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 un calor controlado. La pasta de soldadura se refluye en estado fundido, creando juntas de soldadura permanentes. El calentamiento se puede lograr pasando el conjunto a través de un horno de reflujo , bajo una lámpara infrarroja 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, de acuerdo con los requisitos térmicos específicos de cada conjunto. Los hornos de reflujo diseñados específicamente para la soldadura de componentes de montaje superficial también se pueden utilizar para componentes de orificio pasante rellenando 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 orificio pasante con múltiples cables a una placa de circuito diseñada para componentes de montaje superficial.
Cuando se utiliza en placas que contienen una mezcla de componentes SMT y de orificio pasante enchapado (PTH), el reflujo de orificio pasante, cuando se puede lograr mediante plantillas de pasta específicamente modificadas, puede permitir que se elimine el paso de soldadura por ola del proceso de ensamblaje, lo que potencialmente reduce los costos de ensamblaje. [ aclaración necesaria ] Si bien esto puede decirse de las pastas de soldadura 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 soldarse a mano con alambre de soldadura o que no pueden soportar razonablemente las altas temperaturas dirigidas a las placas de circuitos a medida que viajan en la cinta transportadora del horno de reflujo. La soldadura por reflujo de componentes de orificio pasante utilizando pasta de soldadura en un proceso de horno de convección se llama soldadura intrusiva.
El objetivo del proceso de reflujo es que la pasta de soldadura alcance la temperatura eutéctica en la que la aleación de soldadura en particular experimenta un cambio de fase a un estado líquido o fundido. En este rango de temperatura específico, la aleación fundida muestra propiedades de adhesión. La aleación de soldadura fundida se comporta de manera muy similar al agua, con propiedades de cohesión y adhesión. Con suficiente fundente, en el estado de líquido, las aleaciones de soldadura fundidas exhibirán una característica llamada "humectación".
La humectación es una propiedad de la aleación cuando se encuentra dentro de su rango de temperatura eutéctica específico. La humectación es una condición necesaria para la formación de uniones de soldadura que cumplan con los criterios de condiciones "aceptables" u "objetivo", mientras que las "no conformes" se consideran defectuosas según el IPC .
El perfil de temperatura del horno de reflujo es adecuado para las características de un conjunto de placa de circuito en particular, el tamaño y la profundidad de la capa del plano de tierra dentro de la placa, la cantidad de capas dentro de la placa, la cantidad y el tamaño de los componentes, por ejemplo. El perfil de temperatura para una placa de circuito en 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 simplemente como 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 asciende hacia una temperatura de inmersión o de permanencia objetivo. El objetivo principal de la fase de precalentamiento es llevar todo el conjunto de forma segura y constante a una temperatura de inmersión o de pre-reflujo. El precalentamiento también es una oportunidad para que los disolventes volátiles de 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 constante y lineal. Una métrica importante para la primera fase del proceso de reflujo es la tasa de pendiente de temperatura o el aumento en función del tiempo. Esto suele medirse en grados Celsius por segundo, °C/s. Muchas variables influyen en la tasa de pendiente objetivo de un fabricante. Estas 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 se modifica demasiado rápido. La tasa máxima de cambio térmico que pueden soportar los componentes más sensibles se convierte en la pendiente máxima permitida" [ aclaración necesaria ] . Sin embargo, si no se utilizan componentes sensibles al calor y la maximización del rendimiento es una gran preocupación, se pueden adaptar tasas de pendiente agresivas para mejorar el tiempo de procesamiento. Por este motivo, muchos fabricantes aumentan estas tasas de pendiente hasta la tasa máxima común permitida de 3,0 °C/s. Por el contrario, si se utiliza una pasta de soldadura que contiene disolventes especialmente fuertes, calentar el conjunto demasiado rápido puede crear fácilmente un proceso fuera de control. A medida que los disolventes volátiles se desgasifican, pueden salpicar soldadura de las almohadillas y sobre la placa. La formación de bolas de soldadura es la principal preocupación de la desgasificación violenta durante la fase de precalentamiento. Una vez que se ha elevado la temperatura de una placa en la fase de precalentamiento, es el momento de entrar en la fase de remojo o pre-reflujo.
La segunda sección, la zona de remojo térmico, es típicamente una exposición de 60 a 120 segundos para la eliminación de los componentes volátiles de la pasta de soldadura y la activación de los fundentes , donde los componentes del fundente comienzan la reducción de óxido en los cables y las almohadillas de los componentes. Una temperatura demasiado alta puede provocar salpicaduras o formación de bolas de soldadura, así como la oxidación de la pasta, las almohadillas de fijación y las terminaciones de los componentes. De manera similar, los fundentes pueden no activarse completamente si la temperatura es demasiado baja. Al final de la zona de remojo se desea un equilibrio térmico de todo el conjunto justo antes de la zona de reflujo. Se sugiere un perfil de remojo 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 remojo para disminuir la formación de huecos en los paquetes de 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 pico, que es la temperatura máxima permitida de todo el proceso. Una temperatura pico común es de 20 a 40 °C por encima del líquido. [1] Este límite está determinado por el componente en el conjunto con la tolerancia más baja para altas temperaturas (el componente más susceptible al daño térmico). 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 temperaturas altas (más allá de los 260 °C) pueden causar daños a las matrices internas de los componentes SMT , así como fomentar el crecimiento intermetálico . Por el contrario, una temperatura que no sea lo suficientemente alta puede evitar que la pasta refluya adecuadamente.
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El tiempo por encima del líquido (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, lo que permite que las esferas individuales de polvo de soldadura se combinen. Si el tiempo de perfil supera la especificación del fabricante, el resultado puede ser una activación o consumo prematuro del fundente, lo que efectivamente "seca" 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 humectación deficiente , una eliminación inadecuada del solvente y el fundente y posiblemente juntas de soldadura defectuosas. Los expertos generalmente recomiendan el TAL más corto posible, sin embargo, la mayoría de las pastas especifican un TAL mínimo de 30 segundos, aunque parece que no hay 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 mínimo de reflujo alto también proporciona un margen de seguridad contra los cambios de temperatura del horno. El tiempo de humectación idealmente se mantiene por debajo de los 60 segundos por encima del punto de ebullición. Un tiempo adicional por encima del punto de ebullición puede causar un crecimiento intermetálico excesivo, lo que puede provocar fragilidad en las uniones. La placa y los componentes también pueden resultar dañados a temperaturas prolongadas por encima del punto de ebullición, y la mayoría de los componentes tienen un límite de tiempo bien definido para el tiempo que pueden estar expuestos a temperaturas superiores a un máximo determinado. Un tiempo demasiado corto por encima del punto de ebullición puede atrapar disolventes y fundentes y crear la posibilidad de uniones frías o sin brillo, así como huecos en la soldadura.
La última zona es una zona de enfriamiento para enfriar gradualmente la placa procesada y solidificar las juntas de soldadura. Un enfriamiento adecuado inhibe la formación excesiva de intermetálicos o el choque térmico en los componentes. Las temperaturas típicas en la zona de enfriamiento varían de 30 a 110 °C (86 a 230 °F). Se elige una velocidad de enfriamiento rápida para crear una estructura de grano fino que sea más sólida mecánicamente. [1] A diferencia de la velocidad máxima de aumento gradual, la velocidad de disminución gradual a menudo se ignora. La velocidad de aumento gradual es menos crítica por encima de ciertas temperaturas, sin embargo, la pendiente máxima permitida para cualquier componente debe aplicarse ya sea que el componente se esté calentando o enfriando. Se sugiere comúnmente una velocidad de enfriamiento de 4 °C/s. Es un parámetro a tener en cuenta 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 se derretirá (en lugar de simplemente ablandarse). Si se enfría por debajo de esta temperatura, la soldadura no fluirá. Si se calienta por encima de ella una vez más, la soldadura fluirá nuevamente; de ahí el término "reflujo".
Las técnicas modernas de montaje 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 pasta de soldadura supere la temperatura de reflujo de la soldadura en cuestión.
El perfil térmico es el acto de medir varios puntos en una placa de circuito para determinar la excursión térmica que experimenta durante el proceso de soldadura. En la industria de fabricación de productos electrónicos, el SPC (control estadístico de procesos) ayuda a determinar si el proceso está bajo control, medido en relación 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 los ajustes óptimos para el proceso. [5]
http://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electronic_engineering/Electronics_Manufacture_Intrusive_Reflow.pdf