La saldatura ad onda è un processo di saldatura massiva per componenti a montaggio passante (THT). Il circuito stampato, con i componenti inseriti dal lato superiore, avanza su un convogliatore sopra un'onda di lega saldante fusa generata da una pompa. Quando il lato inferiore entra a contatto con l'onda, la lega bagna ogni reoforo e piazzola esposti, risale lungo i fori metallizzati e forma tutti i giunti a foro passante su quel lato in un unico passaggio.
Prima del contatto con l'onda, sulla scheda viene applicato il flussante tramite spray e viene eseguito il preriscaldo. All'uscita dall'onda, i giunti si raffreddano e solidificano. La sequenza flussaggio, preriscaldo, onda e raffreddamento costituisce l'intero processo di saldatura ad onda. Ciascuna fase richiede parametri specifici; la maggior parte dei difetti deriva dall'impostazione errata di queste fasi o dal layout del circuito stampato.
La saldatura ad onda garantisce rapidità e ripetibilità su schede ad alta densità di giunti THT. Risulta invece poco adatta a circuiti con il lato saldature occupato da numerosi componenti a montaggio superficiale (SMD). Di seguito vengono analizzati il funzionamento del processo, i parametri critici del profilo termico, i criteri di scelta rispetto a saldatura selettiva o a rifusione e le regole di sbroglio necessarie per ottenere giunti privi di difetti.
Punti chiave
- La saldatura ad onda salda simultaneamente tutti i giunti a montaggio passante sul lato inferiore facendo scorrere la scheda sopra un'onda stazionaria di lega fusa.
- Il processo si articola in quattro fasi: flussaggio, preriscaldo, contatto con l'onda e raffreddamento. Il preriscaldo evapora i solventi del flussante e porta il circuito stampato alla temperatura necessaria per garantire il riempimento del foro metallizzato.
- Molti impianti adottano una doppia onda: una turbolenta per penetrare nei fori e aggirare i componenti, seguita da una laminare per asportare la lega in eccesso e azzerare i ponti di saldatura.
- I componenti SMT posizionati sul lato inferiore richiedono incollaggio e un layout specifico per la saldatura ad onda, oppure una maschera di protezione (pallet). In assenza di questi requisiti, la saldatura selettiva rappresenta l'alternativa preferibile.
- Il layout del circuito stampato determina la resa di processo: orientamento dei componenti rispetto alla direzione di avanzamento, sporgenza dei reofori, gioco tra foro e reoforo e dispersione termica verso i piani interni.
Cos'è la saldatura ad onda?
La saldatura ad onda è un processo automatico in cui il lato inferiore del circuito stampato scorre sopra un'onda di lega saldante fusa. Il processo salda in un'unica passata i reofori a montaggio passante e, se presenti, componenti a montaggio superficiale preventivamente incollati. Un'apposita pompa all'interno del crogiolo spinge la lega saldante attraverso un ugello, formando una cresta fluida costantemente rinnovata.
Prima dell'avvento della tecnologia a montaggio superficiale, costituiva il metodo standard per la saldatura dei circuiti stampati. Oggi la maggior parte dei PCB adotta componenti SMT saldati a rifusione; la saldatura ad onda viene impiegata per connettori THT, morsettiere, trasformatori, relè e altri componenti di grandi dimensioni. Sulle schede a tecnologia mista, la rifusione SMT viene eseguita per prima (vedere il processo di saldatura a rifusione), seguita dall'inserimento dei componenti passanti e dalla saldatura ad onda.
La linea di assemblaggio SMT e THT di APT pianifica la sequenza di montaggio, stencil, rifusione, saldatura ad onda o selettiva ed eventuali eccezioni manuali prima del rilascio in produzione, definendo con precisione ogni fase del processo THT.
Quando la saldatura ad onda supera la saldatura selettiva per il montaggio passante?
| Fase | Processo | Parametri controllati | Difetto tipico in caso di deriva |
|---|---|---|---|
| 1. Flussaggio | Applicazione di flussante liquido spray o a schiuma sul lato inferiore del circuito | Rimozione degli ossidi su piazzole e reofori; bagnabilità | Flussante insufficiente: saldature mancanti, riempimento foro insufficiente. Eccessivo: residui, pallini di saldatura (solder balls) |
| 2. Preriscaldo | Riscaldatori inferiori e spesso superiori innalzano la temperatura della scheda | Evaporazione dei solventi del flussante, attivazione chimica, riduzione dello shock termico, risalita della lega nel foro passante | Temperatura troppo bassa: spruzzi, vuoti, riempimento insufficiente. Troppo alta: flussante degradato termicamente prima dell'onda |
| 3. Contatto con l'onda | Il circuito attraversa una o due onde di lega fusa con angolo e velocità definiti | Tempo di contatto, bagnabilità, riempimento del foro, drenaggio della lega in eccesso | Contatto troppo breve: riempimento insufficiente. Contatto prolungato: danno termico, dissoluzione del rame |
| 4. Raffreddamento | Il circuito esce dall'onda e si raffredda | Solidificazione del giunto, stress termomeccanico del circuito | Movimento durante la solidificazione: giunti fessurati o granulosi (disturbed joints) |
Fase 1: Flussaggio
I flussatori spray applicano un film controllato di flussante liquido sull'intera superficie inferiore del circuito stampato. I sistemi a schiuma fanno transitare la scheda sopra una testina schiumatrice. Il flussante deve raggiungere ogni piazzola e bagnare l'interno dei fori metallizzati. La formulazione chimica del flussante stabilisce inoltre se il gruppo assemblato richieda un lavaggio successivo; consultare la guida ai tipi di flussante per saldatura per il confronto tra formulazioni no-clean e idrosolubili.
Fase 2: Preriscaldo
Il preriscaldo assolve tre funzioni: fa evaporare la frazione solvente del flussante per prevenirne l'ebollizione e i conseguenti spruzzi a contatto con l'onda; porta il flussante alla temperatura di attivazione chimica; innalza la temperatura di circuito e reofori per avvicinarla a quella della lega liquida, facilitando la risalita per capillarità lungo il foro metallizzato prima della solidificazione. Circuiti ad alto spessore o dotati di ampi piani di rame richiedono profili di preriscaldo termicamente più aggressivi rispetto a schede sottili o a bassa densità di piste.
Fase 3: Contatto con l'onda di saldatura
La scheda attraversa l'onda con un'inclinazione costante verso l'alto. I sistemi a doppia onda impiegano una prima onda turbolenta per forzare la lega nei fori passanti e attorno ai corpi dei componenti, seguita da una seconda onda laminare che drena l'eccesso di materiale e definisce la geometria finale dei giunti. Il tempo di contatto di ogni singolo giunto è determinato da velocità del convogliatore, altezza dell'onda e angolo di trasporto.
Gli impianti più avanzati operano con pozzetto di saldatura inertizzato sotto battente di azoto per minimizzare l'ossidazione e la formazione di scorie (dross), ottimizzando la bagnabilità sulle finiture superficiali più critiche.
Fase 4: Raffreddamento
All'uscita dall'onda, la lega metallica solidifica formando il giunto strutturale ed elettrico. Eventuali vibrazioni o sollecitazioni meccaniche del convogliatore in questo intervallo generano difetti di giunto disturbato o microfessurazioni interne. Al termine della fase di raffreddamento, il circuito stampato passa alle stazioni di ispezione e, ove previsto dal processo, alla camera di lavaggio.
Temperatura del pozzetto, dwell time e lunghezza di contatto: quale combinazione per il passo dei reofori?
Il profilo termico della saldatura ad onda traccia l'andamento della temperatura sulla scheda durante l'avanzamento nella macchina. Come nel profilo di rifusione, la misura richiede termocoppie saldate direttamente sul circuito stampato di test, senza basarsi sui semplici setpoint impostati sull'impianto. I parametri operativi da definire comprendono:
- Tipo e quantità di flussante applicato
- Setpoint di preriscaldo e temperatura effettiva della scheda all'ingresso nell'onda, misurata sia sul lato superiore che su quello inferiore
- Lega di saldatura e temperatura del pozzetto
- Velocità e angolo di inclinazione del trasportatore, che determinano congiuntamente il tempo di contatto
- Altezza dell'onda e configurazione a singola o doppia onda
- Atmosfera di processo (aria o azoto)
I valori nominali dipendono dai datasheet del flussante e della lega saldante, dai limiti di temperatura dei componenti e dalla massa termica complessiva del circuito stampato. Le leghe senza piombo richiedono generalmente temperature di pozzetto superiori e presentano una maggiore aggressività verso il rame rispetto alle leghe stagno-piombo; occorre quindi monitorare con rigore il tempo di contatto e lo stato dei fori metallizzati. Registrare sempre il profilo all'interno della documentazione di campionatura iniziale (first-article inspection) per replicare fedelmente l'assetto nei lotti successivi.
Saldatura ad onda, selettiva, pin-in-paste o manuale: criteri di selezione per componenti THT
Questa matrice decisionale definisce il metodo di saldatura ottimale per i componenti a montaggio passante in base alle caratteristiche del circuito stampato. Identificare la riga corrispondente alla configurazione in esame.
| Situazione del circuito stampato | Saldatura ad onda | Saldatura selettiva | Pin-in-paste (rifusione) | Saldatura manuale |
|---|---|---|---|---|
| Molti giunti THT, lato inferiore privo di componenti SMT | Scelta ottimale: tutti i giunti saldati in un unico passaggio | Funzionale, ma tempo ciclo per scheda più lungo | Possibile solo con componenti compatibili con il profilo di rifusione | Troppo lenta e con elevata variabilità |
| Molti giunti THT, lato inferiore con presenza di SMT | Possibile tramite pallet per mascherare i componenti SMT, o con SMT incollati compatibili con saldatura ad onda | Spesso la soluzione più indicata | Possibile per componenti idonei | Troppo lenta |
| Pochi giunti THT su scheda mista ad alta densità | Costo del pallet difficilmente giustificabile | Scelta ottimale | Valida se i componenti tollerano la rifusione | Accettabile solo per volumi molto bassi |
| Componenti THT non compatibili con l'apporto termico dell'onda | Rischiosa | Migliore: apporto termico localizzato | Di norma non idonea | Accettabile con parametri controllati |
| Giunti ad alta massa termica (rame pesante, pin di grandi dimensioni) | Buona se il preriscaldo è sufficiente | Buona: tempo di contatto (dwell time) configurabile per singolo giunto | Il riempimento del foro può risultare insufficiente | Difficile ottenere un riempimento affidabile |
| Prototipi e lotti piccolissimi | Costi fissi elevati di setup e attrezzatura | Costi fissi di programmazione | Richiede modifiche allo stencil | Spesso la scelta più pratica |
| Rilavorazioni ed eccezioni | Non utilizzata | Possibile | Non utilizzata | Metodo standard |
La saldatura ad onda garantisce la massima produttività quando il numero di giunti THT è elevato e il lato saldature è accessibile. La saldatura selettiva prevale quando il lato saldature presenta un'alta densità di componenti SMT o quando il numero di pin da saldare è ridotto. La documentazione APT sulla saldatura selettiva riassume così i criteri di processo: l'onda richiede ampia accessibilità e volumi di produzione adeguati, la selettiva esige posizioni THT ben definite con un percorso libero per l'ugello, la saldatura manuale gestisce eccezioni e rilavorazioni, mentre la rifusione serve la tecnologia SMT, estendendosi a componenti passanti selezionati mediante processo pin-in-paste.
Molte fonti tecniche confrontano solo 2 tecnologie. Questa matrice ne confronta 4, includendo pin-in-paste e saldatura manuale, fornendo riferimenti diretti per instradare le fasi di montaggio su schede a tecnologia mista.
Per un'analisi comparativa approfondita tra i metodi dedicati ai componenti passanti, consultare i fondamenti della saldatura through-hole.
Schede a tecnologia mista e pallet di saldatura
Su una scheda che alloggia componenti SMT sul lato inferiore, l'onda di saldatura lambirebbe direttamente tali componenti. La gestione richiede due alternative. I componenti passivi SMT di piccolo formato possono essere fissati con colla sul lato inferiore, adottando geometrie di pad e orientamenti compatibili con il passaggio dell'onda. In alternativa, la scheda viene inserita in un pallet di saldatura (dima di trasporto, generalmente in materiale composito sintetico) che scherma i componenti SMT inferiori, lasciando finestre aperte esclusivamente sulle aree THT da saldare. La guida a pallet e dime per saldatura ad onda illustra le regole di progettazione e i franchi minimi di sicurezza richiesti.
Regole di progettazione per la saldatura ad onda
Il layout determina in larga misura la resa produttiva di un circuito stampato saldato ad onda. Queste regole hanno validità generale; verificare sempre i vincoli con il proprio assemblatore in base all'impianto e ai pallet specifici.
- Orientare connettori e componenti multi-pin con le file allineate alla direzione di avanzamento del PCB, definendo tale direzione d'intesa con l'assemblatore. La lega saldante defluisce sull'ultimo pin della fila, punto critico in cui tendono a formarsi ponti di saldatura.
- Prevedere piazzole di scarico (thieving pads) all'estremità posteriore delle file a montaggio passante a passo fine (fine-pitch) ove indicato dall'assemblatore, per drenare la lega in eccesso dall'ultimo pin.
- Mantenere la sporgenza dei reofori dal lato inferiore entro i limiti stabiliti dallo standard di accettabilità e dall'assemblatore. Reofori eccessivamente lunghi trascinano lo stagno generando cuspidi (icicles); reofori troppo corti compromettono la formazione del corretto menisco di saldatura.
- Dimensionare il foro metallizzato rispetto alla sezione del reoforo con un gioco idoneo a garantire la risalita della saldatura lungo il cilindro, evitando tolleranze eccessive che impedirebbero il riempimento completo.
- Utilizzare connessioni a freno termico (thermal relief) dove i pin a montaggio passante intersecano ampie campiture di rame. Un collegamento pieno dissipa calore nel piano, impedendo il corretto riempimento del foro.
- Evitare di posizionare componenti SMT alti sul lato inferiore immediatamente davanti ai pin passanti lungo la direzione di avanzamento, per non creare zone d'ombra sull'onda che causerebbero mancate saldature.
- Limitare i componenti SMT posti sul lato inferiore a package e orientamenti approvati dall'assemblatore, vincolandoli tramite incollaggio prima del passaggio nell'onda.
- Garantire il franco dai bordi per i convogliatori e inserire i fori di centraggio (tooling holes) secondo le specifiche dell'assemblatore, oppure prevedere bordi di scarto (panel rails).
Difetti comuni nella saldatura ad onda: ponti, stalattiti, soffiature e condizioni del flussante correlate
| Difetto | Aspetto visivo | Cause frequenti |
|---|---|---|
| Ponti di saldatura (bridging) | Lega che unisce reofori adiacenti | Orientamento dei pin rispetto all'onda, assenza di thieving pad, flussante insufficiente, tempo di contatto errato, sporgenza eccessiva del reoforo |
| Riempimento insufficiente del foro | La lega non risale completamente lungo la canna del foro | Preriscaldo basso, dispersione termica nei piani interni, copertura di flussante inadeguata, tempo di contatto troppo breve, gioco foro-reoforo troppo stretto |
| Mancata saldatura (skips / giunti aperti) | Piazzola completamente priva di lega | Effetto ombra causato dai componenti adiacenti, flussante non pervenuto sulla piazzola, gas intrappolati |
| Stalattiti (icicles) | Punte coniche di saldatura sui reofori | Reofori troppo lunghi, temperatura della lega insufficiente, lega contaminata |
| Pallini di saldatura (solder balls) | Sfere di lega disperse sulla superficie o sul solder mask | Flussante ancora umido all'ingresso nell'onda, finitura del solder mask, flussante in eccesso |
| Soffiature e microfori (blowholes / pinholes) | Vuoti e cavità nel menisco di saldatura | Umidità o gas espulsi dalla parete del foro, difetti nella metallizzazione |
| Componenti sollevati | Componente sollevato rispetto al piano superiore della scheda | Pressione eccessiva dell'onda, componenti privi di supporto, reofori non ribattuti o non vincolati |
Prima di modificare i parametri macchina, verificare la distribuzione spaziale dei difetti sul PCB. Cortocircuiti sistematici sullo stesso connettore indicano problemi di orientamento rispetto all'onda o l'assenza di thieving pad. Un riempimento insufficiente limitato ai soli pin di massa segnala un disaccoppiamento termico (thermal relief) non corretto nel layout. Saldature mancanti distribuite in modo casuale puntano a una deposizione non uniforme del flussante o a fenomeni di schermatura geometrica (shadowing).
Identificare la specifica condizione del flussante all'origine di ciascun difetto consente di intervenire con una correzione di processo mirata, eliminando la necessità di rilavorazioni manuali.
Dati da inviare per una richiesta di offerta (RFQ) di saldatura ad onda
- Dati ODB++ o Gerber, BOM, file di piazzamento (pick-and-place) e disegno di assieme con l'indicazione esatta dei componenti a montaggio passante
- Spessore del circuito stampato, pesi del rame e identificazione dei pin collegati a piani estesi
- Layout SMT sul lato inferiore (bottom side), necessario per valutare l'uso di colla, maschere di saldatura (pallet) o saldatura selettiva
- Specifiche dei connettori, finitura superficiale e lunghezza dei reofori
- Restrizioni su lega saldante e flussante, con indicazione di eventuali processi successivi di lavaggio o conformal coating
- Classe di accettabilità (IPC-A-610 Classe 2 o Classe 3) ed eventuali requisiti di riempimento del foro superiori allo standard
- Quantità e volumi previsti, necessari per valutare la sostenibilità economica delle maschere di saldatura dedicate (pallet tooling)
La pagina di APT dedicata alla saldatura selettiva richiede gli stessi dati chiave per le lavorazioni a montaggio passante: specifiche dei connettori, finitura e sporgenza dei reofori, spessore del circuito e caratteristiche del rame, vincoli su leghe e flussanti, requisiti di lavaggio e rivestimento protettivo, oltre ai report di collaudo e ispezione richiesti.
Perché scegliere APTPCB per la saldatura through-hole?
In fase di revisione tecnica, APT seleziona il processo ottimale tra saldatura ad onda, saldatura selettiva, pin-in-paste e saldatura manuale in base a layout del circuito, distinta base e volumi produttivi. La fase THT viene avviata con parametri controllati per inserimento dei componenti, applicazione del flussante, preriscaldo, temperatura di saldatura, tempo di contatto (dwell time) e ispezione finale; il profilo termico viene allegato al foglio di viaggio (traveler) insieme ai report di SPI, AOI e collaudo.
Normative e riferimenti applicabili:
- IPC J-STD-001: requisiti per gli assemblaggi elettrici ed elettronici saldati
- IPC-A-610: criteri di accettabilità per assemblaggi elettronici, incluso il riempimento dei fori passanti
- IPC-7530: linee guida per la profilatura termica nei processi di saldatura massiva
- IPC J-STD-004: requisiti per i flussanti di saldatura
Domande frequenti
A cosa serve la saldatura ad onda?
La saldatura ad onda consente di saldare componenti a montaggio passante come connettori, morsettiere, trasformatori e relè in un unico passaggio. Permette inoltre di saldare piccoli componenti a montaggio superficiale incollati sul lato inferiore del circuito stampato, purché il layout sia predisposto per questo processo.
Quali sono le fasi del processo di saldatura ad onda?
Il processo prevede quattro fasi sequenziali: applicazione del flussante sul lato inferiore della scheda, preriscaldamento, passaggio del lato inferiore su una o due onde di lega saldante fusa e raffreddamento con solidificazione dei giunti. Seguono l'ispezione e, se richiesto, il lavaggio del circuito.
Qual è la differenza tra saldatura ad onda e saldatura a rifusione?
La saldatura ad onda applica lega fusa tramite un'onda liquida a contatto con il lato inferiore del circuito stampato ed è utilizzata principalmente per componenti Through-Hole. La saldatura a rifusione fonde la pasta saldante precedentemente depositata sui pad prima del posizionamento dei componenti ed è impiegata per il montaggio superficiale. Sulle schede a tecnologia mista si esegue in genere prima la rifusione e successivamente la saldatura ad onda o selettiva.
Quando conviene utilizzare la saldatura selettiva rispetto a quella ad onda?
Utilizzare la saldatura selettiva quando sul lato inferiore sono presenti componenti a montaggio superficiale che un pallet non può schermare, quando il numero di pin passanti da saldare è ridotto, oppure quando specifici giunti richiedono profili termici e tempi di contatto (dwell time) dedicati. La saldatura ad onda convenzionale risulta nettamente più rapida ed efficiente in presenza di un numero elevato di giunti passanti accessibili sul lato inferiore.
Cosa provoca il fenomeno del bridging nella saldatura ad onda?
I ponti di saldatura (bridging) sono generalmente causati dall'orientamento errato dei pin rispetto alla direzione di avanzamento dell'onda, dall'assenza di piazzole di scarico (solder thieving pad) a fine riga, da un flussaggio insufficiente o non uniforme, da reofori con lunghezza eccessiva o da parametri di contatto scorretti. L'analisi della posizione geometrica dei cortocircuiti sulla scheda consente di identificare rapidamente la causa primaria.
I componenti SMT possono passare attraverso la saldatura ad onda?
Alcuni formati sì. Piccoli componenti passivi incollati sul lato saldature, con piazzole e orientamento specificamente progettati per l'onda, vengono saldati abitualmente con questo processo. IC fine-pitch, BGA e componenti bottom-terminated non devono invece mai toccare l'onda: richiedono la saldatura a rifusione e la protezione tramite pallet sagomati, oppure il ricorso alla saldatura selettiva.
Checklist per il preventivo di saldatura ad onda
Utilizzare questa checklist quando si richiede una quotazione per saldatura ad onda o assemblaggio con tecnologia mista.
- Presenza mista di THT e SMT sulla stessa scheda: indicare il rapporto approssimativo THT/SMT
- Saldatura ad onda su singolo lato o doppio lato: specificare quale
- Processo: saldatura ad onda, saldatura selettiva o pin-in-paste (specificare per ciascuna area)
- Pallet o fixture richiesti Sì/No, e chi si occupa della fornitura
- Temperatura dell'onda: target di 250 ±5 °C oppure specificare il profilo richiesto
- Zone di preriscaldo: 3, 4 o 5 zone (specificare il numero)
- Tipo di flussante: no-clean, a base di colofonia (rosin) o idrosolubile (specificare quale)
- Intervallo diametri fori passanti compatibili: 0.8–1.5 mm (confermare la conformità di tutti i componenti THT)
- Valutazione del rischio di cortocircuiti (bridging) richiesta Sì/No; indicare eventuali orientamenti critici dei componenti
- Tasso di difettosità target per ponti di saldatura e reofori, o baseline DPMO
- Classe di accettabilità IPC-A-610: Classe 1, 2 o 3
- Rilavorazione consentita e relativo metodo: saldatura manuale o selettiva
- Atmosfera di azoto Line 0 richiesta Sì/No
Definire la strategia per il montaggio passante nelle prime fasi di progetto
La saldatura ad onda risulta efficiente solo se il circuito stampato è progettato per supportarla: giunti THT accessibili su un solo lato, orientamento coerente dei pin, thermal relief sui pin collegati ai piani e una pianificazione chiara per eventuali componenti SMT sul lato inferiore. Definire questa strategia durante la fase di layout e non dopo il primo lotto; far confermare all'assemblatore la tecnologia di saldatura per ogni singolo componente tra saldatura ad onda, selettiva, pin-in-paste o manuale.