La soldadura por reflujo es un proceso en el que se utiliza una pasta de soldadura (una mezcla pegajosa de soldadura en polvo y fundente ) para unir temporalmente entre uno y miles de pequeños componentes eléctricos a sus almohadillas de contacto , después de lo cual todo el conjunto se somete a calor controlado. La pasta de soldadura refluye en estado fundido, creando uniones de soldadura permanentes. El calentamiento se puede lograr pasando el conjunto a través de un horno de reflujo , bajo una lámpara de infrarrojos o (principalmente para la creación de prototipos) soldando juntas individuales con un lápiz de aire caliente.
La soldadura por reflujo con hornos de convección industriales largos es el método preferido para soldar componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) a una placa de circuito impreso (PCB). Cada segmento del horno tiene una temperatura regulada, según los requerimientos térmicos específicos de cada conjunto. Los hornos de reflujo diseñados específicamente para soldar componentes de montaje en superficie también se pueden usar para componentes con orificios pasantes llenando los orificios con pasta de soldadura e insertando los cables del componente a través de la pasta. Sin embargo, la soldadura por ola ha sido el método común para soldar componentes de orificios pasantes de múltiples conductores en una placa de circuito diseñada para componentes de montaje en superficie.
Cuando se utiliza en placas que contienen una mezcla de SMT y componentes de orificio pasante chapado (PTH), el reflujo del orificio pasante, cuando se puede lograr mediante plantillas de pasta específicamente modificadas, puede permitir que el paso de soldadura por ola se elimine del proceso de ensamblaje, lo que podría reducir el ensamblaje. costos. [ se necesita aclaración ] Si bien esto puede decirse de las soldaduras en pasta de plomo y estaño utilizadas anteriormente, las aleaciones de soldadura sin plomo como SAC presentan un desafío en términos de los límites del ajuste del perfil de temperatura del horno y los requisitos de los componentes especializados de orificio pasante que deben ser soldado a mano con alambre de soldadura o no puede soportar razonablemente las altas temperaturas dirigidas a las placas de circuito mientras viajan por el transportador del horno de reflujo. La soldadura por reflujo de componentes con orificios pasantes utilizando pasta de soldadura en un proceso de horno de convección se denomina soldadura intrusiva.
El objetivo del proceso de reflujo es que la soldadura en pasta alcance la temperatura eutéctica a la que la aleación de soldadura particular experimenta un cambio de fase a un estado líquido o fundido. En este rango de temperatura específico, la aleación fundida demuestra propiedades de adhesión. La aleación de soldadura fundida se comporta de forma muy parecida al agua, con propiedades de cohesión y adhesión. Con suficiente flujo, en estado líquido, las aleaciones de soldadura fundida exhibirán una característica llamada "humectación".
La humectación es una propiedad de la aleación cuando se encuentra dentro de su rango de temperatura eutéctica específica. La humectación es una condición necesaria para la formación de uniones de soldadura que cumplen con los criterios como condiciones "aceptables" u "objetivo", mientras que "no conformes" se considera defectuosa según el IPC .
El perfil de temperatura del horno de reflujo es adecuado para las características de un conjunto de placa de circuito particular, el tamaño y la profundidad de la capa del plano de tierra dentro de la placa, el número de capas dentro de la placa, el número y tamaño de los componentes, por ejemplo. El perfil de temperatura de una placa de circuito particular permitirá el reflujo de soldadura sobre las superficies adyacentes, sin sobrecalentar ni dañar los componentes eléctricos más allá de su tolerancia de temperatura. En el proceso de soldadura por reflujo convencional, generalmente hay cuatro etapas, llamadas "zonas", cada una con un perfil térmico distinto: precalentamiento , remojo térmico (a menudo abreviado como solo remojo ), reflujo y enfriamiento .
El precalentamiento es la primera etapa del proceso de reflujo. Durante esta fase de reflujo, todo el conjunto de la placa sube hacia una temperatura objetivo de inmersión o permanencia. El objetivo principal de la fase de precalentamiento es lograr que todo el conjunto alcance de manera segura y consistente una temperatura de remojo o prerreflujo. El precalentamiento también es una oportunidad para que los solventes volátiles en la pasta de soldadura se desgasifiquen. Para que los disolventes de la pasta se expulsen correctamente y el conjunto alcance de forma segura las temperaturas previas al reflujo, la PCB debe calentarse de forma lineal y constante. Una métrica importante para la primera fase del proceso de reflujo es la tasa de pendiente o aumento de la temperatura frente al tiempo. Esto suele medirse en grados Celsius por segundo, °C/s. Muchas variables influyen en la tasa de pendiente objetivo de un fabricante. Estos incluyen: tiempo de procesamiento objetivo, volatilidad de la pasta de soldadura y consideraciones sobre los componentes. Es importante tener en cuenta todas estas variables del proceso, pero en la mayoría de los casos las consideraciones sobre los componentes sensibles son primordiales. "Muchos componentes se agrietarán si su temperatura cambia demasiado rápido. La tasa máxima de cambio térmico que los componentes más sensibles pueden soportar se convierte en la pendiente máxima permitida" [ aclaración necesaria ] . Sin embargo, si no se utilizan componentes térmicamente sensibles y maximizar el rendimiento es una gran preocupación, se pueden adaptar velocidades de pendiente agresivas para mejorar el tiempo de procesamiento. Por esta razón, muchos fabricantes elevan estas velocidades de pendiente hasta la velocidad máxima común permitida de 3,0 °C/s. Por el contrario, si se utiliza una soldadura en pasta que contiene solventes particularmente fuertes, calentar el conjunto demasiado rápido puede crear fácilmente un proceso fuera de control. A medida que los disolventes volátiles liberan gases, pueden salpicar la soldadura de las almohadillas y de la placa. La formación de bolas de soldadura es el principal problema de desgasificación violenta durante la fase de precalentamiento. Una vez que una tabla ha alcanzado la temperatura en la fase de precalentamiento, es hora de ingresar a la fase de remojo o prerreflujo.
La segunda sección, inmersión térmica, suele ser una exposición de 60 a 120 segundos para eliminar los volátiles de la pasta de soldadura y activar los fundentes , donde los componentes del fundente comienzan la reducción de óxido en los cables y almohadillas de los componentes. Una temperatura demasiado alta puede provocar salpicaduras o bolas de soldadura, así como oxidación de la pasta, las almohadillas de fijación y las terminaciones de los componentes. De manera similar, es posible que los fundentes no se activen completamente si la temperatura es demasiado baja. Al final de la zona de inmersión se desea un equilibrio térmico de todo el conjunto justo antes de la zona de reflujo. Se sugiere un perfil de inmersión para disminuir cualquier delta T entre componentes de diferentes tamaños o si el conjunto de PCB es muy grande. También se recomienda un perfil de inmersión para disminuir la formación de huecos en paquetes tipo matriz de área. [1]
La tercera sección, la zona de reflujo, también se conoce como "tiempo por encima del reflujo" o "temperatura por encima del líquido" (TAL), y es la parte del proceso donde se alcanza la temperatura máxima. Una consideración importante es la temperatura máxima, que es la temperatura máxima permitida de todo el proceso. Una temperatura máxima común es de 20 a 40 °C por encima del líquido. [1] Este límite está determinado por el componente del conjunto con la tolerancia más baja a altas temperaturas (el componente más susceptible a daños térmicos). Una pauta estándar es restar 5 °C de la temperatura máxima que el componente más vulnerable puede soportar para llegar a la temperatura máxima para el proceso. Es importante monitorear la temperatura del proceso para evitar que exceda este límite. Además, las altas temperaturas (más de 260 °C) pueden causar daños a las matrices internas de los componentes SMT y fomentar el crecimiento intermetálico . Por el contrario, una temperatura que no sea lo suficientemente alta puede impedir que la pasta fluya adecuadamente.
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El tiempo por encima del liquidus (TAL), o tiempo por encima del reflujo, mide cuánto tiempo la soldadura es líquida. El fundente reduce la tensión superficial en la unión de los metales para lograr la unión metalúrgica, permitiendo que las esferas individuales de polvo de soldadura se combinen. Si el tiempo del perfil excede las especificaciones del fabricante, el resultado puede ser una activación o consumo prematuro del fundente, "secando" efectivamente la pasta antes de la formación de la unión de soldadura. Una relación tiempo/temperatura insuficiente provoca una disminución en la acción limpiadora del fundente, lo que resulta en una mala humectación , una eliminación inadecuada del solvente y el fundente y posiblemente uniones de soldadura defectuosas. Los expertos suelen recomendar el TAL más corto posible; sin embargo, la mayoría de las pastas especifican un TAL mínimo de 30 segundos, aunque no parece haber una razón clara para ese tiempo específico. Una posibilidad es que haya lugares en la PCB que no se midan durante el perfilado y, por lo tanto, establecer el tiempo mínimo permitido en 30 segundos reduce las posibilidades de que un área no medida no refluya. Un tiempo de reflujo mínimo elevado también proporciona un margen de seguridad contra los cambios de temperatura del horno. Lo ideal es que el tiempo de humectación se mantenga por debajo de 60 segundos por encima del líquido. Un tiempo adicional por encima del líquido puede provocar un crecimiento intermetálico excesivo, lo que puede provocar fragilidad en las articulaciones. La placa y los componentes también pueden dañarse a temperaturas prolongadas sobre liquidus, y la mayoría de los componentes tienen un límite de tiempo bien definido sobre cuánto tiempo pueden estar expuestos a temperaturas superiores a un máximo determinado. Muy poco tiempo por encima del líquido puede atrapar disolventes y fundentes y crear la posibilidad de que se produzcan uniones frías o opacas, así como huecos de soldadura.
La última zona es una zona de enfriamiento para enfriar gradualmente la placa procesada y solidificar las uniones de soldadura. Un enfriamiento adecuado inhibe el exceso de formación intermetálica o el choque térmico en los componentes. Las temperaturas típicas en la zona de enfriamiento oscilan entre 30 y 110 °C (86 y 230 °F). Se elige una velocidad de enfriamiento rápida para crear una estructura de grano fino que sea mecánicamente más sólida. [1] A diferencia de la tasa máxima de aceleración, la tasa de desaceleración a menudo se ignora. La velocidad de rampa es menos crítica por encima de ciertas temperaturas; sin embargo, se debe aplicar la pendiente máxima permitida para cualquier componente, ya sea que el componente se esté calentando o enfriando. Generalmente se sugiere una velocidad de enfriamiento de 4 °C/s. Es un parámetro a considerar al analizar los resultados del proceso.
El término "reflujo" se utiliza para referirse a la temperatura por encima de la cual una masa sólida de aleación de soldadura seguramente se derretirá (en lugar de simplemente ablandarse). Si se enfría por debajo de esta temperatura, la soldadura no fluirá. Si se calienta por encima una vez más, la soldadura fluirá nuevamente, por lo tanto "refluirá".
Las técnicas modernas de ensamblaje de circuitos que utilizan soldadura por reflujo no necesariamente permiten que la soldadura fluya más de una vez. Garantizan que la soldadura granulada contenida en la soldadura en pasta supera la temperatura de reflujo de la soldadura involucrada.
El perfilado térmico es el acto de medir varios puntos en una placa de circuito para determinar la excursión térmica que se requiere durante el proceso de soldadura. En la industria de fabricación de productos electrónicos, SPC (Control estadístico de procesos) ayuda a determinar si el proceso está bajo control, medido en comparación con los parámetros de reflujo definidos por las tecnologías de soldadura y los requisitos de los componentes. [3] [4] Las herramientas de software modernas permiten capturar un perfil y luego optimizarlo automáticamente mediante una simulación matemática, lo que reduce en gran medida el tiempo necesario para establecer la configuración óptima para el proceso. [5]
http://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electronic_engineering/Electronics_Manufacture_Intrusive_Reflow.pdf