En la industria electrónica existen diferentes tipos de hornos de refusión, algunos son por fase vapor, otros son por emisión en el espectro infrarrojo y, por ultimo, están los de convección de aire caliente.
SOLDADURA POR REFUSION
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.
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 la Fig. Anterior tenemos como ejemplo un horno con nueve zonas de calentamiento y una 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 como 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 Convección Forzada de Aire
La convección forzada de aire es el desarrollo más reciente de la tecnología de refusión. El calor se transfiere a la placa mediante aire caliente que se mueve a baja velocidad, logrando el calentamiento por contacto, en lugar de radiación. El grado con el que el calor es transferido al objeto es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el aire caliente y el objeto (PCB).
Los sistemas de convección forzada calientan el aire utilizando elementos resistivos en un diseño de lazo cerrado, también cuentan con una toma de aire, un soplador o ventilador y uno o varios instrumentos de medida tales como termocuplas o termo resistencias.
El aire esta continuamente circulando por un soplador a través del elemento resistivo. El calor es transferido de la superficie del elemento resistivo al aire.
En la figura 2 hay un ejemplo de un horno de convección forzada en donde se puede visualizar los elementos calefactores, los sopladores, el PCB y los elementos de medida.
G. Ventajas de los sistemas de convección forzada
• Los sistemas de convección forzada producen un calentamiento próximo al equilibrio.
• Los sistemas de convección forzada calientan uniformemente.
• Los sistemas de convección forzada son fáciles de mantener.
• En los sistemas de convección es muy fácil definir un perfil.
• No son sensibles al calor (emisividad y absorbancia de los componentes)
H. Desventajas de los sistemas de convección forzada
• Para hacer eficiente al sistema se reciclan los humos de la pasta de soldar y de la placa
• Pueden perder calor por los bordes ( equipos de producción continua )
• Se tiene que controlar el aire con precisión.
Un agradecimiento especial al colega Esteban F. Verrone, Autor de "Soldadura SMT por Convección Forzada" publicado via electrónica por la Revista Argentina de Trabajos Estudiantiles perteneciente al IEEE.
