Soldadura por ola
Introducción
La soldadura por ola es un proceso de soldadura a gran escala en el que los componentes electrónicos son soldados al PCB para formar un montaje electrónico. El nombre proviene del uso de olas de soldadura fundida para adjuntar el metal de los componentes a la placa del PCB. El proceso utiliza un tanque que contiene una cantidad de soldadura fundida. Los componentes se insertan en o sobre el PCB y éste atraviesa un ‘cascada’ de soldadura. La soldadura moja las zonas metálicas expuestas de la placa (los que no están protegidos por la máscara de soldadura) creando una conexión eléctrica y fiable. El proceso es mucho más rápido y puede crear un producto de calidad superior a la soldadura manual de los componentes.
La soldadura por ola se usa para el montaje de circuitos impresos tanto de componentes through-hole como de montaje superficial (SMD). En este último caso, los dispositivos se pegan sobre la superficie de la placa antes de que pase a través de la soldadura fundida. Como los componentes through-hole han sido sustituidos en gran parte por componentes de montaje superficial, el proceso de soldadura por ola ha sido suplantado por el método de soldadura por horno en muchas aplicaciones electrónicas a gran escala. Sin embargo, todavía existe un cierto uso del método de soldadura por ola en el que los dispositivos SMD no son muy adecuados (por ejemplo, dispositivos de gran potencia y con un gran número de pines) o cuando los elementos through-hole predominan.
Proceso de soldadura por ola
Etapas del proceso de soldadura
Existen muchos tipos de máquinas de soldadura por ola, sin embargo los componentes básicos y los principios de estas máquinas son los mismos. Una máquina de soldadura por ola estándar consta de tres etapas:
- Etapa de aplicación del flux.
- Etapa de precalentamiento.
- Etapa de soldadura.
Otra cuarta etapa (opcional), la de limpieza, se utiliza según el tipo de flux aplicado.
Etapa de aplicación del flux
¿Qué es el Flux?
El flux es un compuesto químico activo que cuando se le aplica calor elimina la oxidación de la superficie sobre la que se deposite y favorece la formación de una capa metálica entre el material de soldadura y el metal a soldar. También tiene otras funciones como:
- Reducir la tensión superficial de la soldadura fundida.
- Ayudar a prevenir la reoxidación de la superficie durante la soldadura.
- Ayudar a transferir el calor uniformemente a todo el área de soldadura.
Métodos de aplicación del flux (fluxing)
Spray de flux
Algunos pulverizadores de flux constan de un brazo robótico que se desplaza de un lado a otro de la placa mientras difumina una pequeña capa de flux sobre la cara de abajo del PCB. Otros pulverizadores de flux consisten en una barra estacionaria con una serie de boquillas que rocían la parte de abajo de la placa con flux. Algunos sistemas pueden utilizar aire comprimido para quitar el exceso de flux o eliminar completamente el flux de algunas zonas.
Espuma de flux
Espuma de flux
Este método de aplicación de flux está compuesto por un cilindro de plástico, con pequeños agujeros, que se sumerge en un tanque de flux. En la parte superior del cilindro, se coloca una chimenea de metal. A continuación, se hace pasar un flujo de aire a través del cilindro, lo que produce que la espuma del tanque ascienda por la chimenea, hasta que se ve rebosada, como si de un volcán se tratase. La placa entonces es desplazada por la parte superior de la chimenea, lo que hace que el flux se aplique a la cara inferior del PCB.
Para cualquier método de aplicación de flux, se debe tener un control preciso sobre la cantidad de flux que se aplica sobre la placa ya que un déficit de flux podría provocar unas uniones de soldadura débiles, mientras que un exceso de flux tampoco sería recomendable.
Etapa de precalentamiento
A continuación, la placa se pasa a la zona de precalentamiento. Esta parte del proceso consiste en proyectar aire caliente sobre la superficie del PCB, a través de unos calentadores, con el objetivo de incrementar la temperatura en la placa para que no se produzca el efecto denominado como shock térmico. El shock térmico ocurre cuando el PCB pasa, repentinamente, de la temperatura ambiente que pueda haber en la habitación donde se esté soldando, a la alta temperatura de la ola de soldadura.
Funciones del precalentamiento:
- 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 a través del PCB.
Tipos de precalentadores:
- Radiante: Habilidad pobre para evaporar el agua de los fluxes pudiéndose generar bolas de soldadura, que perjudican la correcta unión de los componentes a la placa.
- Convección Forzada: Alta eficiencia en transparencia de calor. Volatiza el agua de los fluxes.
Etapa de soldadura
El PCB pasa sobre un tanque que contiene el material de soldadura. Este tanque tiene un patrón de olas predefinidas en su superficie, como por ejemplo, olas intermitentes. Estas olas entran en contacto con la cara de abajo del PCB, uniendo los componentes a los pads de soldadura de la placa, mediante tensión superficial. Es necesario llevar un control de la altura de la ola usada en este proceso para asegurarnos que la soldadura fundida se aplica en la cara de abajo del PCB y no salpica en la cara de arriba o en lugares donde no queremos hacer una soldadura. Este proceso se realiza en una atmósfera de un gas inerte (como el nitrógeno N2) para mejorar la calidad de las uniones. Además, la presencia de nitrógeno reduce la oxidación.
Tipos de material de soldadura
Existen un gran número de materiales de soldadura diferentes que podemos usar en el proceso de soldadura por ola siendo los más corrientes los materiales basados en estaño y plomo. Sin embargo, este tipo de materiales están siendo reemplazados por otros que no contienen plomo. Esto es porque, como ya sabéis, el plomo es un material altamente tóxico que puede provocar problemas de salud a las personas que estén en contacto con él.
Aquí mostramos una pequeña clasificación de los diferentes tipos de materiales de soldadura:
- Aleación estándar: 63% de Estaño y 37% de Plomo
La aleación eutéctica 63% de Sn y 37% de Pb es una aleación especial donde la fusión ocurre a una sola temperatura que es de 183º C (361º F).
- Impurezas Metálicas: Pueden causar defectos severos de cortocircuitos (particularmente cuando el hierro excede 0.005% y el Zinc excede 0.003%). Además, pueden debilitar la resistencia de la unión de la soldadura.
- Impurezas No Metálicas: (Óxidos Incluidos).
Las impurezas no metálicas u óxidos incluidos se mojan muy bien en la soldadura fundida y no se separan de la soldadura. Los óxidos incluidos incrementan la viscosidad de la soldadura fundida, causando cortos y picos.
Etapa opcional de limpieza
Existen dos tipos de flux: un flux que no necesita limpieza, ya que sus residuos no son contaminantes y otro que sí necesita una etapa de limpieza, en la cual el PCB es limpiado usando disolventes o agua no-ionizada para eliminar los residuos de flux restantes.
Precauciones en el emplazamiento de los componentes
Hay que tener especial cuidado a la hora de colocar los componentes que se van a soldar para que no se produzca el denominado efecto sombra. Este efecto ocurre cuando un componente de gran altura se sitúa muy próximo a otro componente y provoca que el material de soldadura no se distribuya uniformemente en este segundo componente.
Los componentes no se pueden colocar de forma que los pads de un mismo lado del componente sean perpendiculares a la dirección de avance de la placa al pasar a través de la ola de soldadura. Los pads se deben soldar secuencialmente (uno a uno) porque si se sueldan todos a la vez podrían producirse cortocircuitos entre ellos. Por esta razón, no podríamos usar el proceso de soldadura por ola para soldar un componente QFP (ya que tienen pads en toda su periferia).
Tipos de ola
Ola turbulenta y laminar
- Simple (Laminar). Ola laminar usada en PCB de Through–Hole.
- Doble (Laminar/Turbulenta). Ola turbulenta seguida de ola laminar usada en PCB con componentes de SMD en el lado de la soldadura. Se debe tener un gran control de la velocidad vertical de la ola turbulenta y mantenerla a una altura constante. Este tipo de ola previene el efecto de sombra en los componentes
