Guía completa para aplicar tú mismo montajes SMT sin salir de tu taller

En este artículo, quiero compartir contigo un pequeño secreto: montar placas de prototipos SMT (tecnología de montaje superficial, del inglés "Surface Mount Technology") no solo es fácil, sino que requiere de muy poco equipo. Utilizando únicamente una plantilla, puedo crear fácilmente prototipos de SMT a mano de circuitos integrados de 0,3 mm de paso y componentes pasivos de tamaño 0201 (imperial). Los diminutos componentes a escala de oblea pueden ser sin duda un reto, pero la mayoría de los prototipos que se producen habitualmente pueden montarse a mano en un par de horas con resultados de calidad industrial, incluidas las placas de doble cara. Si todavía montas a mano las placas SMT con una estación de soldadura, deja de hacerlo inmediatamente y empieza a utilizar una plantilla.

La mayoría de los fabricantes de placas de circuito impreso de bajo coste también ofrecen un servicio de plantillas sin marco por entre 5 y 25 dólares, dependiendo del tamaño de la placa. Las plantillas y placas SMT que utilizo en este artículo las he comprado en JLCPCB; sin embargo, otros proveedores tienen plantillas comparables. Si te has apresurado a encargar tus placas a un proveedor local de placas, en la mayoría de los continentes encontrarás empresas que venden plantillas de Kapton, acetato o acero inoxidable de bajo coste y sin marco. Como alternativa, si tienes una cortadora láser de CO2, puedes hacer fácilmente una plantilla SMT a partir de una hoja de transparencia de acetato para fotocopiadoras. Sin embargo, todo eso se aleja un poco del objetivo de este artículo.

El uso de plantillas hace que el montaje de placas SMT sea muy cómodo, mucho más rápido y bastante más sencillo que tener que soldar cada uno de los componentes por separado. Una plantilla te permite hacer tu montaje SMT utilizando componentes que son imposibles de soldar a mano, como componentes BGA o encapsulados sin clavijas con la almohadilla expuesta bajo su centro, imposible de alcanzar con un soldador. Mediante herramientas sencillas y con mucho menos esfuerzo que soldar uno a uno cada componente, puedes fabricar una placa SMT que parezca salida de una línea de recogida y colocación ("pick-and-place") en menos tiempo del que tardas en recibir un presupuesto para ese mismo trabajo.

Herramientas y materiales para montar placas SMT

Independientemente de lo bien (o mal) equipado que esté tu laboratorio de electrónica, montar tus propias placas SMT requiere muy poco equipo y puedes obtener resultados de gran calidad. Probablemente ya tengas todo el material que necesitas y, si no, es fácil de conseguir a buen precio. Este proceso de montaje de placas SMT es adecuado tanto para estudiantes que están empezando como para los ingenieros profesionales que se dedican a crear prototipos a gran velocidad para empresas multinacionales.

Además de herramientas y materiales, debes disponer de un espacio de trabajo muy bien iluminado. Trabajar con componentes SMT pequeños puede provocar fatiga ocular rápidamente si la iluminación no es la adecuada. Yo tengo dos paneles de luces LED diseñados para trabajos de videografía montados sobre mi banco de trabajo; además, una lámpara de aumento de buena calidad también puede ser extremadamente útil. Si no trabajas con componentes tan pequeños como para necesitar aumentos, puedes quitarle la lente a la lámpara para ver mejor, ya que evitarás que esta se empañe con tu aliento.

Para empezar, necesitarás pasta de soldar; la Loctite GC 10 en malla T4 de Henkel es excelente para los trabajos manuales de SMT. Se puede guardar a temperatura ambiente y te da un margen de varias horas para terminar el montaje manual de tu SMT, a la vez que te permite un reflujo excelente de la placa. Se trata de una soldadura SAC305 sin plomo, que ofrece unos resultados magníficos.

Tanto para manipular la pasta de soldar como para la limpieza posterior, necesitarás unos guantes de nitrilo. Esta fase puede resultar un poco engorrosa, así que es mucho más fácil desechar un par de guantes que intentar limpiarte una pasta de soldar tan pegajosa.

Para limpiar la pasta de soldar, necesitarás un poco de isopropanol, también conocido como alcohol isopropílico. Con él, podrás limpiar la plantilla SMT sin esfuerzo. También querrás tener a mano papel de cocina para limpiar todo el material cuando hayas acabado.

Asimismo, te hará falta algún tipo de aplicador. Yo suelo usar un trozo de plástico del tamaño de una tarjeta de crédito, como podría ser la tarjeta de membresía de alguna tienda que ya no utilices. Evita utilizar utensilios metálicos, como rasquetas o espátulas, ya que podrían causar daños. Lo ideal es que el material que utilices sea más blando que la plantilla. De ese modo, será la plantilla (mucho más valiosa) la que dañe el trozo de plástico, fácilmente sustituible, y no al revés.

Para montar la placa con precisión, necesitarás algo que la mantenga en su sitio y que tenga el mismo grosor que la placa. En este artículo, yo utilizo unos marcos impresos en 3D; sin embargo, puedes utilizar acrílico de 1,6 mm cortado con láser o alguna PCB vacía que ya no te sirva. La ventaja de mi marco impreso en 3D es que he añadido un reborde alrededor de la parte exterior, lo que permite que la cinta adhesiva que utilizo para montarlo quede más baja que la parte superior del propio marco. El marco no solo mantiene la placa en su sitio con precisión, sino que también proporciona un soporte a la plantilla para que no se doble ni se separe de la placa mientras trabajas.

En este artículo, voy a utilizar una placa acrílica cortada con láser para el montaje de la placa de circuitos, pero esto es principalmente para mi comodidad. ¡En general, suelo pegarlo todo con cinta adhesiva a la mesa de trabajo! Cualquier cinta de enmascarar sirve; sin embargo, yo utilizo una cinta de 3M muy fina de 3,8 cm de ancho; más que las típicas cintas de enmascarar, lo que facilita mucho las cosas.

Una vez aplicada la pasta a la placa, necesitarás unas pinzas de buena calidad para colocar los componentes. Yo utilizo las pinzas Swanstrom 7-SAH, ya que tienen una gran empuñadura acolchada, lo que las hace cómodas de usar durante largos periodos. Están hechas de acero inoxidable de alta calidad, por lo que no se doblan fácilmente al usarlas para despegar la cinta de recubrimiento de los componentes SMT.

Una vez colocados los componentes SMT sobre la placa, tendrás que calentarla para fundir la soldadura. Para este paso, no hace falta que utilices nada sofisticado: un horno para pizzas (o un tostador) reconvertido o una sartén eléctrica te servirán perfectamente. Personalmente, suelo utilizar una estación de soldadura de aire caliente 858D económica, lo que significa que tengo que ir moviéndome por la placa para fundir toda la soldadura. El resultado es que se tarda un poco más en terminar el reflujo de la placa, pero, al fin y al cabo, se trata de una herramienta barata que ya poseo. También tengo un tapete de cocina de silicona para proteger del calor a mi estera ESD y a mi banco de trabajo. Si tu placa tiene algún vertido de tierra muy grande, cobre grueso o varias capas de tierra, una sartén eléctrica barata te irá muy bien como base de precalentamiento. A continuación, podrás emplear una herramienta de retoques de aire caliente para que la soldadura alcance su temperatura máxima de reflujo.

Enmarcado de la PCB

Empiezo enmarcando la PCB sobre la superficie de trabajo. Es importante que el marco quede bien ajustado por los cuatro lados a fin de delimitar completamente la placa sobre la que vas a aplicar la pasta. Debe quedar apoyada por los cuatro lados por un soporte del mismo grosor que la propia placa, de manera que la plantilla quede bien sujeta una vez colocada encima.

Yo utilizo cinta adhesiva para sujetar el marco, ya que es delgada y fácil de quitar cuando he terminado.

Una vez que el marco esté en su lugar, pega con cinta adhesiva la plantilla SMT en su sitio. Yo me hago una bisagra en la parte posterior de la plantilla utilizando cinta adhesiva para mantener la plantilla alineada con precisión con las almohadillas. La alineación es fundamental si tienes componentes SMT extremadamente pequeños o de paso muy fino. Si la plantilla está ligeramente desalineada, es muy fácil pasar por alto una almohadilla 0201. Afortunadamente, alinear la plantilla es sencillo, basta con ir ajustándola poco a poco hasta que todas las aberturas de la plantilla muestren metal brillante y no se vea la máscara para soldar.

La parte posterior de la plantilla SMT también necesitará algún material de apoyo para que la zona donde se articula quede exactamente a la misma altura que la PCB sobre la que aplicas la pasta. Una vez que la plantilla SMT esté perfectamente alineada, aplica una tira de cinta adhesiva en la parte posterior para mantenerla en su sitio. Así podrás levantar la plantilla de la placa sin manchar la pasta recién impresa.

Aplicación de la pasta

Si alguna vez has hecho serigrafía, probablemente ya seas un experto a la hora de aplicar pasta de soldar, ya que es exactamente el mismo proceso. Si no, no te preocupes, ¡verás que es muy sencillo!

En primer lugar, coge un buen trozo de pasta de soldar con tu espátula improvisada (yo utilizo un trozo de plástico del tamaño de una tarjeta de crédito) y emplea el lado estrecho para que la presión ejercida sea uniforme en toda su anchura. La pasta que recojas con la espátula debe cubrir toda la anchura de forma relativamente uniforme.

Con una mano, sujeta firmemente la plantilla SMT sobre el marco para que quede perfectamente plana y correctamente colocada sobre la placa. No levantes ni muevas la mano hasta que hayas terminado por completo. 

Empieza a usar la espátula sobre la abertura de la plantilla situada en el lado opuesto a ti. El primer trozo de pasta debe aplicarse en una parte no cortada de la plantilla, sobre el marco, no encima de una de las aberturas. Con una presión firme, arrastra la espátula hacia tí de manera que la soldadura de la espátula quede incrustada en la plantilla. No hay problema si queda un buen pegote de pasta de soldar al acabar. Si las aberturas de la plantilla no están completamente llenas, no servirá de nada. De ser así, hazlo de nuevo, procurando que la plantilla no se mueva ni se levante en absoluto.

Cuando hayas rellenado correctamente todos los huecos de la plantilla, realiza una última y ligera pasada de limpieza sobre ella manteniendo la espátula en posición vertical. Con esto, lo único que se pretende es limpiar el exceso de pasta de soldar. Ahora, todas las aberturas deberían estar completamente llenas de pasta de soldar. Si presionas con demasiada fuerza durante este paso, puedes sacar parte de la pasta de soldar de la abertura, vaciando así algunas almohadillas. En general, es mejor tener demasiada pasta de soldar que muy poca.

Una vez que la plantilla esté lo suficientemente limpia (no debería hacer falta más de una pasada para lograrlo), deja la espátula sucia sobre un trozo de papel de cocina. En este punto, todavía deberías tener una mano ejerciendo presión sobre la plantilla y, finalmente, habrá llegado el momento de quitarla. Levanta la parte delantera de la plantilla verticalmente mientras mantienes la presión sobre el resto de la misma. Suelta la plantilla lentamente mientras sigues levantándola lo más recta posible. Debes evitar que la plantilla se desplace lateralmente, ya que esto movería la pasta de soldar.

Una vez retirada completamente la plantilla de la placa, podrás inspeccionar la pasta. La parte superior de cada almohadilla de pasta debe quedar bien definida y plana. Si la pasta se ha movido (recuerda comprobar bien los componentes de paso más fino), tendrás que empezar de nuevo. Para ello, tendrás que limpiar completamente la pasta de soldar de la placa con un trozo de papel de cocina mojado con isopropanol y volver a empezar. Del mismo modo, si las almohadillas están bien definidas, pero hay manchas de soldadura entre ellas, significa que la plantilla se levantó al aplicar la pasta. También en este caso, tendrás que limpiar a fondo la placa y volver a intentarlo. 

Una vez que domines la técnica para aplicar la pasta y levantar la plantilla, verás que tu porcentaje de éxito con la SMT será extremadamente alto y serán pocas las veces que tendrás que repetir el proceso.

Antes de pasar a rellenar la placa con componentes SMT, coloca un trozo de papel de cocina en el lugar donde estaba la placa y limpia la plantilla con papel de cocina e isopropanol. Es mucho más práctico limpiar enseguida la plantilla, que olvidarse de ello y descubrir más tarde que está cubierta de pasta de soldar dura como una piedra y que es casi imposible de limpiar.

Rellenar la PCB

Si alguna vez has tenido que soldar a mano muchos componentes a una placa de circuito impreso (PCB), este paso te va a encantar. En comparación, este proceso es facilísimo.

Solo nos queda repasar la lista de materiales y colocar los elementos sobre la placa. El uso de pinzas curvadas te facilitará mucho las cosas, ya que no necesitarás planificar tanto el orden de colocación porque las pinzas te permitirán pasar por encima de otros componentes SMT con bastante facilidad.

Antes de empezar a rellenar la placa con componentes SMT, te sugiero que eches un vistazo a una vista en 3D de tu placa utilizando Altium a fin de determinar qué componentes SMT es probable que estorben más y los dejes para el final. Si en tu placa hay zonas de alta densidad de componentes, coloca primero los componentes más críticos y de más difícil acceso. Los componentes SMT, como resistencias y condensadores, pueden colocarse en último lugar en esas áreas, ya que su alineación es menos importante. Si te resulta difícil acceder a sus almohadillas, puedes simplemente dejarlas caer en su lugar lo mejor que puedas y luego darles pequeños golpecitos hasta que se ubiquen correctamente.

Coloca en último lugar los componentes más grandes, como inductores, condensadores de aluminio o conectores de montaje superficial, ya que estos son los que tienen más probabilidades de estorbar mientras sitúas otros componentes SMT.

La colocación de los componentes SMT es importante, pero no excesivamente determinante. Por lo general, mientras los pines del componente toquen la pasta de soldar, significará que está bien alineado. Esto hace que los componentes sin clavijas sean más fáciles de situar de lo que cabría esperar. Siempre que el componente quede colocado lo suficientemente bien sobre el footprint, se ajustará por sí mismo al fundirse la soldadura. Una vez colocados todos los componentes, presiónalos suavemente sobre la pasta para asegurarte de que tienen un buen contacto con el fundente. De este modo, también es más difícil desplazar accidentalmente los componentes de sus almohadillas mientras trabajas con ellos. Cuando vayas a calentar la placa con aire caliente, el hecho de que los componentes SMT estén en contacto con el fundente pegajoso también reducirá la probabilidad de que salgan volando accidentalmente de la placa si te acercas demasiado con el soplador de aire caliente.

Si te tiemblan las manos, puede resultar un verdadero desafío colocar los componentes SMT más pequeños. Cuando tengo problemas para alinear perfectamente alguna pieza, utilizo la mano izquierda para sujetar las pinzas mientras las sostengo con la derecha. Este sistema a dos manos ayuda a reducir los temblores y me permite un control mucho más preciso. Realmente es una gran ayuda a la hora de colocar los componentes más pequeños y de paso fino.

Hora de cenar - cocinar la placa

Con todos los componentes colocados correctamente sobre la placa, es el momento de pasar a la parte más divertida: cocinar la placa.

Como ya he mencionado antes, para este artículo, utilizo una pistola de aire caliente para retoques muy económica a fin de ilustrar lo barato y fácil que puede resultar este método. Con la placa colocada sobre el tapete de cocina de silicona, empiezo a calentar la placa con la estación de retoques a 350 ^oC y la máxima potencia de aire.

Empieza calentando con la pistola a una distancia razonable de la placa, desplazándote por todas sus áreas. De entrada, lo que intentas es calentar toda la placa, haciendo que el calor llegue a las zonas de cobre y a los vertidos más grandes. Si la placa tiene inductores o transformadores grandes, caliéntalos también, ya que van a necesitar mucho calor. Cuando calientes la placa, verás que la pasta de soldar adquiere un aspecto brillante a medida que el fundente se va haciendo más líquido. Recuerda que el objetivo es calentar la placa, pero no tanto como para que el fundente se desplace. 

Una vez que toda la pasta tenga un aspecto reluciente y brillante, habrá llegado el momento de acercar más la pistola de calor, manteniendo una distancia de 35 a 50 mm. No te acerques demasiado, ya que el calor de la pistola es muy superior al necesario y podría dañar los componentes SMT o incluso la propia placa. Además, también podrías provocar que alguna pieza se desprendiera de su almohadilla antes de que se derrita la soldadura. Empieza moviendo la pistola en pequeños círculos sobre el primer conjunto de componentes. La idea es que los componentes y sus almohadillas alcancen el punto de fusión de la soldadura al tiempo que calientas los espacios grandes de vertido de cobre para que los pines conectados a esas zonas refluyan. Nunca he utilizado alivio térmico en ninguna de mis placas y jamás me ha pasado que no refluyeran uniformemente utilizando este método tan sencillo.

Me encanta ver cómo la pasta de soldar se funde y se vuelve brillante y cómo los componentes SMT se van centrando sobre sus footprints. Una vez que la soldadura de todas las almohadillas de esa zona se haya fundido por completo, sigue calentándola durante dos o tres segundos más antes de alejar lentamente el calor hacia otras zonas adyacentes. No te muevas muy deprisa o la soldadura se enfriará demasiado rápido. Por otra parte, tampoco es conveniente mantener el calor demasiado tiempo o la soldadura se oxide demasiado.

Si no estás seguro de si la soldadura se ha fundido debajo de un componente sin clavijas, utiliza las pinzas para empujarlo con cuidado un poco. Un componente SMT que descanse sobre soldadura fundida flotará hacia un lado y luego rebotará por tensión superficial si la soldadura se ha fundido. Un componente sobre pasta sin fundir no se apartará con tanta facilidad y no volverá a centrarse cuando apartes las pinzas.

Si un componente SMT no quedó lo suficientemente bien alineado y adoptó un ángulo extraño durante el reflujo, puedes volver a ajustarlo con unas pinzas hasta que recupere la alineación correcta. Mientras la soldadura esté fundida, dispondrás de mucha libertad para mover los componentes empujándolos con las pinzas. La tensión superficial de la soldadura fundida hará que los componentes se asienten perfectamente sobre sus footprints cuando los tengas bien alineados y, en general, evitará que se formen puentes entre los pines. Si los pines quedan visiblemente puenteados, puedes arreglarlo más tarde con un poco de fundente y un soldador, o puedes levantar el componente de la placa mientras la soldadura siga fundida y volver a colocarlo en su sitio. Los pines puenteados suelen ser señal de que tenías demasiada pasta de soldar en la placa.

Recuerda que no debes mantener el calor sobre una zona durante demasiado tiempo cuando estés tratando de solucionar algún problema. Esto podría provocar que la soldadura se oxidara demasiado, lo que daría como resultado una unión de mala calidad. Si te encuentras con un problema que no creas que puedas solucionar en unos segundos y no te dé la sensación de que lo puedas corregir más tarde con una estación de soldadura, déjalo por el momento. Cuando hayas terminado con el reflujo de la placa, puedes aplicar gel fundente a los componentes de la zona que vayas a calentar, enmascarar los adyacentes con cinta Kapton y volver a refluir esa zona. El gel fundente te permitirá corregir los errores y limpiar el óxido de la soldadura a medida que avanzas. Ve con cuidado, ya que el gel fundente puede ensuciar mucho y es necesario limpiarlo bien después.

Últimos retoques

Para esta placa de PCB en particular, olvidé pedir un componente, concretamente, un condensador. Por suerte, tenía uno con el mismo valor y clasificación que me había sobrado de otro proyecto SMT y que podía utilizar. El único problema era que el encapsulado era mucho más pequeño. En el caso de esta placa, me bastó con soldar el condensador después, pero es mucho más fácil soldar los componentes a la placa cuando aún está caliente tras el proceso de reflujo. Aprovecha siempre el calor residual si necesitas añadir agujeros pasantes o hacer correcciones de última hora.

Placas de dos caras

Para soldar una placa de doble cara, solo tienes que seguir exactamente el mismo procedimiento para la cara opuesta. Tendrás que construir el soporte de la placa de modo que haya espacio para los componentes en la parte inferior, o simplemente abrir un hueco en la base, como hice yo con mi placa acrílica para esta PCB. Procura soldar primero el lado con los componentes menos cruciales y más pequeños para que, en general, no te encuentres con el problema de que se caigan, ya que la tensión superficial de la soldadura fundida los sujetará. Resulta más sencillo dejar el lado más complejo para el final. 

Si estás preocupado porque los componentes de la cara inferior se desprendan o desalineen durante el segundo calentamiento, utiliza una pasta de soldar de estaño y bismuto en la segunda cara. Su punto de fusión es mucho más bajo que el de una pasta SAC305, lo que significa que la soldadura de la parte inferior ni siquiera notará el calor cuando la pasta SnBi ya se haya derretido.

¡Diviértete!

Espero que este artículo te haya convencido de que el reflujo de una placa con herramientas de laboratorio SMT rudimentarias de bajo coste es relativamente sencillo y ofrece resultados de alta calidad. La mayoría de las personas que nunca han utilizado una plantilla se asombran de que yo sea capaz de manipular componentes 0201 o componentes sin clavijas de paso muy fino. Pero la verdad es que cualquiera puede hacerlo. Con una simple plantilla y una pasta de calidad, te sorprenderás de lo que puedes conseguir mediante la SMT. Olvídate de la estación de soldadura cuando vayas a rellenar placas, hay formas más eficientes de hacerlo que soldar cada componente uno a uno.

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