La dolce brasatura in elettronica …

Nella realizzazione di circuiti elettrici ed elettronici la necessità di eseguire dei collegamenti fra componenti rende indispensabile avere una “buona connessione” tra i reofori degli stessi componenti, perché si evitino possibili collegamenti labili o falsi contatti che renderebbero non funzionante il circuito realizzato.

Cosi, fatto salvo l’utilizzo delle bradboard, nei circuiti sperimentali o prototipi, da un semplice “collegamento di tipo volante“ fra due o più componenti elettrici ed elettronici, che si realizza semplicemente intrecciando i reofori dei componenti che si vuole collegare elettricamente, successivamente isolarli con del nastro isolante, a meno di non utilizzare dei morsetti adeguati; si passa alla realizzazione di circuiti su PCB o circuito stampato, dove ogni componente elettrico ed elettronico , ad esempio relè, resistori, condensatori, bjt, etc… ha la sua propria sede, dove delle precise piazzuole ospitano i reofori dei componenti, che a loro volta sono collegati con gli altri attraverso delle piste, secondo lo schema elettrico del dispositivo, ottenendo così una scheda elettronica o il dispositivo che si voleva realizzare. Perché avvenga il collegamento fra il reoforo e la piazzola che lo ospita, su quest’ultima si dovrà eseguire una connessione nota come la saldatura a stagno, che oltre ad assicurare un ottimo collegamento elettrico fra piazzola e reoforo, assicura anche un buon collegamento meccanico del componente sulla piazzola e quindi sul PCB.

1 scheda elettronica

2 scheda lato piste

Ora tralasciando altri sistemi di connessione fra componenti elettrici ed elettronici, in questa esposizione l’idea è di mostrare quanto sia facile eseguire una saldatura a stagno ed avere così la possibilità di realizzare circuiti elettronici.

Un po’ di teoria …

Il termine “saldatura a stagno” non è corretto seppur correntemente utilizzato, bensì “brasatura a stagno”  è il termine corretto, questo perché nella saldatura si ha la fusione del materiale di apporto con il supporto che si va a saldare, cosa che non avviene nella brasatura a stagno, dove il materiale di apporto ovvero lo stagno è l’unico elemento che fonde, unendosi al supporto.

Pertanto il termine corretto è quello di “brasatura a stagno” dove lo stagno è il materiale di apporto, ed è una brasatura dolce (soldering), in quanto la temperatura di lavoro è inferiore ai 450°C, per l’esattezza in elettronica avviene intorno ai 350 °C , questo per non sollecitare troppo i componenti elettronici riducendone la vita utile di funzionamento. Per temperature superiori si parla di brasatura forte (brazing). E’ corretto conoscere le giuste terminologie, ed altrettanto utilizzarle, ma è altresì difficile eliminare le vecchie abitudini, quindi non imitatemi se da qui in utilizzerò il termine saldatura . 😉 

Il materiale di apporto

che comunemente chiamiamo “stagno” in realtà è una lega di stagno e piombo, in percentuale ed in genere del 60/40, ovvero il 60 % di stagno (Sn) ed il 40% di piombo (Pb), seppur da tempo (2006) per la tossicità del piombo , questo elemento è stato sostituito con altri elemento quali l’argento ed il rame, si trova infatti oggi disponibile una lega di stagno-rame (99,3%/0,7%), stagno-argento (96%/4%) nonché 2.5% argento-0.7% rame-95.8% stagno.

3 rocchetto di stagno

Questo secondo le restrizioni della Direttiva RoHS (2002/95/CE-RoHS: Restriction of Hazardous Substances Directive)  relativamente a sostanze pericolose utilizzate nella realizzazione di dispositivi elettrici ed elettronici, nel caso specifico ha interessato proprio la tossicità dell’elemento piombo presente nella lega di apporto (SnPb) nella brasatura elettronica, facendo si che si sia dovuto trovare un’alternativa, che si è tradotta nelle leghe sopra descritte, contenenti argento, SnAg e rame in percentuali minori (3,5%) rispetto a quelle utilizzate del piombo con la differenza che si è passati da una lega (SnPb) con punto di fusione di 190°C ad un punto di fusione di 221°C delle attuali leghe Pb-free o Lead-free (cioè “esente da piombo”) e con la differenza di essere maggiormente costose rispetto alla vecchia lega, e meno semplice da utilizzare della vecchia lega SnPb.

4 stagno

Altro aspetto importante da considerare è la presenza all’interno del materiale di apporto di un flussante,  è un materiale chimico (vari tipi di colofonia ) che prepara le superfici per la saldatura, sciogliendosi durante la fusione della lega saldante, emettendo quel classico fumo bianco che noteremo durante la fase di saldatura, e serve ad eliminare la presenza di ossido sulle superfici da saldare, in genere rame, perché l’ossido non consente di attaccare allo stagno. Le funzione del flussante in campo elettronico sono quelle di togliere l’ossido dalle superfici da saldare, proteggerle fino alla saldatura e favorire il bagno (cioè l’attitudine della lega di brasatura di fluire durante la fase di brasatura) del materiale di apporto durante la brasatura. La presenza di questo ulteriore elemento all’interno del materiale d’apporto fa si che si innalza il punto di fusione a 220°C, per questo quando si esegue la saldatura, pardon brasatura… la temperatura del saldatore è tenuta intorno ai 350°C. Lo stagno per brasatura in filo è disponibile in rocchetti di diversa grammatura o in comodi astucci di piccola grammatura, e di diverso diametro da 0,8 ad 1 mm utilizzati appunto per saldatura di componenti su PCB, mentre le sezioni da 1,5 a 2 mm sono solitamente utilizzate per applicazioni in campo elettrico, dove la brasatura interessa superfici maggiori e non componenti elettronici.

Il saldatore

è l’attrezzo indispensabile  per eseguire la brasatura dolce, consiste in un dispositivo che opportunamente alimentato scalda, o meglio porta a temperatura di circa 350 °C una punta in rame, o altro elemento di forma adeguata adatto a eseguire la brasatura dolce con il materiale di apporto. Concettualmente è assimilabile ad un ferro da stiro, grazie alla sua fonte di alimentazione porta a temperatura un elemento scaldante. Sostanzialmente esistono due tipi di saldatori, quello a stilo e la stazione saldante.

5 saldatore a stilo

Si possono differenziare in funzione del loro tipo di alimentazione, pertanto possono essere alimentati alla tensione di rete, o in bassissima tensione ed ancora a gas; si possono differenziare per la loro forma costruttiva di tipo a stilo o penna, o del tipo a pistola, ed ancora si possono differenziare in funzione della loro potenza espressa in watt, si va dai 20 watt sino a quelli istantanei da 110 watt a quelli di 300 watt (applicazioni elettrotecniche) ed oltre, fermo restando che 40 watt sono più che sufficienti per la brasatura dolce in elettronica. Non ultimi sono quelli di tipo termostatato, ovvero saldatori di potenza nei quali la temperatura può essere impostata da un apposito regolatore.

Come per tutti gli attrezzi in questo campo, si va da quelli hobbystici a quelli professionali, quest’ultimi offrono regolazioni della temperatura costante nella fase di lavoro, ed un adeguato isolamento elettrico a protezione dei componenti sotto brasatura da eventuali scariche elettriche..dipende la destinazione d’uso ed il budget disponibile, nel mio caso il saldatore stilo Lafayet termostatato soddisfa le mie necessità … 🙂 

6 saldatore stilo

La scelta di un saldatore come già detto dipende dalla destinazione d’uso, pertanto per un utilizzo amatoriale è sufficiente uno stilo di bassa potenza e buona marca, che garantisce in primis una sicurezza elettrica, dovendo rispondere ai requisiti previsti dalle norme in tema di isolamento elettrico e quant’altro, e poi garantire un tempo di utilizzo più o meno rapido; un saldatore di medie prestazioni impiega circa 30” per arrivare in temperatura, tempi di gran lunga superiori sono indice di bassa qualità.
La punta del saldatore è l’elemento fondamentale da considerare per forma e dimensioni a seconda del tipo di utilizzo che si andrà a fare, ed altresì importante mantenerla sempre pulita prima e durante la fase di brasatura, il suo nemico principale è l’ossido.

Qualche info sulla sicurezza prima di iniziare a brasare …

 

7 teschio

Nell’attività di brasatura dolce in elettronica occorre porre alcuni aspetti ai fini della sicurezza, quello di natura elettrica in quanto si maneggia un attrezzo elettrico, quello di natura termica se si considera che la brasatura avviene a temperature intorno ai 350 °C, e quello di natura chimica in quanto la brasatura interessa la fusione di una lega che contiene, o meglio potrebbe contenere sostanze nocive.

 

8 rischiPertanto relativamente al potenziale rischio elettrico e quindi all’utilizzo del saldatore elettrico, è bene dapprima verificare che le caratteristiche elettriche ed il grado di isolamento ed i relativi marchio CE sulla targhetta dati del costruttore, e poi assicurarsi di avere a monte della presa di alimentazione del saldatore le giuste protezioni elettriche, e tutto ciò che può prevenire il rischio elettrico, quindi una buona condizione di isolamento.
Relativamente all’aspetto temperatura, è bene verificare la posizione di presa, e quindi l’impugnatura del saldatore che dovrà consentire una buona presa lontana dall’elemento scaldante, ed offrire una buona manovrabilità del saldatore. Anche una regolazione di temperatura è fondamentale, perché una temperatura maggiore realizza una maggiore produzione di polveri. In questo caso una buona e decisa impugnatura lontano da fonte di calore.
Il rischio chimico, è quello maggiormente pericoloso in quanto la presenza di sostanze nocive, richiede una precisa attenzione dapprima nella scelta del materiale d’apporto, e successivamente un’adeguata attenzione durante la fase di brasatura. La scelta come abbiamo già visto interessa una lega che contiene una buona percentuale di piombo o l’utilizzo di una lega che non ne contiene affatto. La differenza di costo e la difficoltà di utilizzo della seconda porta in genere a ripiegare sull’ancora disponibile lega contenente piombo, elemento che è stato dichiarato pericoloso dalla Direttiva RoHS (normativa 2002/95/CE ) in quanto se inalato in dosi massicce può portare a sintomi di avvelenamento da piombo ed a malattie del fegato, in questo senso la prevenzione consiste in una buona areazione dell’area in cui si esegue la brasatura, o nei casi più impegnativi nell’utilizzo di sistemi di aspirazione con adeguati filtri nella postazione di brasatura. Altro aspetto da considerare nella lega che contiene il piombo è la sua maneggiabilità, ovvero il contatto con il piombo fa si che nelle nostre mani possa lasciarne alcune quantità pertanto dopo l’utilizzo è sempre bene lavarsi accuratamente le mani. Non ultimo è da considerare la presenza del flussante nell’anima dell’elemento di apporto, che in fase di brasatura diventa volatile e resta comunque un elementi non salutare se respirato, quindi nella fase di brasatura è fondamentale evitare di respirare i fumi ed areare bene il locale.
Per l’attività di brasatura dolce non sono previsti particolari DPI se non un paio di occhiali di sicurezza per proteggere gli occhi nel momento finale quando si andranno ad asportare i reofori dei componenti saldati sul pcb o parti terminanti della brasatura..

9 occhialiL’occorrente per brasare …

Per eseguire la brasatura dolce in elettronica occorre un minimo di attrezzatura, ovvero il saldatore, la lega saldante noto come stagno, dei componenti da saldare, ed il supporto per la brasatura, ovvero il PCB o meglio noto come circuito stampato.
Sulla lega saldante o materiale di apporto, o meglio noto con il nome di stagno è stato detto tutto, in questa esposizione utilizzerò della lega SnPb 60/40 diametro 1mm in rocchetto, ovviamente il mio posto di saldatura è in un locale fortemente areato .. 😉 

10 stagno rocchettoRiguardo al saldatore, utilizzerò uno stilo termostatato della Lafayet con punta media della potenza di 48 W e regolazione della temperatura da 210°C -320°C, ed impugnatura con gomma antiscivolo…

 

11 saldatore stiloAspetto da considerare prima di iniziare la brasatura è lo stato della punta del saldatore che dovrà essere pulita da eventuali presenze di ossido. Questo è possibile dopo averla scaldata, bagnandola con dello stagno e poi pulirla o meglio raschiandola delicatamente nell’apposita spugnetta inumidita di acqua …

12 pulizia punta saldatoreIn modo da ottenere una punta lucente di colore argento segno evidente di pulizia …

13 punta pulitaA questo punto non resta che preparare i componenti ed il supporto per la brasatura.

14 componenti prova15 Millefori

In questa occasione a titolo dimostrativo ho utilizzato come supporto una basetta millefori (basetta già preforata) e come componente per la brasatura un resistore da 1 watt , avendo cura prima di installarlo su PCB di pulire i suoi reofori o terminali e piegarli a 45 ° aiutandomi con una pinzetta …

16 resistore

La piegatura dei terminali consente l’installazione corretta del componente ed una più ordinata disposizione degli stessi, la pulizia dei reofori a mezzo panno di cotone e alcol elimina possibili colle che renderebbero la saldatura pessima, una volta inseriti nel PCB ..

17 resistore su stampato18 resistore reofori piegati

Si può allargare leggermente verso gli esterni i reofori nel lato piste, per evitare che durante la brasatura il componente possa cadere o muoversi …

19 resistore lato piste

È il momento di saldare …..

Si inizia da uno dei reofori del componente avvicinando la punta del saldatore, vicino la piazzola che ospita il reoforo del componente, mantenendola per circa due secondi, quindi si aggiunge la lega saldante portando a contatto il filo di stagno con la punta-piazzola aggiungendo due o tre mm di filo che si andrà a fondere …
! lo stagno non va messo sulla punta del saldatore, ma fra la punta e la piazzola dove deve fluire !

A questo punto, si toglie lo stagno e si attende un secondo ancora con la punta del saldatore per poi toglierla, in maniera rapida la saldatura si solidifica…saldatura finita

20 saldatura reoforo

Ora si ripete la stessa procedura sull’altro reoforo del componente …

21 saldatura reoforo

Terminando così la brasatura dolce di un componente su PCB, ma non abbiamo ancora terminato, perché occorre eliminare la lunghezza in eccesso dei reofori dei terminali, è in questo momento che occorre fare attenzione, proteggendosi gli occhi con gli occhiali di sicurezza, perché il taglio lascia schizzare via il reoforo che consiglio di tenere con l’altra mano durante il taglio, anche per evitare che il reoforo finisca sul resto del PCB in mezzo ad altri componenti creando dei possibili cortocircuiti, in questa fase ci viene in aiuto, il nostro bravo tronchesino …

22 taglio reofori

Sconsiglio l’utilizzo di forbici, in quanto non eseguono un taglio netto e si rischia di far saltare la piazzola che si è brasato, con il pessimo risultato di avere il PCB danneggiato, pertanto l’acquisto di un piccolo tronchesino è consigliato. Sulla qualità delle saldature si può dire che se questa non viene bene eseguita si rischia di ottenere la cosiddetta saldatura fredda che si traduce in un reoforo isolato dal resto del materiale di apporto con il risultato di un collegamento non riuscito, la lega intorno alla piazzola assume una colorazione pallida, grigia, alla quale poi ci si fa anche l’occhio nel riconoscerla…

23 brasatura

è ovvio anticipare che queste vengono bene solo dopo molta pratica… 😉
A lavoro di brasatura ultimato è consigliabile pulire il PCB da eventuali residui di flussante presente intorno alle piazzuole, e verificare eventuali reofori a spasso fra le piste del circuito che poco si prestano al regolare funzionamento dello stesso.
Un ultima nota pratica va sull’utilizzo di un supporto per il PCB durante le fasi di brasatura, io mi sono servito della nota “terza mano” ideale per questo genere di lavoretti …

25 terza mano

L’idea è stata quella di presentare alcuni aspetti della “saldatura in elettronica”, dando maggior risalto all’aspetto pratico e cosciente che alcuni aspetti siano da approfondire speero possa tornare utile per l’approccio all’attività di “saldatura elettronica”, nel frattempo auguro buona brasatura dolce a tutti.

Disclaimer
Quanto rappresentato in questa presentazione: testo, immagini, disegni sono frutto di una propria elaborazione e rappresentata a scopo di studio e didattico, pertanto ogni possibile danno a persone e cose dall’utilizzo improprio delle informazioni non è responsabilità dell’autore che declina ogni responsabilità.

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