Sabato, Aprile 02 2011 18: 44

Circuito stampato e assemblaggio di computer

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Schede elettriche stampate

I circuiti stampati (PWB) sono il quadro elettrico interconnesso e la struttura fisica che tengono insieme i vari componenti elettronici di un circuito stampato. Le principali categorie di PWB sono monofacciali, bifacciali, multistrato e flessibili. I requisiti di complessità e spaziatura di schede sempre più dense e più piccole hanno richiesto che entrambi i lati della scheda fossero coperti con circuiti sottostanti. Le schede a faccia singola soddisfacevano i primi requisiti di calcolatrici e dispositivi elettronici di consumo semplici, ma i computer notebook portatili, gli assistenti digitali personali e i sistemi musicali personali hanno richiesto PWB a doppia faccia e multistrato. L'elaborazione del patterning dei PWB è essenzialmente un processo fotolitografico che comporta il deposito e la rimozione selettiva di strati di materiali su un substrato dielettrico che funge da "cablaggio" elettrico che viene inciso o depositato sul circuito stampato.

Le schede multistrato contengono due o più pezzi di materiale dielettrico con circuiti impilati e uniti insieme. Le connessioni elettriche vengono stabilite da un lato all'altro, e al circuito dello strato interno, mediante fori trapanati successivamente rivestiti di rame. Il substrato dielettrico più comunemente utilizzato è costituito da lastre in fibra di vetro (laminato epossidico/fibra di vetro). Altri materiali sono il vetro (con resine di poliimmide, teflon o triazina) e la carta ricoperta di resina fenolica. Negli Stati Uniti, i pannelli laminati sono classificati in base alle loro proprietà antincendio; proprietà di foratura, punzonatura e lavorazione; proprietà di assorbimento dell'umidità; resistenza chimica e al calore; e resistenza meccanica (Sober 1995). L'FR-4 (resina epossidica e substrato di tessuto di vetro) è ampiamente utilizzato per applicazioni ad alta tecnologia.

L'attuale processo PWB prevede numerose fasi e un'ampia varietà di agenti chimici. La tabella 1 illustra un tipico processo multistrato e i problemi EHS associati a questo processo. La differenza principale tra una scheda a faccia singola ea doppia faccia è che la scheda a faccia singola inizia con la materia prima rivestita solo su un lato con rame e omette la fase di placcatura chimica in rame. La scheda a doppia faccia standard ha una maschera di saldatura su rame nudo ed è placcata attraverso i fori; la scheda ha contatti rivestiti in oro e una legenda dei componenti. La maggior parte dei PWB sono pannelli multistrato, che sono a doppia faccia con strati interni che sono stati fabbricati e inseriti all'interno del pacchetto laminato e quindi lavorati in modo quasi identico a un pannello a doppio strato.

Tabella 1. Processo PWB: aspetti ambientali, di salute e sicurezza

Fasi primarie del processo

Problemi di salute e sicurezza

Questioni ambientali

Preparazione del materiale

Acquista laminato specifico, materiale di ingresso e pannello di supporto in dimensioni pretagliate
Layout di elaborazione assistita da computer

Progettazione assistita da computer: videoterminali e rischi ergonomici

Nessuna

Impila e fissa

I pannelli rivestiti in rame sono impilati con materiale di ingresso e pannello di supporto; fori praticati e
tassello appuntato.

Rumore durante la perforazione; particolato di perforazione contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o rigenerati

Perforazione

Foratrici a controllo numerico (N/C).

Rumore durante la perforazione; particolato di perforazione contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o rigenerati

sbavare

I pannelli forati passano attraverso spazzole o mola abrasiva

Rumore durante la sbavatura; particolato contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o recuperati

Ramatura chimica

Aggiunta di un sottile strato di rame ai fori passanti
(processo in più fasi)

Inalazione ed esposizione cutanea a detergenti, balsami, mordenzanti, catalizzatori—H2SO4, H2O2, eteri glicolici, KMnO4, NH4HF2, palladio, SnCl2, CSO4, formaldeide, NaOH

Scarichi idrici: acidi, rame, sostanze caustiche,
fluoruri; emissioni atmosferiche: gas acidi,
formaldeide

Imaging

Dry film resist: fotopolimero sensibile ai raggi UV
Resist serigrafato: emulsione sensibile alla luce
Resist liquido: resist liquido fotosensibile

Inalazione ed esposizione cutanea a resiste; sviluppatori; e
svernicianti: resiste a base di gomma con solventi; N / a3PO4 e K2CO3; cloruro rameico (Cl2 gas), monoetanolammina (MEA)

Emissioni atmosferiche: solventi (COV), gas acidi,
MEA; rifiuti: liquidi

Placcatura a motivo

Pulizia
Placcatura di rame
Placcatura in stagno o stagno/piombo
Rimozione del rack

Inalazione e rischi per la pelle derivanti dalla pulizia; placcatura in rame o placcatura in stagno/stagno e piombo e sverniciatura del rack—H3PO4, H2SO4; h2SO4 e CSO4; acido fluoborico e Sn/Pb; HNO concentrato3

Emissioni atmosferiche: gas acidi; acqua
effluenti: acidi, fluoruri, metalli (rame,
piombo e stagno)

Strappare, incidere, strappare

Striscia di resistenza
Attacco alcalino
Striscia di rame

Inalazione e rischi per la pelle da striscia resist; incisione alcalina o striscia di rame - ammina monoetanolica (MEA); NH4OH; NH4Cl/NH4OH o NH4HF2

Emissioni atmosferiche: MEA, ammoniaca, fluoruri;
effluenti idrici: ammoniaca, fluoruri, metalli
(rame, piombo e stagno), composti resistenti

Maschera per saldatura

Inchiostri epossidici: serigrafia
Film secchi: laminati su PWB
Inchiostro epossidico fotosensibile liquido

Inalazione e rischi per la pelle dovuti alla pulizia preliminare; inchiostri epossidici e supporti solventi; sviluppatori - H2SO4; epicloridrina + bisfenolo A, eteri glicolici (a base di PGMEA); gamma-butirrolattone. 

Luce UV dal processo di polimerizzazione

Emissioni atmosferiche: gas acidi, eteri glicolici
(VOC); rifiuti: solventi, inchiostri epossidici

Rivestimento per saldatura

Livellamento della saldatura

Inalazione e rischi per la pelle dovuti a flusso, prodotti di decomposizione e residui di saldatura piombo/stagno: eteri glicolici diluiti + <1% HCl e <1% HBr; aldeidi, HCl, CO; piombo e stagno

Emissioni atmosferiche: eteri glicolici (COV), gas acidi, aldeidi, CO; rifiuti: saldatura piombo/stagno, fondente

Placcatura in oro e nichel

 

Inalazione e rischi per la pelle da acidi, metalli e
cianuri - H2SO4, H.N.O.3, NiSO4, oro cianuro di potassio

Emissioni atmosferiche: gas acidi, cianuri; acqua
emissioni: acidi, cianuri, metalli;
rifiuti: cianuri, metalli

Legenda dei componenti

Stampa schermo
Cura al forno

Inalazione e rischi per la pelle da inchiostri a base epossidica e supporti solventi: solventi a base di etere di glicole, epicloridrina + bisfenolo A

Emissioni atmosferiche - rifiuti di eteri glicolici (COV) - inchiostri e solventi (piccole quantità)

Cl2 = cloro gassoso; CO = monossido di carbonio; CSO4 = solfato di rame; H2O2 = perossido di idrogeno; H2SO4 = acido solforico; H3PO4 = acido fosforico; HBR = acido bromidrico; HCl = acido cloridrico; HNO3 = acido nitrico; K2CO3 = carbonato di potassio; KMNO4 = permanganato di potassio; N / A3PO4 = fosfato di sodio; NH4Cl = cloruro di ammonio; NH4OH = idrossido di ammonio; NiSO4 = solfato di nichel; Pb = piombo; Sn = stagno; SnCl2 = cloruro stannoso; UV = ultravioletto; COV = composti organici volatili.

 

Assemblaggio di circuiti stampati

L'assemblaggio di circuiti stampati (PCB) comporta il fissaggio rigido di componenti elettronici al PWB attraverso l'uso di saldatura piombo/stagno (in una saldatrice ad onda o applicata come pasta e poi rifusa in un forno a bassa temperatura) o resine epossidiche ( polimerizzato in un forno a bassa temperatura). Il PWB sottostante (singolo lato, doppio lato, multistrato o flessibile) determinerà le densità dei componenti che possono essere fissati. Numerosi problemi di processo e affidabilità costituiscono la base per la selezione dei processi di assemblaggio PCB che verranno utilizzati. I principali processi tecnologici sono: tecnologia di montaggio su superficie totale (SMT), tecnologia mista (include sia SMT che foro passante placcato (PTH)) e fissaggio sul lato inferiore.

Tipicamente nelle moderne strutture di assemblaggio di elettronica/computer, viene utilizzata la tecnologia mista, con alcuni componenti montati in superficie e altri connettori/componenti saldati utilizzando la tecnologia a foro passante o il riflusso della saldatura. Di seguito viene discusso un "tipico" processo a tecnologia mista, in cui viene utilizzato un processo di montaggio superficiale che prevede l'attacco adesivo, la saldatura ad onda e la saldatura a rifusione. Con la tecnologia mista, a volte è possibile ridisporre i componenti a montaggio superficiale (SMC) sul lato superiore di una scheda a doppia faccia e saldare ad onda gli SMC sul lato inferiore. Tale processo è particolarmente utile quando le tecnologie a montaggio superficiale ea foro passante devono essere combinate su un'unica scheda, che è la norma nell'attuale produzione elettronica. Il primo passaggio consiste nel montare gli SMC sul lato superiore della scheda, utilizzando il processo di rifusione della saldatura. Successivamente, vengono inseriti i componenti a foro passante. La scheda viene quindi capovolta e gli SMC sul lato inferiore vengono montati adesivamente sulla scheda. La saldatura ad onda sia dei componenti a foro passante che degli SMC sul lato inferiore è il passaggio finale.

Le principali fasi del processo tecnico a tecnologia mista includono:

  • pre e post pulizia
  • pasta saldante e applicazione adesiva (serigrafia e posizionamento (SMT e PTH))
  • inserimento dei componenti
  • polimerizzazione dell'adesivo e rifusione della saldatura
  • flussaggio (PTH)
  • saldatura ad onda (PTH)
  • sopralluogo e ritocco
  • analisi
  • rielaborazione e riparazione
  • operazioni di supporto: pulizia degli stampini.

 

Di seguito viene fornita una breve discussione delle importanti implicazioni ambientali, sanitarie e di sicurezza per ciascuna fase del processo.

Pre e post pulizia

I PWB commerciali vengono in genere acquistati da un fornitore di PWB e sono stati pre-puliti con una soluzione di acqua deionizzata (DI) per rimuovere tutti i contaminanti superficiali. Prima delle preoccupazioni relative all'esaurimento dello strato di ozono stratosferico, una sostanza che riduce lo strato di ozono, come un clorofluorocarburo (CFC), sarebbe stata utilizzata come pulizia finale o addirittura pre-pulizia dal produttore di dispositivi elettronici. Al termine del processo di assemblaggio del PCB, era tipico l'utilizzo di un'operazione di “sgrassaggio a vapore” con clorofluorocarburi per rimuovere i residui dell'operazione di saldatura a flusso/onda. Sempre a causa delle preoccupazioni per l'esaurimento dell'ozono e dei severi controlli normativi sulla produzione di CFC, sono state apportate modifiche al processo che hanno consentito agli assemblaggi PWB completi di bypassare la pulizia o utilizzare solo una pulizia con acqua DI.

Applicazione della pasta saldante e dell'adesivo (stampa e posizionamento dello stencil) e inserimento dei componenti

L'applicazione della pasta saldante piombo/stagno sulla superficie del PWB consente di collegare il componente a montaggio superficiale al PWB ed è fondamentale per il processo SMT. Il materiale di saldatura funge da collegamento meccanico per la conduzione elettrica e termica e come rivestimento per la protezione della superficie e una migliore saldabilità. La pasta saldante è composta da circa il 70-90% di materia non volatile (su base peso per peso o peso per volume):

  • saldatura piombo/stagno
  • una miscela di resine modificate (acidi di colofonia o colofonia leggermente attivata)
  • attivatori (nel caso di prodotti “no clean”, miscele di idroalogenuri amminici e acidi o solo acidi carbossilici).

 

I solventi (materia volatile) costituiscono il resto del prodotto (tipicamente una miscela di alcol e glicoletere che è una miscela brevettata).

La pasta saldante viene stampata attraverso uno stencil, che è un modello esatto del disegno della superficie che deve essere aggiunto alla superficie PWB. La pasta per saldatura viene spinta attraverso le aperture nello stencil sui siti del pad sul PWB per mezzo di una spatola che attraversa lentamente lo stencil. Lo stencil viene quindi sollevato, lasciando i depositi di pasta sugli appositi cuscinetti della tavola. I componenti vengono quindi inseriti nel PWB. I principali rischi EHS riguardano la pulizia e l'igiene personale degli operatori che applicano la pasta saldante sulla superficie dello stencil, puliscono la spatola e puliscono gli stencil. La concentrazione di piombo nella saldatura e la tendenza della pasta saldante essiccata ad aderire alla pelle e alle superfici di lavoro dell'attrezzatura/impianto richiede l'uso di guanti protettivi, una buona pulizia delle superfici di lavoro, lo smaltimento sicuro dei materiali di pulizia contaminati ( e manipolazione ambientale) e rigorosa igiene personale da parte degli operatori (ad esempio, lavarsi le mani con sapone prima di mangiare, bere o applicare cosmetici). I livelli di esposizione nell'aria sono generalmente al di sotto del limite di rilevamento per il piombo e, se si utilizza una buona pulizia/igiene personale, le letture di piombo nel sangue sono a livelli di fondo.

L'applicazione dell'adesivo prevede l'erogazione automatizzata di piccole quantità di una resina epossidica (tipicamente una miscela di bisfenolo A-epicloridrina) sulla superficie del PWB e quindi il "prelievo e posizionamento" del componente e l'inserimento attraverso la resina epossidica sul PWB. I pericoli EHS si riferiscono principalmente ai rischi di sicurezza meccanica delle unità "pick and place", a causa dei loro gruppi meccanici automatizzati, delle navette dei componenti sul retro delle unità e del potenziale di lesioni gravi se non sono disponibili protezioni adeguate, barriere fotoelettriche e interblocchi hardware regalo.

Polimerizzazione dell'adesivo e rifusione della saldatura

I componenti che sono stati attaccati mediante stampa a stencil o applicazione di adesivo vengono quindi trasportati su un trasportatore meccanico ad altezza fissa a un forno di rifusione in linea che "avvia" la saldatura rifondendo la pasta saldante a circa 200-400 °C. Anche i componenti che sono stati fissati dall'adesivo epossidico vengono fatti passare attraverso un forno che si trova a valle del riflusso della saldatura ed è tipicamente eseguito da 130 a 160oC. I componenti solventi della pasta saldante e della resina epossidica vengono rimossi durante il processo del forno, ma il componente piombo/stagno non viene volatilizzato. Un residuo simile a una ragnatela si accumulerà nel condotto di scarico del forno a riflusso e per evitare ciò è possibile utilizzare un filtro a rete metallica. I PWB possono occasionalmente rimanere intrappolati nel sistema di trasporto e surriscaldarsi nel forno, causando odori sgradevoli.

Flussaggio

Per formare un giunto di saldatura affidabile sulla superficie del PWB e sul piombo del componente, entrambi devono essere privi di ossidazione e devono rimanere tali anche alle temperature elevate utilizzate nella saldatura. Inoltre, la lega saldante fusa deve bagnare le superfici dei metalli da unire. Ciò significa che il flusso di saldatura deve reagire e rimuovere gli ossidi metallici dalle superfici da unire e impedire la riossidazione delle superfici pulite. Richiede inoltre che i residui siano non corrosivi o facilmente rimovibili. I flussi per la saldatura di apparecchiature elettroniche rientrano in tre grandi categorie, comunemente noti come flussi a base di colofonia, flussi organici o solubili in acqua e flussi sintetici rimovibili con solvente. I flussi di composti organici non volatili (NVOC) più recenti, a basso contenuto di solidi, "no clean" rientrano nella categoria media.

Disossidanti a base di colofonia

I flussi a base di colofonia sono i flussi più comunemente usati nell'industria elettronica, sia come flusso a spruzzo or flusso di schiuma. Il fondente può essere contenuto all'interno dell'apparecchiatura di saldatura ad onda o come unità autonoma posizionata all'ingresso dell'unità. Come base, i flussi a base di colofonia hanno colofonia naturale, o colofonia, la colofonia traslucida di colore ambra ottenuta dopo che la trementina è stata distillata dall'oleoresina e dalla resina del canale dei pini. La resina viene raccolta, riscaldata e distillata, rimuovendo eventuali particelle solide, ottenendo una forma purificata del prodotto naturale. È un materiale omogeneo con un unico punto di fusione.

La colofonia è una miscela di circa il 90% di acido resinico, che è principalmente acido abietico (un acido organico non solubile in acqua) con il 10% di materiali neutri come derivati ​​dello stilbene e vari idrocarburi. La Figura 1 fornisce le strutture chimiche per gli acidi abietico e pimarico.

Figura 1. Acidi abietico e pimarico

MIC050F4

Il costituente attivo è l'acido abietico, che alla temperatura di saldatura è chimicamente attivo e attacca l'ossido di rame sulla superficie del PWB, formando rame abiet. I flussi a base di colofonia hanno tre componenti: il solvente o veicolo, la colofonia e l'attivatore. Il solvente funge semplicemente da veicolo per il flusso. Per essere efficace, la colofonia deve essere applicata alla tavola allo stato liquido. Ciò si ottiene dissolvendo la colofonia e l'attivatore in un sistema solvente, tipicamente alcol isopropilico (IPA) o miscele multicomponente di alcoli (IPA, metanolo o etanolo). Quindi il flusso viene schiumato sulla superficie inferiore del PCB attraverso l'aggiunta di aria o azoto, oppure spruzzato in una miscela "a basso contenuto di solidi" che ha un contenuto di solvente più elevato. Questi componenti solventi hanno velocità di evaporazione diverse e alla miscela di fondente deve essere aggiunto un diluente per mantenere una composizione di fondente costituente. Le principali categorie di disossidanti a base di colofonia sono: colofonia leggermente attiva (RMA), che sono i tipici disossidanti in uso, ai quali viene aggiunto un blando attivatore; e colofonia attiva (RA), a cui è stato aggiunto un attivatore più aggressivo.

Il principale rischio EHS di tutti i disossidanti a base di colofonia è la base solvente alcolica. I pericoli per la sicurezza riguardano l'infiammabilità durante lo stoccaggio e l'uso, la classificazione e la manipolazione come rifiuti pericolosi, le emissioni nell'aria e i sistemi di trattamento necessari per rimuovere i COV e le questioni di igiene industriale legate all'inalazione e all'esposizione cutanea (cutanea). Ciascuno di questi elementi richiede una diversa strategia di controllo, istruzione e formazione dei dipendenti e permessi/conformità normativa (Association of the Electronics, Telecommunications and Business Equipment Industries 1991).

Durante il processo di saldatura ad onda, il flusso viene riscaldato da 183 a 399°C; i prodotti aerotrasportati generati includono aldeidi alifatiche, come la formaldeide. Molti flussi contengono anche un attivatore di cloridrato di ammina organica, che aiuta a pulire l'area da saldare e rilascia acido cloridrico quando riscaldato. Altri componenti gassosi includono benzene, toluene, stirene, fenolo, clorofenolo e alcool isopropilico. Oltre ai componenti gassosi del flusso riscaldato, viene creata una quantità significativa di particolato, di dimensioni comprese tra 0.01 micron e 1.0 micron, noto come fumi di colofonia. Questi materiali particolati sono stati trovati come irritanti respiratori e anche sensibilizzanti respiratori in soggetti sensibili (Hausen, Krohn e Budianto 1990). Nel Regno Unito, gli standard di esposizione aerea richiedono che i livelli dei fumi di colofonia siano controllati ai livelli più bassi raggiungibili (Health and Safety Commission 1992). Inoltre, l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) ha stabilito un valore limite di soglia separato per i prodotti di pirolisi della saldatura con nucleo di colofonia di 0.1 mg/m3, misurata come formaldeide (ACGIH 1994). La Lead Industries Association, Inc. identifica l'acetone, l'alcool metilico, le aldeidi alifatiche (misurate come formaldeide), l'anidride carbonica, il monossido di carbonio, il metano, l'etano, l'acido abietico e i relativi acidi diterpenici come tipici prodotti di decomposizione della saldatura con nucleo di colofonia (Lead Industries Association 1990 ).

Flussi organici

I flussi organici, a volte chiamati flussi intermedi o flussi solubili in acqua, sono compositi più attivi dei flussi a base di colofonia e meno corrosivi dei flussi acidi utilizzati nelle industrie di lavorazione dei metalli. I composti attivi generali di questa classe di flussi si dividono in tre gruppi:

  • acidi (p. es., stearico, glutammico, lattico, citrico)
  • alogeni (p. es., cloridrati, bromuri, idrazina)
  • ammidi e ammine (p. es., urea, trietanolammina).

 

Questi materiali e altre parti della formulazione, come i tensioattivi per aiutare a ridurre la tensione superficiale della saldatura, sono disciolti in polietilenglicole, solventi organici, acqua o solitamente una miscela di diversi di questi. I flussi organici devono essere considerati corrosivi, ma possono essere rimossi facilmente, con solo acqua calda.

Flussi sintetici attivati ​​(AS).

Mentre i flussi a base di colofonia sono materiali solidi disciolti in un solvente, i flussi AS sono solitamente formule totalmente liquide (solvente + flusso). Il vettore di solvente viene allontanato durante la fase di preriscaldamento della saldatura ad onda, lasciando un residuo umido e oleoso sulla superficie del PWB, che deve essere rimosso immediatamente dopo la saldatura. L'attributo principale dei flussi AS è la loro capacità di essere rimossi mediante l'uso di un solvente adatto, tipicamente a base di fluorocarburi. Con le restrizioni sull'uso di sostanze che riducono lo strato di ozono come i fluorocarburi (Freon TF, Freon TMS e così via), l'uso richiesto di questi materiali per la pulizia ha fortemente limitato l'uso di questa classe di disossidanti.

Flussi a basso contenuto di solidi “no clean” o non VOC

La necessità di eliminare la pulizia post-saldatura di residui di flusso corrosivi o appiccicosi con solventi al fluorocarburo ha portato all'uso diffuso di una nuova classe di flussi. Questi flussi sono simili nell'attività ai flussi RMA e hanno un contenuto di solidi di circa il 15%. Il contenuto di solidi è una misura della viscosità ed è uguale al rapporto tra flusso e solvente. Minore è il contenuto di solidi, maggiore è la percentuale di solvente. Maggiore è il contenuto di solidi, più attivo è il flusso e maggiore è la possibilità che sia necessaria una fase di pulizia post-saldatura. Il flusso a basso contenuto di solidi (LSF) è comunemente utilizzato nell'industria elettronica e in genere non richiede la fase di post-pulizia. Dal punto di vista delle emissioni atmosferiche ambientali, l'LSF ha eliminato la necessità di sgrassare con vapori di fluorocarburi le schede saldate ad onda, ma con il loro contenuto di solventi più elevato, hanno aumentato la quantità di solventi a base alcolica evaporati, con conseguenti livelli di VOC più elevati. I livelli di emissioni di COV nell'aria sono strettamente controllati negli Stati Uniti e in molte località del mondo. Questa situazione è stata affrontata con l'introduzione di disossidanti "no clean", che sono a base d'acqua (piuttosto che a base di solvente) ma contengono attivatori e colofonie simili. I principi attivi primari sono a base di acido bicarbossilico (dal 2 al 3%), tipicamente acidi glutarico, succinico e adipico. tensioattivi ed inibitori di corrosione (circa l'1%) sono inclusi, risultando in un pH (acidità) da 3.0 a 3.5. Questi flussi eliminano virtualmente le emissioni atmosferiche di COV e altri pericoli EHS associati all'utilizzo di flussi a base di solventi. I prodotti di decomposizione rilevati nei disossidanti a base di colofonia sono ancora applicabili e il pH mite richiede che l'attrezzatura per la manipolazione del disossidante sia resistente agli acidi. Alcune prove aneddotiche indicano potenziali problemi cutanei o respiratori causati dagli acidi dicarbossilici essiccati e leggermente acidi e dagli inibitori della corrosione che possono diventare un residuo sui supporti di bordo, sui carrelli e sulle superfici interne delle apparecchiature di saldatura ad onda che utilizzano questi composti. Inoltre, la componente acquosa di questi flussi potrebbe non evaporare adeguatamente prima di colpire il crogiolo di saldatura fuso, il che può portare a schizzi di saldatura calda.

Saldatura ad onda

L'aggiunta di flusso alla superficie inferiore del PWB può essere eseguita da un fondente situato all'interno dell'unità di saldatura ad onda o da un'unità autonoma all'ingresso dell'unità di saldatura ad onda. La Figura 2 fornisce una rappresentazione schematica di un'unità di saldatura ad onda standard con il fondente posizionato internamente. Entrambe le configurazioni vengono utilizzate per schiumare o spruzzare il flusso sul PWB.

Figura 2. Schema dell'unità di saldatura ad onda

MICO50F5

Il preriscaldamento

I portatori di flusso devono essere evaporati prima della saldatura. Ciò si ottiene utilizzando preriscaldatori ad alta temperatura per allontanare i componenti liquidi. Sono in uso due tipi fondamentali di preriscaldatori: radiante (hot rod) e volumetrico (aria calda). I riscaldatori radianti sono comuni negli Stati Uniti e presentano il potenziale per l'accensione del flusso o del solvente in eccesso o la decomposizione di un PWB se viene immobilizzato sotto il preriscaldatore. Sul lato flussante/preriscaldatore dell'unità di saldatura ad onda è prevista una ventilazione di scarico locale per catturare ed espellere i materiali solvente/flussante evaporati durante queste operazioni.

saldatura

La lega di saldatura (tipicamente dal 63% di stagno al 37% di piombo) è contenuta in un grande serbatoio chiamato pentola di saldatura, ed è riscaldato elettricamente per mantenere la saldatura in uno stato fuso. I riscaldatori includono un potente riscaldatore sfuso per eseguire la fusione iniziale e un'alimentazione di calore regolata più piccola per controllare termostaticamente la temperatura.

Il successo della saldatura a livello di scheda richiede che la progettazione del crogiolo di saldatura e dei sistemi della pompa di ricircolo forniscano continuamente una costante "ondata" di saldatura fresca. Con la saldatura, la saldatura pura viene contaminata da composti di piombo/stagno ossidati, impurità metalliche e prodotti di decomposizione del flusso. Questo scoria si forma sulla superficie della saldatura fusa e maggiore è la bava formata, maggiore è la tendenza alla formazione aggiuntiva. La scoria è dannosa per il processo di saldatura e l'onda di saldatura. Se si forma abbastanza nel vaso, può essere trascinato nella pompa di ricircolo e causare l'abrasione della girante. Gli operatori di saldatura ad onda sono tenuti a rimuovere la bava l'onda regolarmente. Questo processo prevede che l'operatore estragga le scorie solidificate dalla saldatura fusa e raccolga i residui per il recupero/riciclaggio. Il processo di rimozione della bava prevede che l'operatore apra fisicamente lo sportello di accesso posteriore (tipicamente una configurazione ad ala di golfo) adiacente al crogiolo di saldatura e raccolga manualmente le scorie calde. Durante questo processo dalla pentola si liberano emissioni visibili altamente irritanti per gli occhi, il naso e la gola dell'operatore. L'operatore è tenuto a indossare guanti termici, un grembiule, occhiali di sicurezza e uno schermo facciale e protezione respiratoria (per particolato di piombo/stagno, gas corrosivi (HCl) e aldeide alifatica (formaldeide)). La ventilazione di scarico locale è fornita dall'interno dell'unità di saldatura ad onda, ma il crogiolo di saldatura viene ritirato meccanicamente dall'armadio principale per consentire all'operatore l'accesso diretto a entrambi i lati del crogiolo caldo. Una volta ritirato, il condotto di scarico locale che è montato nell'armadio diventa inefficace per rimuovere i materiali liberati. I rischi primari per la salute e la sicurezza sono: ustioni termiche da saldatura calda, esposizione respiratoria ai materiali sopra menzionati, lesioni alla schiena dovute alla manipolazione di pesanti lingotti di saldatura e fusti di scoria ed esposizione a residui di saldatura di piombo/stagno/particolato fine durante le attività di manutenzione.

Durante l'effettivo processo di saldatura, le porte di accesso sono chiuse e l'interno dell'unità di saldatura ad onda è sotto pressione negativa a causa della ventilazione di scarico locale fornita sui lati del flusso e del crogiolo di saldatura dell'onda. Questa ventilazione e le temperature di esercizio del crogiolo di saldatura (tipicamente da 302 a 316°C, che è appena al di sopra del punto di fusione della saldatura), determinano la minima formazione di fumi di piombo. L'esposizione primaria al particolato di piombo/stagno si verifica durante le attività di rimozione della scorza e di manutenzione dell'attrezzatura, dall'agitazione delle scorie nel recipiente, al trasferimento nel recipiente di recupero e alla pulizia dei residui di saldatura. Il particolato fine di piombo/stagno si forma durante l'operazione di rimozione della scorza e può essere rilasciato nella stanza di lavoro e nella zona di respirazione dell'operatore di saldatura ad onda. Sono state ideate varie strategie di controllo tecnico per ridurre al minimo queste potenziali esposizioni al particolato di piombo, tra cui l'incorporazione di ventilazione di scarico locale nel recipiente di recupero (vedere figura 3), l'uso di aspiratori HEPA per la pulizia dei residui e condotti di scarico flessibili con bracci articolati per posizionare ventilazione della pentola calda durante la rimozione della scorza. Deve essere vietato l'uso di scope o spazzole per raccogliere i residui di saldatura. Devono essere richieste anche rigorose pratiche di pulizia e igiene personale. Durante le operazioni di manutenzione dell'attrezzatura per la saldatura ad onda (che vengono eseguite su base settimanale, mensile, trimestrale e annuale), vari componenti dell'hot pot vengono puliti all'interno dell'attrezzatura o rimossi e puliti in una cappa aspirante localmente. Queste operazioni di pulizia possono comportare la raschiatura fisica o la pulizia meccanica (utilizzando un trapano elettrico e una spazzola metallica) della pompa di saldatura e dei deflettori. Alti livelli di particolato di piombo vengono generati durante il processo di pulizia meccanica e il processo deve essere eseguito in un involucro localmente esausto.

Figura 3. Carrello scorie con coperchio sottovuoto

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Sopralluogo, ritocco e collaudo

Le funzioni di ispezione visiva e ritocco vengono condotte dopo la saldatura ad onda e comportano l'uso di lenti di ingrandimento/task light per l'ispezione fine e il ritocco delle imperfezioni. La funzione di ritocco può comportare l'utilizzo di a saldatura a bastone saldatore a mano e saldatura con nucleo di colofonia o spazzolatura su una piccola quantità di flusso liquido e saldatura a filo di piombo/stagno. I fumi visivi della saldatura a bastoncino coinvolgono i prodotti di decomposizione del flusso. Piccole quantità di cordone di saldatura piombo/stagno che non aderiscono al giunto di saldatura possono rappresentare un problema di pulizia e igiene personale. Dovrebbe essere fornito un ventilatore adiacente alla postazione di lavoro per la ventilazione di diluizione generale lontano dalla zona di respirazione dell'operatore o un sistema di scarico dei fumi più sofisticato che catturi i prodotti di decomposizione sulla punta del saldatore o adiacente all'operazione. I fumi vengono quindi indirizzati a un sistema di scarico dell'impianto di lavaggio dell'aria che incorpora la filtrazione HEPA per il particolato e l'adsorbimento di gas a carbone attivo per le aldeidi alifatiche e i gas di acido cloridrico. L'efficacia di questi sistemi di scarico di saldatura dipende fortemente dalle velocità di cattura, dalla vicinanza al punto di generazione dei fumi e dall'assenza di correnti incrociate sulla superficie di lavoro. Il test elettrico del PCB completato richiede attrezzature e software di test specializzati.

Rielaborazione e riparazione

Sulla base dei risultati del test della scheda, le schede difettose vengono valutate per specifici guasti dei componenti e sostituite. Questa rielaborazione delle schede può comportare la saldatura a bastoncino. Se è necessario sostituire i componenti primari sul PCB come il microprocessore, a rilavorazione pentola di saldatura viene utilizzato per immergere quella parte della scheda che ospita il componente o il giunto difettoso in un piccolo crogiolo di saldatura, rimuovere il componente e quindi reinserire un nuovo componente funzionale sulla scheda. Se il componente è più piccolo o più facile da rimuovere, an vuoto d'aria viene impiegato un sistema che utilizza aria calda per riscaldare il giunto di saldatura e il vuoto per rimuovere la saldatura. Il crogiuolo per saldatura di rilavorazione è alloggiato all'interno di un involucro con scarico locale che fornisce una velocità di scarico sufficiente per catturare i prodotti di decomposizione del flusso che si formano quando la lega per saldatura liquida viene spazzolata sulla scheda e viene stabilito il contatto con la saldatura. Questo vaso forma anche scorie e richiede attrezzature e procedure per la rimozione delle scorie (su scala molto più piccola). Il sistema di aspirazione dell'aria non richiede di essere alloggiato all'interno di un involucro, ma la saldatura piombo/stagno rimossa deve essere gestita come rifiuto pericoloso e recuperata/riciclata.

Operazioni di supporto: pulizia degli stampini

La prima fase del processo di assemblaggio del PCB ha comportato l'uso di uno stampino per fornire lo schema dei punti di giunzione per la pasta saldante piombo/stagno da far passare attraverso. In genere, le aperture dello stencil iniziano a ostruirsi ei residui di pasta per saldatura di piombo/stagno devono essere rimossi a turno. Una pre-pulizia viene solitamente eseguita presso la stampante serigrafica per catturare la contaminazione grossolana sulla scheda, pulendo la superficie della scheda con una miscela di alcol diluito e salviette usa e getta. Per rimuovere completamente i residui rimanenti è necessario un processo di pulizia a umido. In un sistema simile a una grande lavastoviglie, viene utilizzata acqua calda (57°C) e una soluzione chimica di ammine alifatiche diluite (monoetanolammina) per rimuovere chimicamente la pasta saldante dallo stencil. Quantità significative di saldatura piombo/stagno vengono lavate via dalla scheda e depositate nella camera di lavaggio o in soluzione nell'acqua di scarico. Questo effluente richiede la filtrazione o la rimozione chimica del piombo e la regolazione del pH per le ammine alifatiche corrosive (utilizzando acido cloridrico). I nuovi pulitori per stampini a sistema chiuso utilizzano la stessa soluzione di lavaggio finché non viene esaurita. La soluzione viene trasferita in un'unità di distillazione e le sostanze volatili vengono distillate fino a formare un residuo semiliquido. Questo residuo viene quindi trattato come rifiuto pericoloso contaminato da piombo/stagno.

Processo di assemblaggio del computer

Una volta che il PCB finale è stato assemblato, viene trasferito all'operazione di assemblaggio dei sistemi per l'incorporazione nel prodotto informatico finale. Questa operazione è tipicamente molto laboriosa, con i componenti da assemblare forniti alle singole postazioni di lavoro su carrelli di staging lungo la linea di assemblaggio meccanizzata. I principali rischi per la salute e la sicurezza riguardano la movimentazione e la messa in scena dei materiali (carrelli elevatori, sollevamento manuale), le implicazioni ergonomiche del processo di assemblaggio (campo di movimento, forza di inserimento richiesta per "impostare" i componenti, installazione di viti e connettori) e l'imballaggio finale , termoretraibile e spedizione. Un tipico processo di assemblaggio di computer prevede:

  • preparazione telaio/valigia
  • Inserimento PCB (scheda madre e figlia).
  • inserimento del componente principale (unità floppy, disco rigido, alimentatore, unità CD-ROM).
  • gruppo display (solo portatili)
  • inserimento mouse e tastiera (solo portatili)
  • cablaggio, connettori e altoparlanti
  • gruppo coperchio superiore
  • download del software
  • test
  • rielaborare
  • ricarica della batteria (solo portatili) e imballaggio
  • imballaggio termoretraibile e spedizione.

 

Gli unici prodotti chimici che possono essere utilizzati nel processo di assemblaggio comportano la pulizia finale del case del computer o del monitor. In genere, viene utilizzata una soluzione diluita di alcool isopropilico e acqua o una miscela commerciale di detergenti (p. es., Simple Green, una soluzione diluita di butilcellosolve e acqua).

 

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Contenuti

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