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Termistori SMD: perché ogni componente è unico
Differenze nella massa termica e nella sensibilità alla saldatura nei termistori NTC e PTC
La principale differenza tra i termistori NTC e PTC risiede nella loro reazione alla temperatura: quelli NTC diminuiscono, mentre quelli PTC aumentano. Ciò determina la principale differenza nella loro risposta termica durante la saldatura. I termistori NTC e PTC realizzati in involucri più piccoli, come quelli da 0402 e 0603, tendono a riscaldarsi molto rapidamente e sono particolarmente sensibili agli shock termici causati dalla saldatura. Gli involucri da 0805 e di dimensioni maggiori offrono una maggiore massa termica, ma assorbono il calore più lentamente e possono sopportare profili termici più graduali e meno intensi. Si tenga presente che i termistori ceramici NTC esistono e richiedono che la temperatura massima di saldatura rimanga al di sotto dei 260 °C. Una saldatura effettuata a temperature superiori a tale soglia può causare microfessurazioni, le quali potrebbero non risultare evidenti fino all’effettivo utilizzo dei termistori. I termistori polimerici PTC subiscono un degrado oltre i 230 °C; pertanto, la scelta del metodo di saldatura diventa critica. Secondo il rapporto IPC 2023 sui difetti di saldatura, il 42% dei termistori SMD è stato direttamente causato da errori nel profilo di saldatura.
Termistori SMD: effetti della suscettibilità alle scariche elettrostatiche (ESD) e il loro impatto sulla progettazione dei termistori
I substrati ceramici ad altissima temperatura e gli elettrodi in micrometri dei termistori SMD determinano un'elevatissima suscettibilità alle scariche elettrostatiche (ESD). Una scarica ESD di 100 V, ben al di sotto della soglia di scarica elettrostatica per l'essere umano, è in grado di ridurre la durata utile fino al 30%. Una scarica ESD di questa entità rende obbligatorio l'utilizzo di attrezzature sicure contro le scariche elettrostatiche, come pinzette antistatiche, postazioni di lavoro collegate a terra e flussi d'aria ionizzata. L'integrazione di questi componenti in dispositivi a circuito ultra-basso, con corrente operativa spesso inferiore a 1 mA, richiede un controllo rigoroso del flusso di saldatura. Un eccesso di flusso provoca residui conduttivi indesiderati, in grado di cortocircuitare i bordi aperti del circuito o creare percorsi di dispersione che possono causare malfunzionamenti indesiderati del circuito e imprecisioni. Questi vincoli hanno portato il produttore a stabilire una temperatura massima di rifusione per la saldatura pari a 250 °C ± 10 °C, al fine di rimanere al di sotto della temperatura operativa media e garantire al contempo un punto di riferimento per l'integrità del giunto saldato, minimizzando così il rischio di separazione degli strati interni. La validazione dell'assemblaggio da parte del produttore ha evidenziato un aumento del 60% dei difetti nei termistori.
Perfezionamento degli strumenti e delle attrezzature per la saldatura precisa di termistori SMD
Scelta e regolazione di stazioni a getto d'aria calda e saldatori a punta microscopica per pacchetti 0402–0805
Durante la saldatura di termistori 0402–0805, una stazione a getto d'aria calda con flusso d'aria finemente controllato (±2 °C) e saldatori a punta microscopica con punte ≤0,8 mm possono essere utilizzati per separare i collegamenti saldati, mentre i saldatori assistono nella realizzazione di ponticelli. La calibrazione mensile e l’uso di sensori termici tracciabili garantiscono un miglioramento delle attrezzature per la saldatura; infatti, significative cadute di temperatura di ±5 °C aumentano la formazione di giunti freddi. Per la saldatura manuale, le punte dei saldatori vengono mantenute tra 350 e 380 °C, mentre la saldatura a getto d'aria calda deve essere effettuata a una temperatura ≤280 °C, con una velocità massima di rampa termica di 2 °C/s.
Scelta del flussante, applicazione del flussante e profili termici per la saldatura di termistori SMD
I flussanti senza pulizia, a basso residuo e privi di alogeni sono i migliori per la formazione di giunzioni saldate di alta qualità per componenti elettronici passivi e per ridurre le ore di lavoro, poiché tali flussanti non contengono resine né presentano solubilità. Il flussante deve essere applicato in modo mirato e non deve essere applicato sul corpo del termistore, per evitare un aumento della carbonizzazione del rame e dell’impedenza dell’isolamento. Per la saldatura si deve utilizzare un profilo di saldatura a rifusione che preveda un preriscaldamento a 150–180 °C per 60–90 secondi, un mantenimento (soaking) a 180–200 °C per 60–120 secondi, una temperatura di picco di rifusione a 220–250 °C per 45–60 secondi al di sopra della temperatura eutettica e un raffreddamento controllato a <4 °C/secondo. Il profilo di saldatura a rifusione deve essere verificato mediante un profilo termico calibrato posizionato in prossimità della firma termica del sistema rispetto alla giunzione saldata.
Il processo di saldatura dei termistori SMD può essere suddiviso in quattro fasi fondamentali: stagnatura controllata, posizionamento preciso, rifusione con doppia fonte di calore e monitoraggio termico in tempo reale.
Per contrastare la massa termica e l'isteresi osservate nelle misurazioni, applicare soltanto la quantità di pasta saldante necessaria a creare un cordone sottile e continuo. Per ottenere un posizionamento corretto entro ±0,1 mm, i termistori devono essere prelevati e posizionati con pinzette antistatiche e anti-magnetiche dotate di ingrandimento 10×. Combinare il preriscaldamento della scheda a 150 °C con il riscaldamento dei terminali, utilizzando un saldatore a punta microscopica regolato a 280 °C e applicandolo per ≤3 secondi. Applicare una saldatura a rifusione diagonale, assicurandosi che la punta microscopica del saldatore non entri in contatto con il corpo ceramico del termistore. Per le procedure di saldatura a rifusione, controllare la temperatura dei terminali a 200 °C mediante un forno portatile a rifusione a infrarossi (IR) con doppia zona. La qualità della saldatura a rifusione deve essere mantenuta a un livello accettabile, dopodiché si dovrà procedere all’ispezione radiografica per esaminare i giunti saldati dei termistori. La soglia per i vuoti deve essere impostata al 15%. Le sezioni trasversali dei vuoti devono essere analizzate congiuntamente alla deriva termica, al fine di correlare pienamente i risultati relativi ai vuoti con i dispositivi NTC e PTC.
Giunti freddi, ponticelli di saldatura e sollevamento delle piazzole nella saldatura di termistori SMD
I giunti freddi appaiono opachi o porosi, con poca o nessuna saldatura. Ciò è generalmente dovuto a una quantità insufficiente di saldatura oppure a un eccesso o a una quantità insufficiente di saldatura. Filamenti sottili di saldatura accumulati sui giunti, uniti a una formazione scadente del cordone, possono provocare un giunto saldato di scarsa qualità. Questi possono essere ri-fusi utilizzando una nuova pasta saldante senza residui e riscaldati mediante applicazione con punta microscopica a una temperatura compresa tra 230 e 250 gradi. Uno o due cicli sono ottimali. Un’eccessiva deposizione o un’allineamento errato della maschera per la saldatura provoca quasi sempre un ponticello di saldatura. Ciò comporta un controllo scadente della saldatura ed esercita una forte sollecitazione sulle altre terminazioni poste in prossimità del giunto saldato; pertanto il ponticello di saldatura viene rimosso utilizzando una treccia dissaldante alla temperatura massima di 280 gradi, al fine di ridurre al minimo i cortocircuiti termici. Il sollevamento delle piste (pad lifting) si verifica quando il giunto si stacca chiaramente dalla base del substrato, di solito a causa di un tempo di permanenza eccessivo sulla pista (pad dwell) o di un supporto insufficiente della pista stessa. Tale fenomeno è aggravato da un supporto insufficiente della pista. Le superfici ossidate vengono pulite con isopropanolo (IPA), esponendo superfici fresche e rinforzandole con una resina epossidica conduttiva a base d’argento, che normalmente ha già collegato la pista attraverso cicli termici compresi tra -40 e +125 gradi. È sempre necessario convalidare la riparazione effettuando 50 cicli tra gli estremi operativi per confermare la sicurezza meccanica ed elettrica.
Domande e Risposte
Qual è la differenza fondamentale tra termistori NTC e PTC?
I termistori NTC riducono la resistenza all’aumentare della temperatura, mentre i termistori PTC presentano un comportamento opposto. Questa differenza influisce notevolmente sia sui parametri di saldatura sia su quelli di funzionamento di questi dispositivi.
Qual è il metodo più efficace per ridurre le scariche elettrostatiche (ESD) durante il montaggio dei termistori SMD?
I metodi più efficaci per raggiungere questo obiettivo consistono nell’utilizzare pinzette antistatiche collegate a terra, un’area di lavoro collegata a terra e un flusso d’aria ionizzato collegato a terra, in grado di scaricare a bassa tensione. Utilizzare tali attrezzature in modo tale da dissipare completamente anche le più piccole scariche potenzialmente responsabili di un evento ESD, garantendo che il funzionamento del termistore non venga compromesso e che ne risulti un’operatività modulare ottimale.
Quali sono i migliori strumenti per saldare termistori con ingombro così ridotto, ad esempio nei formati 0402 e 0603?
I migliori dispositivi per tale operazione prevedono l'uso di una stazione ad aria calda dotata di un controllo preciso della temperatura, abbinata a un saldatore a punta microscopica con un diametro inferiore a 0,8 millimetri. Per ottenere i risultati desiderati, utilizzare il controllo degli eventi in un periodo di calibrazione non superiore a 1 mese.
Perché la scelta del flussante è importante quando si saldano i termistori SMD?
Perché un flussante inadatto può lasciare residui che creano un circuito di dispersione o isolano gli strati del termistore, compromettendo il corretto funzionamento del circuito. Per lavori ad alta precisione, utilizzare un flussante "no clean" privo di alogeni.
Qual è la causa del sollevamento della piazzola e come vengono eseguite le relative riparazioni?
Il sollevamento della piazzola è generalmente dovuto a una progettazione inadeguata della piazzola o all'applicazione di un eccesso di calore. La riparazione di un sollevamento lieve è possibile utilizzando una resina epossidica conduttiva al silver dopo aver rimosso gli strati ossidati.
