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El Proceso de Soldadura




Enviado por dpitta



    1. ¿ Qué es Soldadura
      ?
    2. Flux
    3. Soldadura por
      ola
    4. Soldaduras
    5. Parámetros del
      proceso
    6. Contaminación y
      Controles
    7. Perfiles
      térmicos
    8. Bibliografia

    ¿ Que es Soldadura
    ?

    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

    Para
    ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    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.

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    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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    la opción "Descargar" del menú
    superior

    Control de
    Contenido de Sólidos

    1. Gravedad Específica
    • fluxes de altos sólidos (>
      10%).
    1. 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

    1. Espuma
    2. Ola
    • Utilizados para fluxes tipo OA, RMA y
      RA
    • Requieren control estricto del contenido de
      sólidos.
    1. 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.

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar"

    Tipos de Precalentadores

    1. Radiante
    • Habilidad pobre para evaporar el agua de los fluxes
      (VOC Free), pudiéndose generar bolas de
      soldadura.
    • Transparencia de calor selectiva.
    1. 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

    1. Ola laminar usada en PCB de Throuh –
      Hole.

    2. Simple (Laminar)
    3. 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.

    Para ver el gráfico seleccione
    la opción "Descargar" del menú
    superior

    • SISTEMAS
      INERTES (Nitrógeno)

    Beneficios

    1. Previene oxidación.
    • Facilita el uso de fluxes No-Clean.
    1. No decolaración en los PCB.
    2. Reduce la formación de escorias
    • Menos mantenimiento requerido.
    • Menos soldadura utilizada.
    • Menos escoria que disponer.

    Tipos de Sistemas Inertes (con
    Nitrógeno).

    1. Sistema de Túnel Inerte
    • Ambiente inerte en precalentadores y
      ola.
    • Consumo de nitrógeno: 1400 – 2400
      CFH.
    1. 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.

    Para ver el gráfico seleccione la
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    Precalentamiento.

    1. 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.
    2. 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

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    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:

    • Cuantifican los Parametros de los
      Precalentadores
    • La Temperatura de la Ola.
    • El Paralelismo.
    • Tiempo de Contacto (Tiempo de Contacto como la
      Velocidad del Conveyor).

    Para ver el gráfico
    seleccione la opción "Descargar" del menú
    superior

    Tabla de
    Diagnóstico

    Cortos

    • Flux insuficiente.
    • Precalentamiento fuera de
      especificación.
    • Orientación de PCB Incorrecta.
    • Soldadura contaminada.
    • Temperatura del crisol baja.
    • Altura de la ola incorrecta.
    • Escoria de la ola.
    • Ola desnivelada.

    Insuficiencias

    • Relación alta de hoyo a
      terminal.
    • Altura de ola incorrecta.
    • Ola desnivelada.
    • Soldabilidad PCB/Componentes.

    Bolas de
    Soldadura

    • Precalentamiento fuera de
      especificación.
    • Tipo de mascarilla.
    • Flux insuficiente.
    • Tiempo de contacto excesivo.
    • Uso de ola turbulenta.
    • Pobre calidad de PTH (Fractura en
      Pared).

    Bibliografia

    Manual de Alpha-Fry Technology

    A cook Electronic Company.

    U.S.A. 2002

    Manual de Soldadura de Omega.

    Soldaduras Omega S. A. de C.V.

    México 2000

    Circuits Assembly

    www.iupui.edu/~eet360/m200_wave.htm

    www.thepdfshop.co.uk/ppm/asp/wave.asp

     

       

    Por:

    Ing. Ma. Dolores Pitta Landa

    UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL NORESTE

    Maestria en Productividad.

     

     

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