Defectos del proceso SMT a evitar durante la soldadura

Zachariah Peterson
|  Created: October 14, 2019  |  Updated: September 25, 2020

Automated PCB soldering with a robot

A medida que más diseños utilizan componentes más pequeños con pads de montaje superficial, defectos en el proceso relacionados con la tecnología SMT pueden apilarse e influir en el rendimiento debido a diversos problemas de diseño y fabricación. Estos problemas pueden haber sido menores y haber tenido una repercusión insignificante en el rendimiento en el pasado, pero pueden hacer que los costes de rectificado aumenten rápidamente, por lo que deben evitarse. Estos son algunos defectos básicos del proceso SMT que se pueden evitar durante el diseño y el montaje.

Puenteado entre pads

La formación de puentes es un problema común en soldaduras de baja viscosidad y provoca un cortocircuito entre pads adyacentes. Esto también puede ocurrir cuando la temperatura está fuera del rango ideal para soldadura, lo que se traduce en una mala humectación o en una dispersión excesiva. La clave para resolver este problema está en colocar un alivio o máscara anti-soldadura alrededor de los pads (es decir, pads sin máscara de soldadura definidas (NSMD)). Este alivio proporciona un espacio para que el exceso de soldadura pueda absorberse, bloqueando eficazmente el flujo de soldadura entre dos pads adyacentes. Es similar a una barrera de máscara anti-soldadura entre un componente de matriz de rejilla de bolas (BGA) y su vía en un fanout de hueso de perro.

 

Prevención de defectos en el proceso SMT, como el puenteado, con un alivio de máscara anti-soldadura

Deshumectación

La deshumectación es un problema relacionado con la selección de la pasta de soldadura. Este problema rara vez ocurre con pastas de soldadura sin plomo solubles en agua, aunque puede ocurrir con pastas a base de haluro cuando se suelda en acabados HASL (nivelación de soldadura con aire caliente). También puede ocurrir si la superficie del conductor está muy oxidada o si la pasta de soldadura ha caducado (es decir, el fundente es inactivo). El uso de una pasta de soldadura altamente activada permitirá formar una unión sólida con el pad durante el montaje. Asegúrate de limpiar y eliminar en la mayor medida posible el óxido de los metales que se van a unir. De esta forma, se evitará que la tensión superficial arrastre la soldadura a lo largo del pad y hacia una bola durante la solidificación.

 

Otra parte del proceso que ayuda a prevenir la deshumectación es hacer fluir nitrógeno por el horno de reflujo durante la soldadura. Así, se evita la formación de óxido en el horno de alta temperatura. También se debe verificar que el grosor del chapado sea suficiente (al menos, 5 micras). Ambas medidas ayudan a prevenir la formación de óxido y la difusión al chapado durante la soldadura.

Mala humectación con soldadura sin plomo

Las soldaduras de estaño, plata y cobre sin plomo son importantes para cumplir con RoHS, pero pueden presentar una baja humectabilidad al soldar en cobre puro. Esta es una de las numerosas razones por las que se utilizan los acabados superficiales en conductores expuestos. Se sabe que los acabados superficiales de estaño, plata y ENIG proporcionan una mejor humectabilidad.

 

Además, la temperatura máxima durante la soldadura debe estar dentro del rango correcto. Las soldaduras de estaño, plata y cobre sin plomo funcionan de forma óptima a una temperatura aproximada de 240 °C. Fuera de este rango, pueden aparecer problemas de humectabilidad; En la imagen a continuación, se muestra un ejemplo con bolas en BGA. Estas soldaduras sin plomo en un BGA pueden requerir una mayor distancia de separación debido a su mayor tensión superficial, y el perfil de separación/temperatura debe verificarse con un cupón de prueba antes de la fabricación a gran escala.

 

Defectos del proceso SMT durante la soldadura

Desplazamiento de componentes y el efecto Tombstone

El efecto Tombstone, también conocido como tombstoning o puente levadizo, es otro problema relacionado con la humectación. En un proceso de soldadura ideal, la soldadura fundida humectará todos los pads de un componente SMT simultáneamente. En el caso de que los pads de un lado se humecten (es decir, alcancen una temperatura suficientemente alta) antes que los pads del otro lado del componente, la soldadura tirará del componente a medida que se solidifica. Este desequilibrio en las fuerzas a cada lado del componente puede hacer que un lado del componente se levante ligeramente del pad o se desplace de la posición ideal en el pad. En algunos casos, el componente permanecerá unido al pad por medio de la soldadura, pero la resistencia de contacto puede ser alta y la unión será débil.

 

En caso de desajuste de temperatura extremo, como cuando un pad no se humecta en absoluto, puede hacer que el componente se apoye en un extremo, lo que se conoce como tombstoning. Este es un problema común en resistencias y condensadores SMT. El tombstoning durante la soldadura por reflujo se debe a una serie de causas posibles. La causa más común es una temperatura no uniforme en el horno de reflujo, lo que puede provocar que la soldadura en diferentes áreas de la PCB se humecte antes que en otras. La aplicación no uniforme de pasta de soldadura durante el montaje también puede provocar variaciones en la humectación a lo largo de la placa.

 

En el lado del diseño, los grupos de componentes con pads alineados de manera desigual son susceptibles de problemas de humectación y tombstoning durante la soldadura por reflujo. El tamaño de los pads también afectará a su diferencia de temperatura durante la soldadura por reflujo; Los pads más grandes requieren más calor para alcanzar una temperatura definida; por tanto, es importante utilizar pads del mismo tamaño en cada lado de un componente. Al definir el tamaño de pad, es fácil hacer un pad demasiado grande, y el cobre adicional disipará el calor durante la soldadura.

 

Defectos del proceso SMT durante la soldadura por reflujo

Verifica siempre los tamaños y separaciones entre pads al crear la composición para garantizar la soldabilidad durante el montaje. Se sabe que el uso de alivios térmicos en el lado más frío de un componente ayuda a prevenir la aparición del tombstoning durante la soldadura por reflujo. Ten en cuenta que los pads y vías con alivios térmicos tienen una estructura de impedancia complicada que se asemeja a un condensador real, lo que puede ocasionar problemas de integridad de la señal en diseños de alta velocidad/alta frecuencia. Profundizaré en este aspecto en un próximo artículo.

 

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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