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Introduzione 

Come ingegneri, a volte ci sediamo sulle nostre comode poltrone, osservando i dettagli del settore, come la fabbricazione del PCB, con un po' di nonchalance. La verità è che, se studiata a fondo, la fabbricazione del PCB è un argomento tecnologico estremamente complesso che merita di essere riconosciuto come la parte più fondamentale dell'ingegneria dei PCB. A meno che non si utilizzino connettori, adesivi conduttivi, wire-bonding o zebra-tape, nell'industria elettronica moderna è sempre necessario utilizzare un qualche tipo di flussante durante il processo di saldatura per creare una connessione elettrica. In questo articolo parleremo dei flussanti: cosa sono, di cosa sono fatti (sì, ci sarà molta chimica, non spaventatevi), come dovrebbero essere utilizzati e in quale direzione si sta muovendo il settore.

Storia 

La scelta del giusto tipo di fondente è un aspetto su cui gli interessi del fornitore di servizi di produzione elettronica (EMS) e del cliente possono divergere. Il fornitore di servizi di produzione elettronica (EMS) desidera i materiali di base più economici e facili da usare, con la massima resa possibile. Il cliente, tuttavia, vorrà probabilmente tenere in considerazione l'affidabilità futura, la resistenza alla corrosione, l'impatto ambientale e la compatibilità con trattamenti successivi, come il conformal coating. Fino agli anni '70, la maggior parte dei fondenti era a base di colofonia. La colofonia è una resina ottenuta per riscaldamento e/o distillazione di resine naturali, come quelle prodotte da pini e altre conifere. È stata utilizzata per millenni per aumentare l'attrito (ad esempio negli archetti per violino), come colla, legante o vernice.

All'inizio degli anni '90, la pratica prevalente nel settore era quella di rimuovere i residui di flussante dopo la fabbricazione, solitamente mediante l'uso di clorofluorocarburi (CFC) e metilcloroformio (ora noto principalmente come 1,1,1-tricloroetano). Questi composti sono solventi incredibilmente efficaci e poco costosi da produrre, uno dei tanti motivi per cui venivano utilizzati in innumerevoli applicazioni, dalla lacca per capelli ai sistemi refrigeranti agli agenti schiumogeni. Come sicuramente tutti, tranne i lettori più giovani, sapranno, si è scoperto che i CFC hanno effetti devastanti sullo strato di ozono atmosferico. Questi solventi sono stati ora sostituiti da detergenti a base d'acqua contenenti tensioattivi (non dissimili dal detersivo per piatti) e agenti saponificanti, un cambiamento che ha richiesto la riformulazione della maggior parte dei flussanti per renderli più facilmente lavabili. Saldatura e flussante La saldatura è l'unione di superfici metalliche tra loro utilizzando una lega bassofondente come proverbiale "colla", senza fondere i metalli di base. Affinché la giunzione abbia successo, tutte le superfici interessate devono essere prive di ossidi metallici e di altri contaminanti superficiali.

Garantire la preparazione della superficie è compito del flussante. 

• Il flussante ideale per saldatura svolge tutte le seguenti funzioni quando riscaldato. 
• Protegge la superficie da ulteriore ossidazione, particolarmente necessaria poiché la superficie verrà riscaldata durante il processo di saldatura e si ossiderebbe rapidamente. 
• Riduce la tensione superficiale. Avete mai provato l'esperimento in cui fate galleggiare una graffetta nell'acqua per via della tensione superficiale, poi aggiungete una goccia di sapone e la graffetta affonda all'istante? Allo stesso modo, un flussante può rompere la tensione superficiale tra la lega per saldatura e la superficie metallica, migliorando la bagnabilità. 
• Aiuta a distribuire il calore in modo uniforme. 
• Reagisce con gli ossidi metallici o li rimuove. 
• Dissolve gli ossidi se si trasformano in sali metallici.

Una volta raffreddato a temperatura ambiente, il flussante per saldatura dovrebbe: 

• Essere elettricamente isolante. 
• Lasciare solo residui trasparenti e non riflettenti (per consentire ispezioni ottiche). 
• Lasciare solo residui sottili, facilmente perforabili dalle sonde di prova in-circuit. 
• Essere chimicamente inerte. 
• Non igroscopico, per evitare la crescita dendritica, un fenomeno in cui una tensione presente tra due conduttori induce la migrazione di ioni metallici, solitamente attraverso un mezzo igroscopico che ha assorbito umidità. 
• Essere facilmente solubile in solventi comunemente disponibili, economici e sicuri (idealmente acqua). 

Non è (sempre) possibile soddisfare tutti i requisiti contemporaneamente, ma i flussi moderni possono avvicinarsi. 

Cosa c'è in un flusso (teoria) 

Le diverse azioni richieste da un flusso implicano diversi ingredienti nella sua composizione: solvente, attivatore, veicolo e altri additivi. 

Solvente 

Un solvente è necessario per sciogliere gli attivatori, il veicolo e altri additivi, evaporando durante il processo di preriscaldamento o se si dimentica il barattolo aperto... I solventi comuni sono alcoli, glicoli, esteri ed eteri di glicole e acqua. 

Attivatore 

L'attivatore è il componente principale responsabile della rimozione degli ossidi metallici e della prevenzione della loro formazione durante il processo di saldatura. 

Gli attivatori definiscono le caratteristiche "reattive" del flusso, tra cui la sua corrosività e la sua efficacia nella rimozione degli ossidi. 

Tra gli attivatori più comuni troviamo: 

• Cloridrati di ammina Acidi dicarbossilici, ad esempio acidi adipici o succinti 

• Acidi organici (in pratica, quelli della macedonia) come l'acido citrico (sì, quello dei limoni), l'acido malico (comunemente presente nelle mele) o l'acido abietico (derivato dalla colofonia di pino)

• Alogenuri (da non confondere con gli alogeni; maggiori informazioni alla fine dell'articolo)

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Tra tutti gli attivatori moderni, gli alogenuri offrono le migliori prestazioni di bagnatura e le più elevate rese produttive, ma sono anche più corrosivi, rimanendo attivi anche dopo 

il processo di saldatura. 

Solitamente, i flussi no-clean contenenti alogenuri contengono anche colofonia o altre resine sintetiche per "fissare" i residui ed evitare corrosione e migrazione elettrochimica.

"Attivo" può, a tutti gli effetti, essere considerato sinonimo di "corrosivo" quando si parla di flussi. 

Veicolo 

Il veicolo è un liquido non volatile o un solido utilizzato per rivestire la superficie durante la saldatura e sciogliere i sali metallici (creati durante la reazione di riduzione e ossidazione tra ossidi metallici e attivatori). 

Esempi di veicoli sono: 

• Colofonia 

• Resine sintetiche 

• Glicoli e poliglicoli 

• Polieteri 

• Glicerina

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Colofonia e resine sono i veicoli più stabili e hanno il minimo impatto sull'affidabilità, mentre gli altri sono utilizzati principalmente nei flussi idrosolubili. 

Altri additivi 

I flussi possono contenere un po' di tutto, tra cui: 

• Tensioattivi per ridurre la tensione superficiale e migliorare la bagnabilità 

• Agenti schiumogeni per flussi schiumogeni 

• Additivi per migliorare la fluidità o la viscosità 

• Additivi per migliorare l'adesività delle paste saldanti 

• Plasticizzante per indurire le resine

Tipi di fondenti 

I fondenti vengono solitamente distinti in base a una combinazione di composizione (ad esempio, senza colofonia e alogenuri) e applicazione (ad esempio, no-clean o idrosolubile) che si adattano al marketing.

I nomi possono sembrare semplici e intuitivi, ma sono pensati per essere comprensibili dal punto di vista di un produttore di PCB e possono essere fuorvianti per gli ingegneri elettronici.

Flussi a base di colofonia e moderne alternative alle resine 

La maggior parte dei flussi del passato (e molti ancora oggi) utilizzano la colofonia sia come veicolo che come attivatore di luce. Tuttavia, nella colofonia sono naturalmente presenti acidi, come l'acido abietico e l'acido dimerico. La colofonia è stata a lungo adottata per questa applicazione per una serie di motivi. Più comunemente, perché può sciogliere i sali metallici, solidificandoli e intrappolando i residui a temperatura ambiente. Inoltre, si dissolve facilmente in molti solventi, si liquefa alle temperature richieste dal processo di saldatura ed è economica e ampiamente disponibile. 

L'attività di un flussante a base di colofonia dipende principalmente dagli attivatori e dai tensioattivi utilizzati. Alcuni attivatori lasciano residui essenzialmente non corrosivi, mentre altri, come gli alogenuri, possono essere corrosivi se lasciati in quantità eccessive. La colofonia pura, senza alcun attivatore, è sufficientemente attiva per saldare solo superfici di rame ben pulite e quasi non ossidate. 

I flussi a base di colofonia sono generalmente suddivisi in quattro tipologie: 

Colofonia pura (R) 

Colofonia leggermente attivata (RMA) 

Colofonia attivata (RA) 

Colofonia super attivata (RSA) 

Storicamente, solo i flussi R o RMA sono stati approvati per l'uso in applicazioni ad alta affidabilità, come quelle delle telecomunicazioni e militari. 

Questa distinzione è obsoleta da decenni. Negli anni '80, l'IPC sviluppò lo standard IPC-SF-818, successivamente sostituito dallo J-STD-004A e adottato come ISO-9454, che invece caratterizza l'attività del flusso con una lettera (L, M, H per bassa, media, alta), uno zero per l'assenza di alogenuri o un uno per il flusso contenente alogenuri, come mostrato di seguito: 

L0 - Bassa (0% di alogenuri) 

L1 - Bassa (max 0,5% di alogenuri) 

M0 - Moderata (0% di alogenuri) 

M1 - Moderata (0,5-2% di alogenuri) 

H0 - Alta (0% di alogenuri) 

H1 - Alta (contenuto di alogenuri pari o superiore al 2%)

 Inoltre, i codici standard per il veicolo del flusso: 

RO - Colofonia 

RE - Resina 

OR - Organica 

IN - Inorganica 

I due possono essere combinati. Ad esempio, REM0 è un flusso a base di resina priva di alogenuri moderatamente attivo. 

Sebbene oggigiorno i flussi a base di colofonia siano raramente utilizzati nell'industria elettronica tradizionale per l'assemblaggio di schede, sono ancora ampiamente raccomandati per le riparazioni e le rilavorazioni di schede, grazie alla loro stabilità. 

È importante notare, tuttavia, che le persone possono sviluppare una sensibilità alla colofonia se l'esposizione supera le quantità raccomandate. Questo è il motivo principale per cui è necessario un dispositivo di aspirazione dei fumi di saldatura durante la saldatura manuale. 

Sebbene i flussi a base di colofonia siano generalmente inerti, i loro residui possono interferire con i test del letto d'aghi e il conformal coating, oltre ad attrarre contaminanti superficiali e umidità.

Flussanti idrosolubili 

I flussanti idrosolubili sono talvolta chiamati "flussanti di acidi organici", un nome che non ha alcuna reale distinzione o significato, poiché quasi tutti i flussanti contengono acidi organici. 

Rispetto ai flussanti a base di colofonia, i flussanti a base d'acqua sono molto più attivi (come sempre, può essere un vantaggio, può essere uno svantaggio, a voi la scelta), funzionano efficacemente in un intervallo di tempo e temperatura più ampio e hanno una resa maggiore grazie alla loro eccellente azione bagnante che si traduce in una migliore resistenza meccanica delle giunzioni. 

Lo svantaggio di tutte queste meravigliose proprietà? I flussanti idrosolubili sono corrosivi e devono essere adeguatamente puliti, altrimenti comprometteranno gravemente l'affidabilità a lungo termine. 

I flussanti idrosolubili possono contenere poliglicoli, una sostanza che può aumentare l'igroscopicità dello strato dielettrico del PCB. Se le vostre schede sono soggette a variazioni di temperatura estreme che possono causare condensa localizzata, dovreste fare attenzione. Insieme agli elevati gradienti di tensione, l'elevata umidità è il principale fattore di rischio per i CAF (filamenti anodici conduttivi). 

I CAF sono una modalità di guasto simile a quella dei dendriti, ma con diverse differenze. 

I dendriti hanno un aspetto frattale, i CAF sembrano "macchie". 

La crescita dei dendriti avviene solitamente in superficie, i CAF sono interni. 

I CAF sembrano essere un fenomeno che interessa solo il rame, mentre i dendriti possono essere costituiti da rame, piombo o stagno. 

I dendriti crescono da catodo ad anodo, i CAF da anodo a catodo. 

I dendriti sono costituiti da metallo, i CAF da sali di rame.

È importante notare che il solvente utilizzato nei flussanti idrosolubili è molto raramente acqua. In questo contesto, "idrosolubile" significa che può essere lavato via con acqua, non che debba essere disciolto in essa prima dell'applicazione. 

Un rischio critico nell'utilizzo di flussanti idrosolubili è che spesso richiedono spruzzi ad alta pressione. Molti componenti, in particolare gli interruttori, non possono sopravvivere a questa fase di lavaggio senza danneggiarsi. Inoltre, l'acqua difficilmente penetra sotto i BGA e viene rallentata da schede densamente popolate, in modo simile a come le correnti d'acqua vorticose si formano naturalmente dietro le pietre di un ruscello o intorno ai grattacieli. 

I vantaggi dei flussanti idrosolubili sono che consentono la migliore adesione del conformal coating e hanno il minimo impatto sulle proprietà dielettriche del substrato, quindi sono ideali per i circuiti RF. 

Flussanti No-Clean (flussanti a basso contenuto di solidi) 

Fino alla metà degli anni '80, la maggior parte dei flussanti aveva un elevato contenuto di solidi e fluidi non volatili, tipicamente dal 25 al 35% in peso. I primi flussanti moderni, composti principalmente da acidi organici deboli, avevano un contenuto di solidi compreso tra il 5 e l'8%. Oggigiorno, molti flussanti moderni "no-clean" ne contengono solo l'1 o il 2%. 

Il nome di questi flussanti è cambiato da "a basso residuo" o "a basso contenuto di solidi" a "no-clean", un nome appropriato solo se i residui non sono corrosivi. 

Dagli anni '90 in poi, i flussanti hanno iniziato ad apparire sul mercato con soluzioni a base d'acqua per ridurre l'uso di COV (Composti Organici Volatili). 

Oggi oltre il 70% dei dispositivi elettronici in tutto il mondo viene prodotto con flussanti "no-clean". Sebbene siano molto più difficili da utilizzare (poiché gli intervalli di temperatura possono essere molto restrittivi), con un'attenta implementazione consentono al produttore di evitare il processo di pulizia e risparmiare denaro. 

I vantaggi dei flussanti "no-clean" sono principalmente legati ai costi inferiori e al ridotto impatto ambientale. 

Presentano, tuttavia, una serie di svantaggi. 

Letto d'aghi: 

• i residui no-clean possono essere duri e scivolare attraverso la mascheratura, raggiungendo il punto di prova del letto d'aghi, compromettendo il test. 

• Difficoltà di ispezione: i residui fragili e trasparenti spesso assomigliano a una saldatura incrinata, rendendo difficile l'ispezione. 

• Possono inibire l'adesione del conformal coating, poiché i residui rimangono sulla scheda. 

• Corrosivo se non riscaldato. 

Quest'ultimo svantaggio è qualcosa di cui pochissimi ingegneri sono a conoscenza, ma è della massima importanza! I flussanti no-clean sono corrosivi fin da subito e diventano non corrosivi solo dopo la corretta attivazione. 

Se si rilavora o si ripara una scheda utilizzando flussanti no-clean, è necessario prestare la massima attenzione durante il loro utilizzo. 

Ad esempio: 

• Utilizzare solo filo di saldatura con anima di flussante e nessun altro flussante, assicurandosi che tutto il flussante venga attivato riscaldandolo. 

• Ridurre al minimo il diametro del filo di saldatura. 

• Ridurre al minimo l'uso di flussante. Non utilizzare applicatori contagocce. 

• Non mescolare mai diversi flussanti no-clean, a meno che non sia espressamente consentito dal produttore. 

• Non pulire il flussante no-clean, poiché la pulizia non farà altro che diffondere ulteriormente i residui. Invece, disattivarlo riscaldandolo. 

• Cuocere le schede per attivare eventuali residui di flussante

Appendice 

Alogeni e alogenuri: qual'è la differenza? 

Nell'industria elettronica, spesso confondiamo il termine "alogeno" con "alogenuro". Un alogeno è un elemento della settima colonna della tavola periodica, come fluoro, cloro, bromo, iodio e astato. L'astato è uno degli elementi più rari presenti in natura e lo iodio non è molto utilizzato nel nostro settore, lasciandoci con i primi tre.

Il bromuro di alogeno è stato spesso aggiunto ai polimeri (plastiche), compresi molti utilizzati come isolanti elettrici, come ritardante di fiamma. 

Gli alogeni sono in fase di graduale eliminazione per un paio di motivi di salute: 

Quando bruciano, formano diossina (un noto cancerogeno). 

I componenti elettronici contenenti bromuro possono emanare fumi corrosivi durante la combustione; nelle server farm, un singolo incendio può aumentare il rischio di guasti successivi dovuti alla contaminazione da questi fumi. 

Gli alogeni sono stati introdotti per la prima volta per sostituire i PCB e sono stati vietati in quasi tutto il mondo dal 1979. Aspetta, cosa? Questa volta, PCB significa Bisfenoli Policlorurati, non Circuiti Stampati. 

Gli alogeni hanno sette elettroni di valenza (elettroni disponibili per le reazioni chimiche) e sono quindi estremamente attivi. Sono potenti composti ossidanti poiché cercano di ottenere un ottavo elettrone. Quando raggiungono questo obiettivo, diventano alogenuri. Esempi di cui potresti aver sentito parlare sono il cloruro di sodio (sale da cucina), il cloruro d'argento (pellicola fotografica), l'acido cloridrico (l'acido) e il cloruro di calcio (sale antighiaccio). Una volta ottenuto questo ottavo elettrone, non lo vogliono più e diventano agenti riducenti. 

In generale, gli alogenuri vengono utilizzati come attivatori di flusso e gli alogeni come ritardanti di fiamma per il substrato del PCB. In rare eccezioni, gli alogeni possono essere utilizzati come additivi nei flussi per migliorare le prestazioni ad alta temperatura. 

Un flusso privo di alogeni è anche privo di alogenuri, sebbene il contrario non sia necessariamente vero.