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