Introducción
En el complejo mundo de la fabricación de placas de circuito impreso (PCB), lograr conexiones eléctricas robustas y fiables es fundamental. La soldadura por ola es un paso esencial en este proceso.
Esta técnica garantiza que los componentes con orificios pasantes se adhieran perfectamente a las PCB, anclándolos de forma segura para sus aplicaciones electrónicas previstas.
En la producción de PCBA, el proceso de soldadura por ola implica pasos complejos, cada uno de los cuales es fundamental para el resultado final. Desde la meticulosa preparación de la PCB y la aplicación precisa de fundente hasta el control de la temperatura de la soldadura y la altura de la ola, este método esconde secretos para crear uniones de soldadura fiables.
En esta exploración, profundizamos en el mundo de la soldadura por ola. Le informaremos sobre los detalles del precalentamiento, la creación de la ola de soldadura, la soldadura, el enfriamiento y la importancia de la inspección final.
¿Qué es la soldadura por ola?
La soldadura por ola es un método popular para soldar en masa durante la producción de placas de circuito impreso. En este procedimiento, se mueve una placa de circuito sobre un recipiente lleno de soldadura líquida.
Dentro de este contenedor, un dispositivo de bombeo crea una onda ascendente de soldadura similar a una onda estacionaria. Al interactuar la placa de circuito con esta onda de soldadura, facilita la soldadura de sus componentes a la placa.
Si bien la soldadura por ola se aplica principalmente en la soldadura de componentes con orificios pasantes, también se puede emplear para montaje en superficie en escenarios específicos.
El equipo fundamental utilizado en el proceso de soldadura por ola de PCB comprende un transportador que transporta la placa de circuito impreso a través de varias zonas secuenciales.
El baño de soldadura es fundamental en el proceso de soldadura, y una bomba genera la ola de soldadura esencial. Además, este sistema incluye componentes integrales como un pulverizador de fundente y una almohadilla de precalentamiento.
Vale la pena señalar que existen distintos tipos de máquinas de soldadura por ola, pero sus componentes principales y principios operativos siguen siendo los mismos.
Máquina de soldadura por ola
El
máquina de soldadura por ola Consiste en un crisol de soldadura calentado para mantener la temperatura necesaria. Dentro de este recipiente, se crea una ola de soldadura, y la placa de circuito impreso la atraviesa, asegurándose de que solo la parte inferior de la placa entre en contacto con la ola de soldadura.
Es fundamental regular la altura de la ola para evitar que la soldadura se filtre en zonas no deseadas de la superficie superior de la placa. Normalmente, montamos las placas de forma segura en una bandeja transportadora resistente a altas temperaturas. En las plantas de fabricación de productos electrónicos, es habitual encontrar máquinas de soldadura por ola bimodales o de bombeo electromagnético. Además, el precio de la soldadura por ola varía según el modelo, las características y las capacidades.
Pasos involucrados en el proceso de soldadura por ola
Estos son los pasos críticos involucrados en el proceso de soldadura por ola de PCB:
Preparación de PCB
Comience preparando la PCB, asegurándose de que esté limpia y libre de contaminantes o residuos. Este paso puede implicar limpiar la superficie de la PCB para optimizar la adhesión de la soldadura.
Aplicación de fundente
El fundente juega un papel crucial en el proceso de soldadura por ola, principalmente para limpiar los componentes soldados, particularmente para abordar cualquier capa de óxido que pueda haberse formado.
Se utilizan dos tipos de fundente: corrosivo y no corrosivo. Los fundentes no corrosivos requieren prelimpieza y se emplean cuando se requiere baja acidez, mientras que los corrosivos, al ser más rápidos y requerir menos prelimpieza, presentan un mayor nivel de acidez.
Necesitamos aplicar el fundente en la base de la placa que queremos soldar. Es fundamental usar la cantidad justa. Una cantidad insuficiente puede provocar uniones de soldadura débiles, y una cantidad excesiva puede dejar fundente sobrante en la placa. La cantidad correcta es esencial para una buena soldadura.
En el proceso de soldadura por ola de PCB, utilizamos dos técnicas principales para aplicar el fundente.
1. Aplicación del fundente en aerosol: Este método consiste en rociar una fina capa de fundente sobre la parte inferior de la placa que se va a soldar. En algunos sistemas, un chorro de aire comprimido puede eliminar el exceso de fundente, garantizando una aplicación precisa.
2. Aplicación del fundente de espuma: En este método, la placa de circuito impreso se coloca sobre una cascada de espuma fundente. La espuma se fabrica colocando fundente en un tanque. Dentro del tanque, hay un cilindro de plástico con pequeños orificios. Una chimenea metálica cubre el cilindro y los operadores impulsan aire a través de él, lo que hace que la espuma fundente suba por el respiradero.
Estos dos métodos de aplicación permiten la deposición controlada y efectiva de flujo en la PCB, un paso crucial para garantizar una soldadura confiable.
Precalentamiento
Durante el proceso de soldadura por ola, las altas temperaturas, mucho más altas que las experimentadas con la soldadura manual, exponen las placas de circuito impreso (PCB) y sus componentes. Este cambio repentino de temperatura, llamado choque térmico, puede aumentar el riesgo de fallo.
Por lo tanto, es necesario precalentar las placas gradualmente, permitiéndoles alcanzar la temperatura deseada y minimizando así el choque térmico, lo que solucionará este problema. En la zona de precalentamiento, se suelen utilizar calentadores de aire caliente.
Los usuarios deben soplar aire caliente sobre las placas de circuito impreso (PCB) a medida que pasan por la máquina de soldadura por ola. Un calentador infrarrojo puede garantizar un calentamiento uniforme en placas de circuito impreso densas, evitando así las zonas de sombra.
La configuración de la temperatura de precalentamiento varía según el tipo de conjunto o PCB:
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Para soldar por ola de un solo lado, ajuste la temperatura entre 90 y 100 grados.
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Para la soldadura por ola de doble cara y la soldadura por reflujo de doble cara, mantenga la temperatura dentro del rango de 100 a 110 grados.
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Para la soldadura por ola de PCB multicapa y la soldadura por reflujo de PCB multicapa, ajuste la temperatura entre 115 y 125 grados.
Creación de olas de soldadura y proceso de soldadura
Un crisol o bandeja de soldadura dentro de la máquina contiene la soldadura fundida durante el proceso de soldadura por ola. Una bomba crea una corriente ascendente controlada de la soldadura, formando una onda estacionaria distintiva. Es crucial mantener esta onda a la altura y temperatura correctas para facilitar el proceso de soldadura eficazmente.
Una vez precalentada la placa de circuito impreso (PCB), la movemos cuidadosamente sobre la ola de soldadura fundida. Al entrar en contacto con la ola, la soldadura se adhiere a las almohadillas metálicas expuestas y al conductor del componente. Esta interacción da como resultado uniones de soldadura sólidas y fiables.
Elección del material de soldadura
La elección del material de soldadura es crucial. Tradicionalmente, la aleación de soldadura más utilizada es Sn63Pb37, compuesta por un 63 % de estaño y un 37 % de plomo. Esta combinación ofrece excelentes propiedades de soldadura, lo que la ha hecho famosa en la fabricación de productos electrónicos.
Sin embargo, el plomo es una sustancia peligrosa que puede perjudicar la salud humana y el medio ambiente. Su presencia en los materiales de soldadura supone un riesgo para los trabajadores y puede provocar contaminación.
Los fabricantes han introducido aleaciones de soldadura sin plomo como una alternativa más segura para abordar estos problemas. Estas soldaduras sin plomo suelen estar compuestas de diferentes materiales, y dos opciones comunes son Cu₂Sn₄ y Ni₃Sn₄.
Temperatura de soldadura
En el proceso de soldadura por ola, la temperatura de la soldadura es un factor clave que influye en la calidad de las uniones. Es crucial controlar cuidadosamente la temperatura tanto del crisol de soldadura como de la placa de circuito impreso (PCB) para una soldadura por ola exitosa. A continuación, se presentan los rangos de temperatura recomendados y las consideraciones para una soldadura por ola eficaz:
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Temperatura del lado superior: Para la soldadura por ola sin plomo, la temperatura típica en la parte superior oscila entre 180 y 225 °C. Sin embargo, esta temperatura específica puede variar según el tipo de fundente utilizado.
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Temperatura del crisol de soldadura por ola: En el caso de soldadura sin plomo, lo ideal es que los operadores mantengan la temperatura del crisol de soldadura por ola en el rango de 265 a 270 °C.
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Temperatura de la PCB inferior: La temperatura en la parte inferior de la PCB en la última zona de precalentamiento debe ser de aproximadamente 150 °C.
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Temperatura del punto de estaño: Los operadores deben controlar de cerca el rango de temperatura del punto de estaño a 245 ± 10 ℃ durante la soldadura.
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Temperatura entre CHIP y WAVE: Es vital garantizar que la temperatura en la zona entre el CHIP y el WAVE no descienda por debajo de 180℃.
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Tasa de rampa de temperatura de precalentamiento: Los operadores deben mantener la velocidad de rampa de temperatura de la parte inferior de la placa PCB durante el precalentamiento a una velocidad menor o igual a 5 °C por segundo.
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Temperatura de salida de PCB: A la salida del horno, debemos controlar cuidadosamente la temperatura de la placa PCB para asegurarnos de que se mantenga por debajo de los 100 grados.
La gestión eficaz de estos parámetros de temperatura es esencial para lograr uniones de soldadura confiables y garantizar el éxito general del proceso de soldadura por ola.
Altura de la ola de soldadura
Al configurar el proceso de soldadura por ola, un parámetro crítico a considerar es la altura de la ola de soldadura. La duración del contacto entre la ola de soldadura y los componentes soldados suele ser de 2 a 4 segundos.
Dos ajustes clave de la máquina regulan este tiempo de contacto: la velocidad del transportador y la altura de la ola. Modificar cualquiera de estos parámetros afectará directamente el tiempo de contacto. Normalmente, aumentamos o disminuimos la velocidad de la bomba de la máquina según corresponda para ajustar la altura de la ola.
Además, podemos utilizar una placa de vidrio templado para una evaluación más precisa y evaluar cualquier cambio en la altura de las olas. La instalación de un dispositivo permite el registro digital del tiempo de contacto, la altura y la velocidad de las olas para un control integral del proceso.
Proceso de enfriamiento
Es fundamental mantener una velocidad de enfriamiento adecuada para la placa de circuito impreso (PCB) después de soldarla. Un enfriamiento rápido puede provocar deformaciones en la PCB y posibles daños en las uniones soldadas.
Por el contrario, si la PCB se enfría demasiado lentamente, puede volverse quebradiza, con el riesgo de dañar algunos componentes debido a la exposición prolongada a altas temperaturas. Es recomendable emplear métodos como la refrigeración por agua o por aire, que ayudan a regular el proceso de refrigeración y minimizan los posibles daños a la PCB para lograr un equilibrio adecuado.
Recorte y limpieza
A veces, puede que haya demasiada soldadura que necesite repararse para lograr una conexión limpia y robusta. Para ello, puede que sea necesario retirar la soldadura o las bolas de soldadura sobrantes de la PCB para que la conexión sea limpia y fiable.
Inspección final
Una inspección final de la placa de circuito impreso (PCB) garantiza que todas las soldaduras cumplan con los estándares de calidad necesarios y que la PCB esté libre de defectos. Este paso es vital para confirmar la integridad de la placa y la calidad de la soldadura.
Equipo básico utilizado en el proceso de soldadura por ola
El equipo esencial utilizado en el proceso de soldadura por ola incluye:
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Cinta transportadora: La cinta transportadora facilita el movimiento de la placa de circuito impreso, guiándola a través de las diferentes secciones de la máquina de soldar.
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Bandeja de soldadura: Sirve como núcleo del proceso de soldadura, conteniendo la soldadura fundida necesaria para la operación.
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Bomba: La bomba genera ondas de soldadura distintivas que se asemejan a las ondas estacionarias, lo que permite una soldadura eficaz.
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Pulverizador de fundente: el pulverizador de fundente dispensa fundente en la parte inferior de la PCB, preparándola para el precalentamiento y la inmersión en la soldadura líquida.
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Almohadilla de precalentamiento: este elemento precalienta la PCB, garantizando condiciones óptimas de soldadura.
Precauciones de seguridad en el proceso de soldadura por ola
Al realizar la soldadura por ola, es fundamental tomar diversas precauciones para protegerse de posibles riesgos y garantizar la calidad del producto final. Algunas de estas precauciones incluyen:
Inspección de la máquina
Antes de comenzar, es fundamental revisar exhaustivamente la máquina de soldadura por ola, lo que implica examinar el estado de la superficie del horno, asegurarse de que la escoria de estaño esté en buen estado y verificar el suministro de aire a presión.
Mantenimiento de máquina
El mantenimiento regular es esencial para evitar posibles riesgos, como tornillos sueltos, baja velocidad de la cadena y ejes de transmisión oxidados. Estos problemas pueden provocar el desprendimiento de la placa y una mala calidad después de la soldadura.
Prevención del levantamiento de componentes
El calor generado durante la soldadura puede debilitar la adhesión del cobre, haciendo que la placa sea frágil. Es fundamental manipular la placa con cuidado al retirarla de la máquina de soldar para evitar que los componentes se levanten.
Cómo evitar cortocircuitos en la soldadura
Los cortocircuitos de soldadura se producen cuando la soldadura no se separa de dos o más terminales antes de solidificarse. Para evitar este problema, reducir la longitud y el tamaño de la almohadilla puede ayudar a minimizar la cantidad de soldadura que se adhiere a la placa. Estas medidas contribuyen a un proceso de soldadura por ola más seguro y de mayor calidad.
Relleno de agujero adecuado
Es fundamental mantener un flujo de soldadura constante para evitar un llenado insuficiente de los orificios, que puede resultar de un drenaje lento de la soldadura. Un drenaje lento puede provocar un exceso de soldadura en el cable, lo que provoca un drenaje irregular y la formación de rastros de soldadura en la placa. Retirar la placa de la ola de soldadura a tiempo también puede ayudar a evitar este problema.
Gestión de la cantidad de soldadura
El exceso de soldadura puede provocar problemas como el puenteo de soldadura, donde la soldadura conecta accidentalmente dos o más cables. Para evitarlo, se requiere aplicar una capa protectora que impida que la soldadura puentee las conexiones.
Prevención de bolas de soldadura
La formación de bolas de soldadura, que implica la formación de pequeñas bolas de soldadura en la placa, se puede reducir utilizando la cantidad adecuada de fundente y asegurando la limpieza de la placa antes de soldar.
Cómo evitar falsas soldaduras
La soldadura falsa y la aparición de burbujas de aire pueden deberse a un orificio húmedo. Es fundamental confirmar que el orificio esté seco antes de continuar.
Monitoreo de la composición del estaño
La comprobación periódica de la composición del estaño es esencial para evitar problemas como resultados de mala calidad después del horno y posibles deformaciones horizontales de las pistas.
Cabe destacar que estas precauciones son solo una guía general, y las precauciones específicas pueden variar según el tipo de máquina de soldadura por ola y los materiales utilizados. Siga siempre las instrucciones y las normas de seguridad del fabricante antes de utilizar una máquina de soldadura por ola.
Defectos comunes encontrados en el proceso de soldadura por ola
Durante el proceso de soldadura por ola, diversos defectos pueden afectar la calidad del producto final. A continuación, se presentan algunos defectos comunes, sus posibles causas, efectos y soluciones:
Defectos de orificio de alfiler o de soplado
Estos defectos se deben al grosor del recubrimiento de cobre. La humedad del interior de la placa se filtra a través del recubrimiento delgado o de los huecos.
Las posibles causas de estos defectos son un cobreado, fundente y soldadura de mala calidad. Estos defectos tienen como consecuencia una baja conductividad eléctrica y una baja resistencia mecánica. La solución a este problema es utilizar cobreado, fundente y soldadura de alta calidad.
Relleno de agujero insuficiente
Este problema se presenta en placas de circuito impreso con orificios pretaladrados para el montaje de componentes. Las posibles causas de este defecto son la baja temperatura, la soldadura contaminada, superficies demasiado oxidadas para el fundente utilizado, fundente contaminado y una aplicación deficiente del fundente.
Las consecuencias de este defecto son una conductividad eléctrica deficiente y una resistencia mecánica deficiente. La solución consiste en investigar cada posible causa y corregir las discrepancias sospechadas una por una hasta restablecer la soldabilidad.
Componentes elevados
Este defecto se produce cuando el usuario no suelda correctamente los componentes a la placa. Entre las posibles causas se incluyen un fundente de baja calidad, una soldadura de baja calidad y un precalentamiento inadecuado.
Las consecuencias de este defecto se manifiestan en una conductividad eléctrica reducida y una resistencia mecánica reducida. La solución consiste en utilizar fundentes, soldaduras y técnicas de precalentamiento de alta calidad.
soldadura excesiva
Este defecto se produce cuando se aplica demasiada soldadura a la placa. Entre los posibles factores que contribuyen a este problema se encuentran un fundente de baja calidad, una soldadura de baja calidad y un precalentamiento insuficiente.
Las repercusiones de este defecto resultan en una disminución de la conductividad eléctrica y una menor resistencia mecánica. Es fundamental emplear fundentes, soldaduras y métodos de precalentamiento de alta calidad para solucionar este problema.
Bolas de soldadura
Este defecto se produce cuando se forman pequeñas bolas de soldadura en la placa. Entre los factores que contribuyen a este problema se incluyen un fundente deficiente, una soldadura de baja calidad y un precalentamiento inadecuado.
Las consecuencias de este defecto incluyen una conductividad eléctrica reducida y una resistencia mecánica reducida. Es recomendable implementar fundentes, soldaduras y procedimientos de precalentamiento de alta calidad para solucionar este problema.
Soldadura por ola vs. soldadura por reflujo
La soldadura por reflujo y por ola son métodos diferentes para producir placas de circuito impreso (PCB). La soldadura por reflujo se utiliza principalmente para ensamblar componentes con tecnología de montaje superficial (SMT), especialmente adecuados para componentes pequeños.
Por el contrario, la soldadura por ola es el método preferido para la tecnología de orificio pasante (THT) o el ensamblaje de paquete en línea dual (DIP), que generalmente admite componentes más grandes.
La soldadura por reflujo goza de mayor popularidad en la industria de PCB, ofreciendo ventajas rentables. Por el contrario, la soldadura por ola destaca por su velocidad y eficiencia, lo que la convierte en la opción ideal para la fabricación a gran escala.
Tanto la soldadura por ola como la soldadura por reflujo tienen ventajas y limitaciones únicas, y la elección de cuál emplear depende de los requisitos específicos de la PCB.
Veamos las ventajas y desventajas de cada técnica:
Ventajas de la soldadura por reflujo:
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Ideal para componentes pequeños
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Crea uniones de soldadura de alta calidad.
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Funciona bien para producción a pequeña escala.
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Económico
Desventajas de la soldadura por reflujo:
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No apto para componentes significativos
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Exige un control preciso de la temperatura
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Menos eficaz para producciones de gran volumen
Ventajas de la soldadura por ola:
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Adecuado para componentes grandes
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Rápido y eficiente
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Excelente para fabricación de gran volumen
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Requiere un control de temperatura menos exigente
Desventajas de la soldadura por ola:
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No apto para componentes pequeños
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Requiere una operación calificada
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Puede provocar problemas como componentes levantados y exceso de soldadura, especialmente si no se maneja con experiencia.
Conclusión
En conclusión, dominar la soldadura por ola no es sólo una necesidad de la industria; es una forma de arte que combina precisión, tecnología y responsabilidad ambiental.
Al comprender su complejidad, los fabricantes pueden garantizar la producción de PCB que cumplan con estándares de calidad precisos y minimicen su huella ecológica.
La soldadura por ola sigue siendo un elemento fundamental en la producción de PCB y prepara el camino para la próxima generación de innovaciones electrónicas.
