Uso de Soldadura Por Reflujo
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SOLDADURA POR HORNO DE REFUSIÓN
I. Introducción.
La tecnología de montaje superficial (SMT) es el sistema o conjunto de procesos
utilizados para soldar componentes de montaje superficial (SMC) sobre una placa de
circuito impreso (PCB).
Los ensambles de montaje superficial se clasifican en dos tipos: Tipo 1 y Tipo 2. Y a su
vez en tres clases: Clase A, Clase B y Clase C. Esto ha sido necesario para diferenciar
donde se montan los componentes, en una o en dos caras, y el tipo de componentes
utilizados.
Tipo 1: Componentes montados en una sola cara del PCB.
Tipo 2: Componentes montados en ambas caras del PCB.
Clase A: Solo componentes de inserción.
Clase B: Solo componentes de montaje superficial.
Clase C: Una mezcla de ambos tipos de componentes.
II. Soldadura por refusión.
Se conoce como soldadura por refusión o de reflow al proceso en que la pasta de
soldar es usada para unir uno o varios componentes electrónicos a sus pads de
contacto en la placa de circuito impreso mediante la aplicación de calor o radiación
infrarroja por etapas de distintas intensidad que pueden ser programadas en la
maquinaria de fabricación.
La soldadura de reflow es el método más usado para soldar componentes de montaje
superficial a la placa de circuito impreso. El objetivo del proceso de reflujo es fundir la
soldadura y calentar las superficies que se desean unir, todo esto sin sobrecalentar o
dañar los componentes electrónicos.
La soldadura por refusión puede parecer un proceso simple, sin embargo es un
proceso realmente complejo donde intervienen muchas variables. Durante un proceso
de refusión, tienen lugar 5 fases diferentes, las cuales son:
1. Evaporar los disolventes de la pasta de soldar.
2. Activar el Flux y permitir que actúe.
3. Precalentar cuidadosamente los componentes y el circuito impreso.
4. Derretir la soldadura y permitir el mojado de todas las uniones.
5. Enfriar la placa soldada a una velocidad controlada y hasta una temperatura
aceptable.
El equipo de refusión ha cambiado con más frecuencia que cualquier otro equipo de
montaje superficial. Durante los últimos diez años han emergido cuatro conceptos
diferentes de diseño: fase vapor, lámparas de infrarrojos, paneles infrarrojos y muy
recientemente, convección forzada. La tecnología de refusión por fase vapor fue la
primera en desarrollarse y la única por varios años, aunque los primeros equipos
estuvieron plagados de problemas de mantenimiento y de inconvenientes por los
costos de operación. Luego, y aunque no libres de problemas, los sistemas infrarrojos,
una vez que maduraron, se convirtieron en el enfoque preferido.
Hoy en día los sistemas de paneles infrarrojos, de una forma u otra, son el tipo de
equipo de uso más común. El último desarrollo en tecnología de refusión, la
convección forzada, está ganando aceptación rápidamente y seguramente influirá en
los equipos futuros.
III. Consideraciones a tener en cuenta
A. Curva de soldadura
El proceso de refusión, o su perfil, pueden describirse en tres fases:
precalentamiento, refusión y enfriamiento. Todos los fenómenos que deben
conducir a una refusión adecuada ocurren durante el precalentamiento.
Durante esta fase la placa se calienta a un ritmo controlado y uniforme,
comienza la evaporación de los disolventes, el flux activado elimina los óxidos
metálicos y las partículas de soldadura comienzan a derretirse.
La fase de refusión ocurre cuando las temperaturas de la soldadura y de las
superficies a soldar están por encima de la temperatura de fusión de la
aleación de soldar. Esta temperatura elevada se requiere para disminuir la
tensión superficial y producir el mojado adecuado de las superficies a soldar.
La cantidad de tiempo en que la soldadura está por encima de la temperatura
de fusión, o tiempo de permanencia, es un factor significativo. Por otro lado, la
fase de enfriamiento ayuda a controlar este tiempo y da un ritmo adecuado de
enfriamiento a la unión soldada, lo que produce una estructura de grano
adecuada.
En la figura 1 tenemos un perfil de temperaturas característico (ideal) de las
tres etapas antes mencionadas, el mismo depende del tipo de pasta y horno a
utilizar, ya que según su composición, el tiempo y la temperatura de activación
del flux van variando. Los hornos comerciales se pueden clasificar según la
cantidad de zonas de calentamiento y de enfriamiento con que cuentan.
En el grafico podemos observar tres etapas, la primera, que corresponde a las
temperaturas de entre 30 ºC y 170 ºC, la segunda que se extiende hasta la
temperatura máxima de 218 ºC, y la tercera que corresponde a la etapa de
enfriamiento.
Este perfil de temperatura, al igual que la mayoría de los que brindan los
fabricantes, muestra la evolución de la temperatura con respecto a la posición
del PCB en el horno. Esto se debe a que los hornos comerciales son diseñados
para líneas de producción continuas, en las que el PCB entra por un extremo y
por una “cinta transportadora” sale por el otro.
Como puede observase en la Fig. 1 el precalentamiento esta dividido en siete
etapas, cada una de las cuales tiene una temperatura fija, la refusión se divide
en dos zonas y el enfriamiento en una.
B. Tarjetas de circuito impreso
Las tarjetas de circuito impreso se pueden dañar por una exposición excesiva al
calor. Dado esto, es preferible utilizar aquellas de material epoxi conocidas
comercialmente como FR-4, ya que tienen más resistencia al calor que las
placas convencionales de pertinax (FR-2), las cuales expuestas al calor excesivo
se reblandecen y pierden su rigidez.
C. Flux
El flux tiene dos características que afectan al proceso de refusión. Por un lado,
para eliminar adecuadamente los óxidos, es importante entender cómo
funciona la temperatura y el tiempo de activación del flux. Un error frecuente
es utilizar un perfil de temperatura que consume el activador antes de que la
soldadura funda. Asimismo, es primordial mantener el flux activo el tiempo
suficiente para eliminar los óxidos de la placa, de los terminales de los
componentes y del polvo de la pasta de soldar.
Idealmente, la última parte del activador se debe consumir al mismo tiempo
que la soldadura comienza a fundir. Un tiempo de activación aceptable para la
mayoría de los flux está entre un mínimo de 30 segundos y un máximo de 90
segundos. El flux normalmente comienza a estar activo a los 110º C - 120º C.
D. Componentes
Los componentes pueden ser dañados por la aplicación de calor en forma
incorrecta, dado que tienen una cantidad de calor límite a la que pueden ser
expuestos sin sufrir deterioros.
La mayoría pueden tolerar un rango de temperatura de refusión de 210º C a
220º C durante 20 a 60 segundos.
El choque térmico, provocado por un aumento rápido de temperatura, puede
quebrar y decapar los componentes, especialmente los condensadores, que en
la mayoría de los casos, es el factor limitador de la placa. La regla general ha
sido no sobrepasar un aumento o disminución de temperatura de 2º C/seg.
Información reciente asegura que es seguro sobrepasar los 3 ºC/seg, e incluso
los 6º C/seg.
Algunos datos indican que la humedad atrapada dentro del encapsulado en los
circuitos integrados puede contribuir a la rotura del mismo. Esta rotura se
produce como resultado de la evaporación de la humedad durante el proceso
de refusión (calentamiento). Este daño puede ser evitado utilizando
encapsulado protector en seco y horneado
E. Soldadura
Normalmente la temperatura de refusión está de 25º C a 40º C por encima de
la de fusión. Es importante alcanzar está temperatura, que permite a la
soldadura mojar adecuadamente las superficies de metal a soldar.
Adicionalmente, es primordial la permanencia por encima de la temperatura
de fusión, típicamente de 20 a 60 segundos.
El enfriamiento afecta la fortaleza e integridad final de la unión soldada. En
general, uniones soldadas que se han enfriado a un ritmo razonable alcanzan
una estructura granulada fina, que produce una unión soldada más fuerte y
más fiable. El ritmo de enfriamiento es de 1º C a 2 º C por segundo.
F. Refusión por Infrarrojos
En este tipo de refusión, el calor es suministrado por emisores de rayos
infrarrojos y se transmite a la placa y a las uniones tanto por radiación como
por convección del gas contenido en el recinto, al que los rayos infrarrojos
ceden una parte de su calor.
En la figura se aprecia un pequeño horno de infrarrojos para prototipos
controlado por microprocesador, junto con el perfil temperatura/tiempo que
habrá que programar en el mismo y que dependerá de los tipos de
componentes SMD empleados.
Para una buena soldadura debe lograrse que la temperatura esté como
mínimo 20°C más alta que la fusión de la pasta de soldar, durante un tiempo
suficiente de modo que permita un buen mojado y homogeneidad.
La debilidad de estos sistemas era su sensibilidad a las sombras y a los
diferentes colores. Los componentes grandes bloqueaban la luz infrarroja por
lo que calentar el área alrededor de los mismos se tornaba dificultoso.
Los diferentes colores de los componentes también causan problemas. Un
componente blanco simplemente reflejaba parte de la energía mientras que
los de color negro absorben mucho mejor.
IV. Materiales a usar.
Pasta para soldar.
Stencil o Plantillas.
Cinta adhesiva.
Pinzas.
Lupa.
Guantes.
Horno.
Malla de desoldar
Flux
V. Procedimiento.
1. Posicionar el stencil.
Para posicionar el stencil con precisión he decidido utilizar una placa virgen de
circuito impreso y recortarla en el centro siguiendo el contorno de la
placa. Lógicamente se pueden seguir otras técnicas, pero lo importante es que el
stencil no se desplace de ninguna forma cuando se esté aplicando la pasta.
El stencil habrá que posicionarlo con mucha precisión y para ello será necesario
utilizar una lupa que proporcione buena visibilidad. Una vez posicionado se fijará
con un trozo más bien largo de cinta adhesiva en uno de los laterales, por ejemplo
el izquierdo, y otro más bien cortó en el lado derecho y que permita levantarlo con
facilidad.
2. Dispensar la soldadura
Una vez colocado el stencil procederemos a la aplicación de la pasta de soldar.
Primeramente es importante que la pasta de soldar esté a temperatura ambiente
para que tenga la viscosidad adecuada. Mi procedimiento ha consistido en extraer
una cantidad de pasta con otra jeringuilla y llevarlo a la temperatura ambiente
calentándola con la mano. Una vez haya tomado la temperatura adecuada se
depositará una porción de pasta sobre el stencil en uno de los extremos de la
placa.
A continuación se dispensará la pasta utilizando la espátula, con un ángulo de unos
45º primeramente siguiendo una diagonal y a continuación la otra diagonal. Es
importante comprobar que se rellenan todos los huecos. Finalmente será
necesario retirar la pasta con la espátula hacia los laterales del stencil, manejando
la espátula con un ángulo cercano a 90º. Una vez finalizada la aplicación se
levantará uno de los laterales del stencil y se retirará la placa.
Es importante limpiar a continuación el stencil con alcohol para dejarlo listo para
futuras aplicaciones.
3. Posicionamiento de los dispositivos.
Esta es la parte más laboriosa y delicada y es el posicionado manual de los
componentes. Hay que tener mucho cuidado de no perder los componentes y de
tocar involuntariamente las zonas donde está aplicada la pasta. Es conveniente
posicionar los componentes con precisión pero también hay que tener en cuenta
que durante el proceso de soldadura, los componentes tenderán a posicionarse
sobre los pad.
Una recomendación para mejorar la eficiencia del proceso, es de tener preparado
varias copias del topográfico y en cada copia señalar con un rotulador de colores
los componentes del mismo valor. Esto facilitará la búsqueda de las posiciones de
los componentes ya que de lo contrario se perderá mucho tiempo buscándolos.
4. Introducir placa en el horno.
Una vez completado el posicionado se procederá a introducir las placas en el
horno, teniendo extremo cuidado para que no se muevan los componentes.
Para la aleación utilizada (Sn63Pb37), el perfil de temperatura adecuado en este
horno es el Wave 2. Una vez puesto en marcha el horno controlará
automáticamente el perfil de temperatura y lo irá mostrando en la pantalla.
5. Soldar componentes de inserción
Los componentes de inserción se montarán manualmente con un soldador.
6. Revisar soldadura
A continuación será necesario revisar cuidadosamente las soldaduras ya que
pueden aparecer cortocircuitos o incluso componentes que se han posicionado
incorrectamente. Si se encuentra con errores en la soldadura entonces debe
repasar algunas soldaduras con ayuda del soldador, flux, y la malla de desoldar.
VI. Enlaces a videos.
http://www.youtube.com/watch?v=xpamNxgjIbk
http://www.youtube.com/watch?v=7NpKB45zTbw
http://www.youtube.com/watch?v=3C0UwEGyLIo
http://www.youtube.com/watch?v=E4K8gzjtHxE
http://www.youtube.com/watch?v=9T9TQC5C888
http://www.youtube.com/watch?v=9lRJXap6xPo
http://www.youtube.com/watch?v=7pZXjDeXYj4