soldadura por reflujo

La soldadura por reflujo es un proceso en el que se utiliza una pasta de soldadura (una mezcla pegajosa de soldadura en polvo y fundente ) para unir temporalmente desde uno hasta miles de pequeños componentes eléctricos a sus almohadillas de contacto . Posteriormente, todo el conjunto se somete a calor controlado. La pasta de soldadura se funde, creando uniones de soldadura permanentes. El calentamiento puede realizarse pasando el conjunto por un horno de reflujo , bajo una lámpara infrarroja o (principalmente para la creación de prototipos) soldando las uniones individualmente con un lápiz de aire caliente.

La soldadura por reflujo con hornos de convección industriales largos es el método preferido para soldar componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) a una placa de circuito impreso (PCB). Cada segmento del horno tiene una temperatura regulada, según los requisitos térmicos específicos de cada ensamblaje. Los hornos de reflujo diseñados específicamente para la soldadura de componentes de montaje superficial también pueden utilizarse para componentes de orificio pasante , rellenando los orificios con pasta de soldadura e insertando los terminales del componente a través de la pasta. Sin embargo, la soldadura por ola ha sido el método común para soldar componentes de orificio pasante con múltiples terminales a una placa de circuito impreso diseñada para componentes de montaje superficial.

Cuando se utiliza en placas que contienen una mezcla de componentes SMT y de orificio pasante metalizado (PTH), el reflujo de orificio pasante, cuando se logra mediante plantillas de pasta específicamente modificadas, puede permitir eliminar el paso de soldadura por ola del proceso de ensamblaje, reduciendo potencialmente los costos de ensamblaje. Si bien esto puede decirse de las pastas de soldadura de plomo-estaño utilizadas anteriormente, las aleaciones de soldadura sin plomo como SAC presentan un desafío en términos de los límites del ajuste del perfil de temperatura del horno y los requisitos de los componentes de orificio pasante especializados que deben soldarse a mano con hilo de soldadura o que no pueden soportar razonablemente las altas temperaturas dirigidas a las placas de circuito impreso mientras se desplazan por la cinta transportadora del horno de reflujo. La soldadura por reflujo de componentes de orificio pasante utilizando pasta de soldadura en un proceso de horno de convección se denomina soldadura intrusiva.

El objetivo del proceso de reflujo es que la pasta de soldadura alcance la temperatura eutéctica, en la cual la aleación de soldadura experimenta un cambio de fase a un estado líquido o fundido. En este rango de temperatura específico, la aleación fundida presenta propiedades de adhesión. La aleación de soldadura fundida se comporta de manera similar al agua, con propiedades de cohesión y adhesión. Con suficiente fundente, en estado líquido, las aleaciones de soldadura fundidas exhiben una característica denominada "humectación".

La humectación es una propiedad de la aleación cuando se encuentra dentro de su rango específico de temperatura eutéctica. La humectación es una condición necesaria para la formación de uniones de soldadura que cumplan con los criterios de "aceptables" o "condiciones objetivo", mientras que las "no conformes" se consideran defectuosas según la IPC .

El perfil de temperatura del horno de reflujo se adapta a las características de un ensamblaje de placa de circuito impreso específico, como el tamaño y la profundidad de la capa de plano de tierra , el número de capas y el número y tamaño de los componentes. El perfil de temperatura para una placa de circuito impreso específica permitirá la fusión de la soldadura en las superficies adyacentes sin sobrecalentar ni dañar los componentes eléctricos más allá de su tolerancia térmica. En el proceso convencional de soldadura por reflujo, generalmente hay cuatro etapas, llamadas "zonas", cada una con un perfil térmico distinto: precalentamiento , remojo térmico (a menudo abreviado como remojo ), reflujo y enfriamiento .

El precalentamiento es la primera etapa del proceso de reflujo. Durante esta fase, el conjunto de la placa se calienta hasta alcanzar una temperatura objetivo de mantenimiento. El objetivo principal del precalentamiento es que todo el conjunto alcance de forma segura y constante la temperatura de mantenimiento o pre-reflujo. El precalentamiento también permite la liberación de los disolventes volátiles de la pasta de soldadura. Para que los disolventes de la pasta se expulsen correctamente y el conjunto alcance de forma segura las temperaturas de pre-reflujo, la PCB debe calentarse de forma constante y lineal. Un parámetro importante para la primera fase del proceso de reflujo es la tasa de variación de la temperatura en función del tiempo. Esta se suele medir en grados Celsius por segundo (°C/s). Muchos factores influyen en la tasa de variación objetivo del fabricante, como el tiempo de procesamiento, la volatilidad de la pasta de soldadura y las características de los componentes. Es importante tener en cuenta todas estas variables del proceso, pero en la mayoría de los casos, las características de los componentes sensibles son primordiales. «Muchos componentes se agrietan si su temperatura cambia demasiado rápido. La tasa máxima de cambio térmico que pueden soportar los componentes más sensibles se convierte en la pendiente máxima permitida» . Sin embargo, si no se utilizan componentes sensibles al calor y la máxima productividad es una prioridad, se pueden ajustar tasas de pendiente agresivas para mejorar el tiempo de procesamiento. Por esta razón, muchos fabricantes aumentan estas tasas de pendiente hasta la tasa máxima común permitida de 3,0  °C/s. Por el contrario, si se utiliza una pasta de soldadura que contiene disolventes particularmente fuertes, calentar el conjunto demasiado rápido puede fácilmente provocar un proceso incontrolable. A medida que los disolventes volátiles se desgasifican, pueden salpicar soldadura de las almohadillas y sobre la placa. La formación de bolas de soldadura es la principal preocupación de la desgasificación violenta durante la fase de precalentamiento. Una vez que la placa ha alcanzado la temperatura en la fase de precalentamiento, es hora de entrar en la fase de mantenimiento o pre-reflujo.

La segunda sección, el remojo térmico, consiste típicamente en una exposición de 60 a 120 segundos para eliminar los volátiles de la pasta de soldadura y activar los fundentes , donde los componentes del fundente comienzan la reducción de óxido en los terminales y almohadillas de los componentes. Una temperatura demasiado alta puede provocar salpicaduras o formación de bolas de soldadura, así como la oxidación de la pasta, las almohadillas de conexión y las terminaciones de los componentes. Del mismo modo, los fundentes pueden no activarse completamente si la temperatura es demasiado baja. Al final de la zona de remojo, se busca un equilibrio térmico de todo el conjunto justo antes de la zona de reflujo. Se sugiere un perfil de remojo para disminuir cualquier delta T entre componentes de diferentes tamaños o si el conjunto de PCB es muy grande. También se recomienda un perfil de remojo para disminuir la formación de huecos en encapsulados de tipo matriz de área. ^{[ 1 ]}

La tercera sección, la zona de reflujo, también se conoce como "tiempo por encima del reflujo" o "temperatura por encima del liquidus" (TAL), y es la parte del proceso donde se alcanza la temperatura máxima. Una consideración importante es la temperatura pico, que es la temperatura máxima permitida de todo el proceso. Una temperatura pico común es de 20 a 40  °C por encima del liquidus. ^{[ 1 ]} Este límite está determinado por el componente del ensamblaje con la menor tolerancia a las altas temperaturas (el componente más susceptible al daño térmico). Una pauta estándar es restar 5  °C de la temperatura máxima que puede soportar el componente más vulnerable para llegar a la temperatura máxima del proceso. Es importante monitorear la temperatura del proceso para evitar que supere este límite. Además, las altas temperaturas (superiores a 260  °C) pueden causar daños a los chips internos de los componentes SMT , así como favorecer el crecimiento intermetálico . Por el contrario, una temperatura que no sea lo suficientemente alta puede impedir que la pasta fluya adecuadamente.

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El tiempo por encima del punto de fusión (TAL), o tiempo por encima del punto de reflujo, mide cuánto tiempo permanece la soldadura en estado líquido. El fundente reduce la tensión superficial en la unión de los metales para lograr la unión metalúrgica, permitiendo que las esferas individuales de polvo de soldadura se combinen. Si el tiempo de perfilado excede la especificación del fabricante, el resultado puede ser una activación o consumo prematuro del fundente, lo que efectivamente "seca" la pasta antes de la formación de la junta de soldadura. Una relación tiempo/temperatura insuficiente provoca una disminución en la acción de limpieza del fundente, lo que resulta en una humectación deficiente , una eliminación inadecuada del solvente y el fundente, y posiblemente juntas de soldadura defectuosas. Los expertos generalmente recomiendan el TAL más corto posible; sin embargo, la mayoría de las pastas especifican un TAL mínimo de 30 segundos, aunque no parece haber una razón clara para ese tiempo específico. Una posibilidad es que haya áreas en la PCB que no se miden durante el perfilado y, por lo tanto, establecer el tiempo mínimo permitido en 30 segundos reduce las posibilidades de que un área no medida no se vuelva a fundir. Un tiempo mínimo de reflujo elevado también proporciona un margen de seguridad frente a las variaciones de temperatura del horno. Idealmente, el tiempo de humectación debe mantenerse por debajo de 60  segundos por encima del punto de fusión. Un tiempo adicional por encima del punto de fusión puede provocar un crecimiento intermetálico excesivo, lo que puede generar fragilidad en la unión. La placa y los componentes también pueden dañarse a temperaturas prolongadas por encima del punto de fusión, y la mayoría de los componentes tienen un límite de tiempo bien definido para su exposición a temperaturas superiores a un máximo determinado. Un tiempo insuficiente por encima del punto de fusión puede atrapar disolventes y fundente, lo que podría generar uniones frías o opacas, así como huecos de soldadura.

La última zona es una zona de enfriamiento para enfriar gradualmente la placa procesada y solidificar las uniones de soldadura. Un enfriamiento adecuado inhibe la formación excesiva de intermetálicos o el choque térmico en los componentes. Las temperaturas típicas en la zona de enfriamiento oscilan entre 30 y 110 °C (86 y 230 °F) . Se elige una velocidad de enfriamiento rápida para crear una estructura de grano fino que sea mecánicamente más sólida. ^{[ 1 ]} A diferencia de la velocidad máxima de rampa ascendente, la velocidad de rampa descendente a menudo se ignora. La velocidad de rampa es menos crítica por encima de ciertas temperaturas; sin embargo, la pendiente máxima permitida para cualquier componente debe aplicarse tanto si el componente se está calentando como si se está enfriando. Comúnmente se sugiere una velocidad de enfriamiento de 4 °C/s. Es un parámetro a considerar al analizar los resultados del proceso.   

El término "reflujo" se utiliza para referirse a la temperatura por encima de la cual una masa sólida de aleación de soldadura se funde con certeza (en lugar de simplemente ablandarse). Si se enfría por debajo de esta temperatura, la soldadura no fluirá. Al calentarse nuevamente por encima de ella, la soldadura volverá a fluir; de ahí el término "reflujo".

Las técnicas modernas de ensamblaje de circuitos que utilizan soldadura por reflujo no necesariamente permiten que la soldadura fluya más de una vez. Garantizan que la soldadura granulada contenida en la pasta de soldadura supere la temperatura de reflujo de la soldadura utilizada.

El perfilado térmico consiste en medir varios puntos de una placa de circuito impreso para determinar la variación de temperatura que experimenta durante el proceso de soldadura. En la industria de fabricación de productos electrónicos, el SPC ( control estadístico de procesos ) ayuda a determinar si el proceso está bajo control, comparándolo con los parámetros de reflujo definidos por las tecnologías de soldadura y los requisitos de los componentes. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Las herramientas de software modernas permiten capturar un perfil y optimizarlo automáticamente mediante una simulación matemática, lo que reduce considerablemente el tiempo necesario para establecer la configuración óptima del proceso.

• Horno de reflujo
• Directiva sobre restricción de sustancias peligrosas (RoHS)
• Retrabajo (electrónica)
• Perfilado térmico
• soldadura por ola