El Proceso de Soldadura

Enviado por dpitta

¿ Qué es Soldadura
?
Flux
Soldadura por
ola
Soldaduras
Parámetros del
proceso
Contaminación y
Controles
Perfiles
térmicos
Bibliografia

La Soldadura es un metal fundido que une dos piezas de
metal, de la misma manera que realiza la operación de
derretir una aleación para unir dos metales, pero
diferente de cuando se soldan dos piezas de metal para que se
unan entre si formando una unión soldada.

En la industria de
la electrónica, la aleación de
estaño y plomo es la más utilizada, aunque existen
otras aleaciones,
esta combinación da los mejores resultados. La mezcla de
estos dos elementos crea un suceso poco comun. Cada elemento
tiene un punto elevado de fundición, pero al mezclarse
producen una aleación con un punto menor de
fundición que cualquiera de los elementos para esto
debemos de conocer las bases para soldar. Sin este conocimiento
es difícil visualizar que ocurre al hacer una unión
de soldadura y los efectos de las diferentes partes del
proceso.

El estaño tiene un punto de fundición de
450º F; el plomo se funde a los 620º F. Ver grafica, en
este diagrama de
proporción de Estaño/Plomo consiste de dos
parametros, uno de ellos es la temperatura en
el eje vertical y la otra es la concentración en el eje
horizontal. La concentración de estaño es la
concentración del plomo menos 100. En el lado izquierdo
del diagrama puede ver 100% de estaño, en el lado derecho
del diagrama puede ver 100% de plomo. Las curvas dividen la fase
líquida de la fase pastosa. La fase pastosa de la
izquierda de la linea divide el estado
líquido del estado
sólido. Usted puede ver que estas lineas se unen en un
punto correspondiente a una temperatura de 183º C o
361º F, a este punto se le llama punto eutectico. La
aleación 63% estaño y 37% plomo tienen la misma
temperatura sólida y líquida. Pastoso o en pasta
significa que existen ambos estados, sólido y
líquido. Entre mas alto sea el contenido de plomo, mayor
sera el campo pastoso. Entre mas alto sea el estaño menor
sera el campo pastoso. La soldadura preferida en la
electrónica es la aleación eutectica debido a su
inmediata solidificación.

Diagrama de Fase

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Teoria de
Soldadura

Antes de hacer una union, es necesario que la soldadura
"moje" los metales básicos o metales base que formaran la
unión. Este es el factor mas importante al soldar. Al
soldar se forma una unión intermolecular entre la
soldadura y el metal. Las moleculas de soldadura penetran la
estructura del
metal base para formar una extructura sólida, totalmemte
metálica.

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Si la soldadura se limpia mientras esta aun derretida,
sera imposible retirarla completamente. Se ha vuelto una parte
integral de la base. Si unmetal graso se sumerge en agua no se
"mojara" no importa que tan degado sea el aceite, se
formarán bolitas de agua que se pueden sacudir de la
superficie. Si el metal se lava en agua caliente utilizando
detergente y se seca con cuidado, sumergiendolo de Nuevo en agua,
el liquido se extendera completamente sobre la superficie y
formara una pequeña capa. Esta capa de agua no se puede
quitar a menos que se seque. El material esta entonces "mojado".
Cuando el agua moje
el metal entonces esta perfectamente limpio, de tal forma la
soldadura mojara el metal cuando las superficies de la soldadura
y del metal estan completamente limpias. El nivel de limpieza que
se requiere es mucho mayor que con el agua sobre el metal. Para
tener una Buena unión de soldadura, no debe de existir
nada entre los dos metáles. Casí todos los
metáles se oxidan con la exposición
al aire y hasta
la capa mas delgada impedira que la soldadura moje el
metal.

El flux o desoxidante sobrepasa la mayor parte de este
problema, como se vera mas aldelante.

Cuando se unen dos superficies limpias de metal y se
sumergen en soldadura fundida, la soldadura mojara el metal y
subira hasta llenar los espacios entre las superficies contiguas.
A esto se le conoce como la acción capilar.
Si las superficies no estan limpias, no ocurrira la
operación de mojado y la soldadura no llenara la
unión. Cuando las tablillas con orificios cromados por una
ola de soldadura, es esta fuerza la que
llena los orificios y produce un llenado en la superficie
superior. La presión de
la ola no es lo que produce, esto si no la acción capilar
de la soldadura.

Todos hemos visto insectos que caminan sobre la
superficie de un estanque sin mojarse las patas. Ellos se apoyan
sobre una capa o fuerza invisible llamada tension de la
superficie. Esta es la misma que hace que el agua se conserve en
bolitas sobre el metal aceitoso. La tensión de la supercie
es la capa delgada que se ve sobre la superficie de la soldadura
derretida. Los contaminantes de la soldadura pueden incrementar
la tensión de la superficie y la mayoria pueden
controlarse cuidadosamente. La temperatura de la soldadura
tambien afectara la tensión de la superficie, reduciendola
al incrementar su temperatura. Este efecto es pequeño
comparado al de la oxidación.

Flux

El proposito del flux

Reduce óxidos en todas las superficies
involucrados en la unión de soldadura.
Reduce la tensión superficial de la soldadura
fundida.
Ayuda aprevenir la reoxidación de la
superficie durante la soldadura.
Ayuda a transferir calor a las
superficies a soldar.

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Tipos de Flux

R – Resina, fue el primer flux utilizado en la
electrónica y aun es empleado. Esta hecho de savia que
emana de algunos arboles (no
haluros/no ácidos
organicos). Adecuado para limpieza con solvente/saponificador.
Este flux debe de ser lavado.
RMA – Resina Media Activada (haluros limitados,
ácidos orgánicos debiles limiados)Adecuado para
limpieza con solvente/saponificador
RA – Resina Activada (haluros/ácidos
orgánicos débiles). Usado por algunos como
no-clean, usualmente con solvente/saponificador.
RSA – Resina Super Activada (alto nivel de
haluros y ácidos orgánicos). Limpiado con
solvente/saponificador.
OA – Organico Activado (alto nivel de haluros,
alto nivel de ácidos orgánicos fuertes). Debe de
ser lavado con agua o saponificador
NO-CLEAN – Los residuos no se lavan, no
degradan la Resistencia al
Aislamiento de Superficie (SIR).

NO-CLEAN

RESINA NATURAL Y SINTETICA – Acidos
Orgánicos débiles y haluros.

RESINA NATURAL Y SINTETICA – Acidos
orgánicos débiles solamente (sin
haluros).

VOC-FREE – Acidos orgánicos
débiles usualmente libres de resinas. El alcohol es
reemplazado por agua.

Soldadura por Ola

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FLUX

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— Control de
Contenido de Sólidos

Gravedad Específica

fluxes de altos sólidos (>
10%).

Titulación

Fluxes bajos a medios en
sólidos (< 10%).

Los fluxes utilizados en los sistemas sellados
no pierden solvente y por lo tanto no requieren de este
control.

— Métodos de
Aplicación

Espuma
Ola

Utilizados para fluxes tipo OA, RMA y
RA
Requieren control estricto del contenido de
sólidos.

Spray

- Utilizado para fluxes No-Clean.
SOLDADURAS

Aleación Estándard:
63% de Estaño y 37% de Plomo

La aleación eutectica 63% de Sn y 37% de Pb
es una aleación especial donde la fusion ocurre a una
sola temperatura que es de 183º C (361º
F).

Impurezas Metálicas: Pueden:

Causar defectos severos de cortos (particularmebte
cuando el hierro
excede 0.005% y el Zinc excede 0.003%).
Debilitar la resistencia de la union de la
soldadura.
Incrementar la razón de formación de
escoria.
Causar uniones opacas o granulosas.
Reducir la capacidad de mojado (particularmente el
azufre).

Impurezas No Metálicas: (Oxidos
Incluidos).

- Las impurezas no metálicas u óxidos
  inluidos se mojan muy bién en la soldadura fundida y
  no se separan de la soldadura de la escoria.
- Los óxidos incluidos incrementan la
  viscosidad de la soldadura fundida, causando
  cortos y picos (icicles).
- Los óxicos incluidos pueden ser medidos
  mediante la Prueba de Inclusión de Escoria (Dross
  Inclusion Test).
PRECALENTADORES Y
OLAS

Función del
Percalentamiento

Evapora los solventes del flux (IPA,
Agua)
Previene choque térmico de los PCB y de los
componentes.
Activa el Flux.
Permite que la soldadura fluya atraves del
PCB.

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Tipos de Precalentadores

Radiante

Habilidad pobre para evaporar el agua de los fluxes
(VOC Free), pudiéndose generar bolas de
soldadura.
Transparencia de calor selectiva.

Convección Forzada

Alta eficiencia en
transparencia de calor.
Volatiza el agua de los fluxes (VOC
Free).
Minimiza el incremento de temperatura entre las
areas del PCB.

Tipos de Ola

Ola laminar usada en PCB de Throuh –
Hole.
Simple (Laminar)
Doble (Laminar/Turbulenta).

Ola turbulenta seguida de ola laminar usada en PCB con
componentes de SMT en el lado de la soldadura. La ola
turbulenta previene el efecto de sombra en los
componentes.

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SISTEMAS
INERTES (Nitrógeno)

Beneficios

Previene oxidación.

Facilita el uso de fluxes No-Clean.

No decolaración en los PCB.
Reduce la formación de escorias

Menos mantenimiento requerido.
Menos soldadura utilizada.
Menos escoria que disponer.

Tipos de Sistemas Inertes (con
Nitrógeno).

Sistema de Túnel Inerte

Ambiente inerte en precalentadores y
ola.
Consumo de nitrógeno: 1400 – 2400
CFH.

Sistema Inerte Limitado.

- Ambiente inerte solo en la ola
- Consumo de nirógeno: 300 CFH.
PARAMETROS DEL
PROCESO

Orientación de la Tarjeta.

Los conectores e IC’s deben viajar
perpendicularmente a la ola. Los chips deben de viajar
paralelamente a la ola.

Flux.

Verifique que el flux séa aplicado
uniformemente en el PCB.
Seleccione un flux adecuado al proceso. Si se
requiere el uso de la ola turbulenta el flux debe sobrevivir
mayor tiempo en
contacto con la ola de soldadura.

Velocidad del Coveyor.

El tiempo de contacto con la ola es función
de la velocidad
del conveyor y el area de contacto con la ola.
Ajustar la velocidad del conveyor de acuerdo al
tiempo de contacto especificado (Típico: 1.5 – 3.5
seg.)

El tiempo de contacto es el acumulado entre las olas
turbulentas y

laminar.

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Precalentamiento.

Precalentar tan rápido como séa
posible pero sin exceder 2ºC/Segundo, medido en el lado
superior de la tarjeta. Exceder 2ºC/Segundo
(3.5ºF/Segundo) puede causar daño a los
componentes debido a choque térmico.
Fluxes VOC Free.

Es optimo llevar la mayoria de los fluxes VOC Free
hasta los 105-120º C (220º- 250º
F).
Temperaturas inferiores pueden resultar
salpicaduras.
Temperaturas superiores pueden volatilizar
prematuramente los activadores causando defectos de cortos de
soldadura.

Temperatura del Crisol.

El rango recomendado es de 460 – 500º F
(235 – 260º C).
El uso de dos olas limita la actividad del flux.
Use la ola turbulenta solo si tiene componentes de SMT en el
lado de abajo del PCB.

Contaminación y Controles

La pureza de la soldadura tiene una gran efecto en la
parte terminada y el numero de rechazos. Por consiguiente
entender los efectos de la
contaminación de la soldadura obviamente nos puede
llevar a mejorar la calidad de las
partes producidas a un costo reducido.
Se recomienda no ignorar los efectos perjudiciales de las
impurezas de la soldadura en la calidad y el indice de producción del equipo de soldadura por
inmersión o de onda. Algunos de los problemas que
prevalecen a causa de soldadura contaminada son uniones opacas o
asperas, puentes y no poderse "mojar". Cambiar la soldadura no es
necesariamente la solución. Las soldaduras se pueden
dividir en tres grupos
básicos:

1).- Soldadura Reciclada

2).- Virgen.

3).- Alto Grado de Pureza.

Soldadura reciclada es desperdicio de Estaño y
Plomo que se puede comprar y refinar por medio de procedimientos
metalurgicos regulares. Los altos niveles de impureza pueden
provocar problemas en las lineas de producción en masa.
Soldadura Virgen este termino se refiere a la soldadura que estan
compuestas de Estaño y Plomo estraidos del mineral. El
nivel de pureza del Estaño y Plomo de esta materias primas
es alto y excede, en muchos aspectos de la magnitud y las
normas (ASTM
& QQS-571). Soldadura de alto grado de pureza se selecciona
Estaño y Plomo con bajo nivel de impurezas y se produce
soldadura con bajo nivel de impurezas.

Antes de discutir problemas y soluciones
considere la fuente de la contaminación metálica en un crisol
u onda durante la manufactura.
Obviamente en una parte del equipo bien fabricada, las paredes
del recipiente para el metal fundido, al igual que la bomba y
todas las demás superficies que llegan a estar en contacto
con la soldadura estan hechas con un metal como el acero inoxidable.
La contaminación del baño, por consiguiente, puede
resultar unicamente por el contacto con el trabajo
mismo.

Esto significa que un numero limitado de elementos se
adquieren, dependiendo de la linea de producción. En el
crisol de inmersión, esto significa que se podra encontrar
cobre y zinc,
al soldar con ola ensambles electrónicos y tablillas de
circuitos
impresos, significa que se podra encontrar cobre y oro. En otras
palabras, un baño de soldadura solo se puede contaminar
con aquellos metales con los que esta en contacto y los cuales
son solubles en la soldadura.

Al ir subiendo el nivel de contaminación, la
calidad de la soldadura se deteriora. Sin embargo, no existe una
regal clara en cuanto al nivel de contaminación
metálica donde la soldadura ya no se puede
emplear.

No podemos prevenir que los materiales de
los PCB toquen el baño e inevitablemente contaminaran la
soldadura hasta cierto grado. No existen valores
absolutos para todas las condiciones. El limite depende de los
requisitos de especificación, diseño
del PCB, solderabilidad, espaciado de los circuitos,
tamaño de los conectores y otros parametros. Establezca
sius propios niveles de contaminación.

Los Efectos de
Contaminantes Comunes

Cobre	Uniones con apariencia arenosa, la capacidad de mojarse se ve reducida.

Aluminio	Uniones arenosas, aumenta la escoria en el crisol.
Cadmio	Reduce la capcidad de mojado de la soldadura, causa que la unión se vea muy opaca.

Zinc	Provoca que el indice de escoria aumente, las uniones se ven escarchadas.

Antimonio	En cantidades arriba de 0.5% puede reducir la capacidad de mojarse de la soldadura. En pequeñas cantidades mejora la capacidad de baja temperatura de la unión de la soldadura.



Hierro	Produce niveles excesivos de escoria.
Plata	Puede provocar uniones opacas, en concentraciones muy altas hara que la soldadura sea menos movil. No es un contaminante malo. Se añade a algunas aleaciones en forma deliberada.



Nickel	En pequeñas concentraciones, provoca pequeñas burbujas o ampollas en la superficie de la unión.

Nota: La union de la
soldadura tiene apariencia opaca. El antimonio elimina este
efecto.

OTROS
CONTAMINANTES

Fosforo, Bismuto, Indio, Sulfuro, arsenico, etc. Algunos
de estos pueden considerarse contaminantes, sin embargo, unos de
ellos se añaden a la soldadura en forma deliberada para
fines especiales. Para soldar las tablillas a máquinas,
se consideran materiales que pueden provocar contaminación
de las uniones.

La escoria es el óxido que se forma en la
superficie de la soldadura. El indice de la generación de
escoria depende de la temperatura y la agitación. Mucho de
lo que aparenta ser escoria es, en realidad, pequeños
globules de soldadura contenidos en una pequeña pelicula
de óxido. Entre mas turbulenta sea la superficie de la
soldadura, mas escoria se produce. Los contaminantes tambien
juegan un papel
importante en la formación de escoria. Los elementos que
oxidan contribuyen a esta formación. Aunque se cree que la
escoria es perjudicial en los procesos de
soldadura de ola, el óxido de la superficie protéje
contra oxidación futura. No es necesario quitarla escoria
con frecuencia, unicamente si interfiere con la acción de
la ola o si la ola consiste en escoria.

Quitar la escoria una vez al día es, por lo
general suficiente. Las areas donde se puede controlar la escoria
son la temperatura y la agitación. Se ha encontrado que lo
que se considera escoria es una mezcla de compuestos
intermetalicos y escoria. Es importante quitar la
acumulación superficial del crisol con herramientas
que permitan que el metal se vuelva al crisol y solamente se
quite la escoria. Se han empleado muchas cosas para reducir la
escoria, pero mientras haya exposición al oxigeno, se
generara escoria.

PERFILES
TERMICOS

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Este asegura que el proceso por soldadura de ola este en
control. El analizador térmico es una herramienta de
medición (Temperatura VS Tiempo) y detecta
los cambios que presenta en proceso de soldadura en la
máquina.

PERFIL

Esta definido como el traza un gradiente térmico
por unidad de tiempo.

Los perfiles térmicos analizan: