La brasatura in elettronica
La brasatura (in inglese “soldering”) rappresenta il metodo principale per realizzare le giunzioni di componenti elettronici, come resistori, condensatori o circuiti integrati ai circuiti stampati o ai substrati ceramici utilizzati per i microcircuiti ibridi. La miniaturizzazione ha alimentato la ricerca di nuove tecnologie di brasatura per applicazioni elettroniche. La produzione di circuiti elettronici con un’elevata funzionalità ha portato ad una grande attenzione all’integrità dei giunti brasati, non solo per ottenere un’elevata affidabilità, ma anche per limitare i costi dei prodotti di scarto, del testing dei circuiti e della riparazione dei giunti difettosi. La minimizzazione dei giunti difettosi dipende dalla progettazione dei circuiti stampati, dal package dei dispositivi e dall’assemblaggio.
Brasatura
La brasatura, nota comunemente come saldatura a stagno, consiste nella giunzione di due superfici metalliche utilizzando un materiale a basso punto di fusione. Le parti da brasare devono essere poste ad una piccola distanza tra loro, le superfici devono essere bagnate con la lega brasante fusa e la lega deve raffreddarsi fino ad arrivare alla solidificazione.
La brasatura presenta diversi vantaggi rispetto ad altre tecnologie per realizzare la giunzione di due metalli:
- La lega brasante non aderisce a materiali isolanti, perciò può essere applicata in eccesso, a differenza degli adesivi conduttori. La temperatura necessaria per fondere la lega è relativamente bassa, perciò non c’è la necessità di applicare calore localmente come per la saldatura.
- La brasatura permette una grande libertà nel dimensionamento dei giunti, in modo che sia possibile ottenere buoni risultati anche se nello stesso prodotto sono usate una grande varietà di componenti.
- I giunti brasati possono essere rimossi se necessario, facilitando le riparazioni.
- Le attrezzature necessarie sia per la brasatura manuale che automatizzata sono relativamente semplici.
- Il processo di brasatura può essere facilmente automatizzato
La lega brasante può essere applicata in diversi modi:
- Una miscela di polvere e flusso (pasta brasante), può essere applicata ai giunti. Questa tecnologia è usata di solito per componenti che richiedono un montaggio superficiale.
- Le parti da brasare possono essere prestagnate, cioè ricoperte da uno strato di lega brasante per immersione in un bagno di lega fusa.
- La lega può essere ottenuta in forma di anelli che sono posizionate adiacenti alle parti che devono essere brasate.
Flussi
Il ruolo dei flussi nella brasatura è di ridurre strati sottili di ossido sul substrato o sulla lega brasante, diminuire la tensione superficiale della lega brasante per migliorare il flusso capillare e ottimizzare la geometria del giunto. I flussi utilizzati in elettronica possono rimuovere solo strati di ossido molto sottili. Gli strati di ossido più spessi sono rimossi prima di applicare il flusso con degli attacchi chimici. La rimozione dell’ossido superficiale da parte del flusso è inibita dalla presenza di film organici sulla superficie. Perciò le superfici devono essere sgrassate prima di applicare il flusso. Nelle applicazioni elettroniche si utilizzano flussi con bassa attività, per minimizzare la potenziale corrosione da parte di residui non rimossi. I flussi sono applicati ai circuiti stampati per spray, per immersione della scheda in un bagno di flusso, passaggio in un getto di flusso o copertura con una schiuma a base di flusso.
L’utilizzo dei flussi deve soddisfare tre condizioni di compatibilità dei materiali:
- Il potenziale danneggiamento i dispositivi, materiali di base e superfici depositate prima dell’assemblaggio aumenta con flussi più attivi.
- I residui del flusso con alto contenuto ionico possono causare una corrosione dopo l’assemblaggio, da cui la necessità di eliminare questi residui.
- Gli agenti e i processi utilizzati per la rimozione dei flussi residui devono essere compatibili con i dispositivi, i substrati e le norme ambientali. I solventi organici, come l’1,1,1-tricloroetano e il freon sono molto efficaci nel rimuovere residui di flussi, ma il loro utilizzo deve essere limitato a causa dei danni provocati all’ambiente.
I flussi si possono dividere in diverse categorie, non tutte utilizzate in applicazioni elettroniche.
I flussi a base di resina, basati su prodotti della distillazione di resine di pino, sono i più utilizzati per applicazioni elettroniche. Il flusso composto da resina pura sono contrassegnati con la lettera R. Poiché il flusso R è un acido molto debole, i suoi residui non sono corrosivi per molte applicazioni. L’attività dei flussi a base di resina è rinforzata dall’azione di agenti attivanti. Questi flussi possono essere divisi in debolmente attivati (RMA), pienamente attivati (RA), e superattivati (RSA). Gli attivatori usati tipicamente sono ioni alogenuri (Cl-, F-, Br-). Ad un’altra categoria appartengono i flussi “no-clean”. Sono chiamati così i flussi che non danno problemi di corrosione dopo la brasatura, e che perciò non è necessario rimuovere. L’attività di questi flussi può avvicinarsi a quella dei tradizionali RMA. Un’attività maggiore può essere fornita da flussi a base di acidi organici. Questi flussi sono più resistenti alle alte temperature, ma vanno usati con più cautela poiché possono formare depositi difficili da rimuovere. I flussi più attivi sono quelli a base di acidi inorganici estremamente corrosivi (acido cloridrico, fosforico, etc…), che però non sono utilizzati per applicazioni di microelettronica.
Tecnologie
Le leghe per la brasatura dolce sono usate in differenti livelli nella sequenza di assemblaggio di comnponenti elettronici. Un primo utilizzo di queste leghe consiste nella connessione del chip in silicio (die) al substrato. Questa connessione deve assicurare una continuità meccanica ed elettrica tra chip e substrato, e deve inoltre fornire un cammino per la dissipazione del calore generato nel semiconduttore. Mentre nella maggior parte delle applicazioni sviluppate finora, le connessioni elettriche tra chip e substrato erano fornite da fili conduttori, questa nuova tecnologia sta oggi prendendo piede grazie all’alto numero di terminali di input/output che possono essere connessi ad una data area. La configurazione “flip chip”, mostrata in fig. 2.1, rappresenta un approccio di questo tipo. Il chip è girato con la parte superiore verso il basso e montato su un’apposito substrato per mezzo di sfere di lega per brasatura (solder bumps).
Fig. 2.1: Sezione trasversale di una connessione “flip chip”
Il livello successivo di assemblaggio e interconnessione è il montaggio del componente microelettronico sul circuito stampato (printed wiring board o PWB). Le leghe per brasatura sono il mezzo principale per effettuare questo tipo di interconnessione: praticamente tutti i dispositivi microelettronici sono montati sui circuiti stampati attaraverso leghe per brasatura.
Ci sono due modi per connettere componenti elettroniche ai circuiti stampati: montaggio “pin-through-hole” e montaggio superficiale, illustrati rispettivamente nelle figure 2.2 e 2.3.
Fig. 2.2: Sezione trasversale di connessioni “through hole” di componenti microlelettronici su un circuito stampato
I componenti montati in superficie possono essere dotati di fili che vanno collegati alle piste presenti sul substrato, oppure possono essere collegati alla scheda attraverso una matrice di sfere (ball grid array) di pasta per saldare.
Fig. 2.3: Sezione trasversale di connessioni a montaggio superficiale di componenti microelettronici su un circuito stampato
La pasta è depositata per screen printing, o con altre tecnologie simili. La stampabilità della pasta può essere determinata dalla distribuzione delle particelle di lega, dal contenuto di metallo e dalla viscosità. Piccole particelle di lega brasante passano più facilmente nelle aperture della maschera usata per lo stampaggio. Però, il contenuto più alto di ossido delle particelle più piccole (alto rapporto superficie-volume) crea un numero più grande di sfere post-brasatura, che sono piccole sfere che non riescono a coagularsi con la massa della lega del giunto (fig. 2.4). Le sfere di lega brasante che non sono rimosse con processi di pulitura possono causare cortocircuiti.
Fig.2.4: Micrografia al SEM di sfere di lega brasante su un substrato ceramico
La brasatura dei dispositivi con montaggio superficiale utilizza una tecnologia chiamata “reflow soldering”. Essa consiste nell’applicare la pasta per saldare su una delle superfici, di solito quella del circuito stampato, e riscaldando l’intero assemblato per far fondere la pasta, che solidificando forma la giunzione. La pasta per saldare è una miscela di polvere di lega, flusso e altri additivi. Gli additivi sono aggiunti alla pasta per promuovere la bagnabilità e per controllane proprietà come viscosità e adesione.
La brasatura “pin-through-hole” è comunemente effettuata con la tecnologia “wave soldering”, illustrata nella fig. 2.4. L’assemblato è trasportato sopra un bagno di lega fusa da cui la lega viene spruzzata attraverso un ugello formando un’onda (wave) che viene a contatto con l’assemblato. In questo modo la superficie della lega fusa è sempre pulita. La lega brasante fusa risale nei fori della scheda per azione capillare e forma le giunzioni.
Le proprietà delle giunzioni dipendono dal tipo di processo. La formulazione e la stampabilità della pasta sono parametri critici per la “reflow soldering”, mentre per il processo “wave soldering” sono importanti soprattutto la densità e la viscosità della lega fusa.
Fig. 2.4: Wave soldering di un circuito stampato
Fino ad oggi le leghe per brasatura sono usate soprattutto nell’assemblaggio di componenti elettronici su circuito stampato, e molto poco nella connessione del chip al substrato. Tuttavia con l’avvento della tecnologia “flip chip” l’utilizzo di leghe per brasatura in quest’ultimo campo si sta diffondendo velocemente. Nel processo “flip chip” il chip di silicio ha una matrice di sfere di lega distribuite sulla sua superficie, in genere depositate per via elettrochimica o per PVD.