrolitici. Uno dei più comuni consiste nel porre in un recipiente soluzioni diluite di nitrato di sodio, carbonato di sodio e sodio idrato; al polo positivo si mette una lastra di piombo e al negativo una di rame.
Il consumo della biacca è grandissimo e la sua fabbricazione forma una branca importante dell'industria chimica, specialmente in Germania, Inghilterra, Austria e Stati Uniti d'America.
La scelta della lega di saldatura giusta
La scelta della lega di saldatura giusta è essenziale per ottenere i risultati desiderati dal processo di saldatura. Le leghe possono essere con o senza piombo. Inoltre, le temperature solide e liquide di ciascun tipo di saldatura variano. Le applicazioni odierne prevedono tipicamente l'utilizzo di una lega di saldatura con o senza piombo.
Ogni lega di saldatura ha un intervallo di temperatura in cui passa da solido a liquido. Per definirlo ulteriormente, il cambiamento di fase dallo stato solido allo stato liquido inizia quando si raggiunge il solidus e termina quando si raggiunge il liquidus. Al di sotto della temperatura del solidus, la lega si trova in uno stato solido al 100%. Tra gli stati solidus e liquidus, esiste una regione chiamata intervallo plastico. Nell'intervallo plastico, una parte della lega è solida, ma la maggior parte della saldatura è liquida.
Il processo di bagnatura è quello in cui il metallo della saldatura si fonde con il metallo del PCB o dei componenti. La bagnatura inizia alla temperatura di solidus, ma la migliore bagnatura si verifica a una temperatura di picco di 15° C o più sopra lo stato di liquidus.
Distribuzione granulometrica
Il passo finale nella selezione di una lega è la scelta della giusta distribuzione granulometrica. Le dimensioni delle particelle sono presentate con riferimenti incrociati ai requisiti tipici di stampa ed erogazione. Le dimensioni elencate per l'ala di gabbiano, il quadrato/cerchio e il punto di erogazione rappresentano la caratteristica più piccola raccomandata per quella dimensione di polvere.
Se la caratteristica è più piccola, l'applicazione richiede il formato di polvere immediatamente inferiore. Se un produttore sceglie un formato di polvere troppo grande, in genere si verificano problemi di stampa ed erogazione, con conseguenti compromessi sulla qualità.
Tipi di Flussanti
Esistono cinque categorie generali di flussanti.
- Flussante R: composto da colofonia e solvente. Ha un'attività molto bassa ed è adatto solo per superfici facili da saldare. La classificazione IPC è ROL0. Il residuo R è duro, non corrosivo, non conduttivo e può essere lasciato in posa.
- Flussante RMA: composto da colofonia, solvente e una piccola quantità di attivatore. La maggior parte dei flussanti RMA ha un'attività piuttosto bassa e si adatta meglio alle superfici facilmente saldabili. La classificazione IPC è solitamente ROL0, ROL1, ROM0 o ROM1. Il residuo del flussante RMA è chiaro e morbido. La maggior parte non è corrosiva e non conduttiva. Molti flussanti RMA superano i test SIR come flussanti No-Clean (NC).
- Flussante RA: composto da colofonia, solvente e attivatori aggressivi. Il flussante RA ha un'attività simile e superiore a quella dell'RMA per le superfici moderatamente e altamente ossidate. La classificazione IPC è solitamente ROM0, ROM1, ROH0 o ROH1. In assenza di prove che dimostrino il contrario, si presume che i residui del flussante RA siano corrosivi. I gruppi sensibili alla corrosione o alla possibilità di conduzione elettrica attraverso il residuo devono essere puliti il prima possibile dopo l'assemblaggio.
- Flussante NC: composto da colofonia, solvente e una piccola quantità di attivatore. Il flussante NC ha in genere un'attività da bassa a moderata ed è adatto a superfici facilmente saldabili. La classificazione IPC è solitamente ROL0 o ROL1. Il residuo NC è chiaro, duro, non corrosivo, non conduttivo e progettato per essere lasciato su molti tipi di assemblaggi. I residui possono essere rimossi con un solvente appropriato.
- Flussante WS: composto da attivatori, tixotropio e solvente. Il flussante WS è disponibile in un'ampia gamma di livelli di attività, da nessuna attività a un'attività estremamente elevata per saldare anche le superfici più difficili, come l'acciaio inossidabile. La classificazione IPC inizia normalmente con OR per organico. Sono disponibili con livelli di attività L, M, H e con un contenuto di alogenuri pari a 0 o 1.
Come spiegato in precedenza, ogni flussante è disponibile con una varietà di livelli di attività, di qualità dei residui e di metodi di pulizia necessari per ripulire il processo di saldatura. Le applicazioni di saldatura difficili spesso includono caratteristiche specifiche. Due formule di flussante hanno prestazioni molto diverse, pur avendo le stesse classificazioni QQ-S-571E e J-STD-004.
Produzione di piombo
Il piombo viene estratto dal suo minerale mediante riduzione con carbonio. È necessario compiere notevoli sforzi per separare il minerale di piombo dai minerali di zinco. Oltre l’80 % di tutto il piombo prodotto è usato per realizzare batterie piombo-acido, con il piombo metallico come catodo e l’ossido di piombo (IV) come anodo.
Produzione annuale di piombo
Circa la metà del piombo raffinato nel mondo proviene dalle miniere di piombo, l’altra metà da fonti di piombo secondario (rottami). La Cina e l’Australia hanno le maggiori quantità di minerali di piombo e sono anche i maggiori produttori primari di questo metallo.
| Paese | Produzione annuale (tonnellate metriche) |
|---|---|
| Mondo | 4.7 milioni |
| Cina | 2.3 milioni |
| Australia | 633 000 |
| Stati Uniti d’America | 385 000 |
| Perù | 300 000 |
| Messico | 240 000 |
| India | 130 000 |
Il minerale di piombo più importante è la galena (PbS). I minerali di piombo e zinco (solitamente sfalerite), ZnS) si trovano spesso insieme e possono contenere anche argento, rame e oro. Il minerale deve essere prima separato dalle argille e da altri silicati (la “ganga”), dopodiché vengono separati il minerale di piombo e il minerale di zinco.
Il processo utilizzato è la flottazione con schiuma, ossia una successione di fasi ciascuna che fornisce una maggiore concentrazione del minerale di piombo. Il minerale, contenente ganga (che in genere contiene 3-8% di piombo) viene macinato con acqua fino a ottenere una dimensione delle particelle simile a quella della sabbia fine (<0,25 mm). Questa viene quindi miscelata con acqua e un agente schiumogeno (un detergente) e viene agitata violentemente con immissione d’aria per formare una sospensione fine con una schiuma di bolle sulla parte superiore. Il processo viene condotto in una serie di serbatoi.
Poiché i minerali di piombo e zinco vengono bagnati meno facilmente della ganga, aderiscono alle bolle d’aria che vengono trasportate in superficie. Successivamente il minerale di piombo viene separato dal minerale di zinco. Viene aggiunta una sostanza chimica chiamata “depressiva” (o meglio, un agente di precipitazione selettivo) che è solubile in acqua (ad esempio, solfato di zinco); il minerale di zinco affonda e il minerale di piombo viene rimosso.
Dopo la miscelazione con il calcare, il minerale concentrato filtrato viene riscaldato in aria o aria arricchita di ossigeno) su un nastro mobile. L’ossido di piombo (II) viene riscaldato e trasformato in grumi, un processo noto come sinterizzazione. La sinterizzazione graduata (ogni grumo della dimensione di un pugno) viene miscelata con circa il 7% della sua massa in coke e calcare.
Il coke viene aggiunto per due scopi: uno in qualità di agente riducente, e l’altro come fonte di calore quando reagisce con l’aria che, come nella fabbricazione del ferro, viene pompata nel forno. Il calcare fornisce materiale per il flusso contenente le impurità, le scorie. La miscela viene introdotta nella parte superiore dell’altoforno e l’ossido di piombo (ll) viene ridotto a piombo fuso. Il prodotto contiene circa il 99.5% di piombo, mentre il restante 0.5% è costituito principalmente da antimonio e argento con quantità minori di altri metalli, compreso l’oro.
I flussi in lavorazione formano una scoria fusa e surnatante di ossidi metallici e silicati. La fusione può essere effettuata anche utilizzando un condotto attraverso il quale l’olio e l’aria arricchita di ossigeno passano ad alta velocità formando condizioni turbolente. Esistono diversi processi di questo tipo che operano sotto nomi come Isasmelt, Ausmelt e Sirosmelt.
Il lingotto viene riscaldato appena sopra il suo punto di fusione. L’argento viene rimosso con una tecnica nota come processo di Parkes. Circa il 2% di zinco viene aggiunto al piombo e si forma una crosta di zinco ricca di argento che viene rimossa. Viene quindi aggiunto altro zinco a 740 °K e il bagno viene raffreddato appena sopra il suo punto di fusione (693 °K). A 863 °K lo zinco viene rimosso trasferendo il piombo in un “bollitore per lo zinco”. In questa fase il piombo desilverato contiene circa lo 0.6% di zinco e lo 0.0004% di argento.
Infine, tutte le tracce di antimonio e zinco vengono rimosse mescolando idrossido di sodio in piombo fuso a 760 °K (il suo punto di fusione è 600 °K). La miscela risultante (zincato e antimonato di sodio) formano una pellicola sulla superficie del piombo fuso che viene rimosso.
Riciclaggio del piombo
A livello globale, oltre il 50% del piombo utilizzato ogni anno proviene da fonti riciclate. Il piombo per il riciclaggio può essere sotto forma di rottami metallici (lastre per tetti, ad esempio) o composti di piombo, come le paste delle batterie piombo-acido. Nel processo a due fasi per la produzione secondaria vengono utilizzati forni rotativi o riverberatori più piccoli piuttosto che altiforni più grandi in quanto ciò consente un migliore controllo della qualità del piombo.
La prima fase utilizza pochissimo agente riducente e una volta riscaldato il forno l’eventuale piombo metallico si scioglie e può essere ottenuto dopo poche ore. Questo avrà un’elevata purezza poiché altri materiali, compresi i composti di piombo, rimangono nelle scorie. La seconda fase prevede la riduzione delle scorie utilizzando un agente riducente a base di carbonio. Il carbonato di sodio (inteso come carbonato di sodio anidro normalmente commercializzato) o carbonato di calcio viene anche aggiunto come “fondente” per aiutare a formare le scorie di impurità.
Il processo Isasmelt è un esempio di uno dei metodi più moderni di produzione secondaria di piombo in cui viene utilizzato un processo in fase singola, in particolare per la lavorazione della pasta per batterie. Questo viene immesso in un forno e fuso mediante un condotto attraverso il quale viene alimentata una miscela di olio e aria arricchita di ossigeno. È più economico utilizzare aria arricchita di ossigeno piuttosto che aria poiché ciò aumenta le velocità di reazione e significa che è possibile utilizzare impianti chimici più piccoli e ridurre il costo del carburante. Successivamente, vengono aggiunti flussi e la temperatura viene aumentata a 1500 °K.
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