Tipos de soldadura de PCB y el proceso de montaje

Recuerdo cuando empecé a trabajar en un laboratorio y ocasionalmente me tocaba soldar cables en contactos metalizados. Trabajábamos con materiales semiconductores, pero los mismos materiales se pueden utilizar en la soldadura de PCB, es cuestión de elegir la mezcla adecuada que se adapte al proceso de fabricación de PCB.

El proceso de fabricación de PCB implica varios pasos, desde la fabricación de placas desnudas hasta el montaje y embalaje de la PCB. Como parte del proceso de montaje de PCB, hay diferentes tipos de soldadura que se pueden utilizar para montar componentes en una PCB. Las diferentes soldaduras de PCB tienen diferentes características mecánicas, consideraciones de seguridad y problemas de eliminación que deben tenerse en cuenta al planificar el montaje. La transición a la electrónica sin plomo está dejando al margen el uso de soldaduras a base de plomo.

No entraré ahora en el debate de si con plomo o sin plomo, ya que ya hay suficiente información al respecto en internet. Por ahora, echemos un vistazo a los diferentes tipos de soldadura de PCB, más concretamente a los diferentes materiales y procesos.

Materiales de soldadura para PCB

Hay una gran variedad de tipos de soldadura de PCB disponibles en el mercado y elegir el más adecuado puede parecer una tarea abrumadora para el diseñador o ensamblador novel. Las soldaduras se emplean para realizar conexiones eléctricas entre contactos metálicos, permitiendo que la soldadura fundida (que es una aleación blanda) forme un eutéctico que se fusiona mientras se va enfriando. La mezcla de metales que compone una PCB soldada determinará su resistencia mecánica tras la solidificación, la temperatura de fusión necesaria y los gases que se desprendan durante la soldadura. Podemos distinguir los tipos de materiales de soldadura de PCB por el material del núcleo, los constituyentes metálicos y los tipos de fundente de soldadura.

Contenido metálico

Las mezclas de soldadura de PCB de plomo se conocen como soldadura blanda y fueron las que dieron el pistoletazo de salida a la industria electrónica. Tienen un punto de fusión de unos 180-190 °C y una caducidad de unos dos años. Las aleaciones de soldadura a base de plomo más comunes incluyen:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Otras relaciones de Sn/Pb incluyen 50/50, 30/70 y 10/90. El estaño se utiliza principalmente como metal base, ya que le da a la aleación un punto de fusión más bajo, y el plomo evita la aparición de filamentos de estaño. Una mayor concentración de estaño garantiza que la unión soldada tenga una mayor resistencia a la tensión de corte y a la tracción. El porcentaje de plata en una aleación 62/36/2 Sn/Pb/Ag proporciona una menor resistencia de contacto y una mayor resistencia a la corrosión. Ten en cuenta que hay otros tipos de soldadura (indio, aleación de zinc, etc.), pero no se utilizan en PCB, ya que son incompatibles con el proceso de fabricación de PCB.

Las soldaduras de PCB sin plomo están ganando popularidad desde que la UE aprobó la Directiva sobre la Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS), que restringe el uso de plomo en la electrónica. Un problema con las soldaduras sin plomo es que es más probable que se formen filamentos de estaño. A menudo se utilizan revestimientos de conformación para evitar que se formen estos "bigotes" de estaño y para protegerlos de la humedad y la corrosión.

La soldadura de núcleo fundente se vende en bobinas individuales y contiene un agente reductor en su interior. Este agente reductor (del que hablaré de el más adelante) elimina cualquier película de óxido en los contactos metálicos para garantizar un contacto eléctrico de alta conductividad. El tipo de material que contiene el núcleo es otro punto a considerar si vas a soldar a mano.

Material del núcleo de soldadura

Las bobinas de soldadura, así como las pastas de soldadura de la PCB, contendrán uno de estos tipos de materiales a fin de que se fundan los contactos metálicos durante la soldadura:

• Fundente de ácido orgánico: Un fundente a base de ácido garantiza una eliminación agresiva del óxido de los contactos metálicos a medida que se sueldan. Este fundente es soluble en agua y es importante limpiar los residuos después de soldar para evitar la corrosión.
• Fundente de colofonia: La colofonia es una forma sólida de resina obtenida de las coníferas. Los residuos del fundente de colofonia no provocan corrosión, por lo que se utiliza siempre en aquellos casos en los que resulta difícil eliminar los residuos del fundente de ácido orgánico.
• Soldaduras de núcleo sólido: Algunas bobinas de soldadura tienen un núcleo sólido y no contienen ningún fundente, por lo que este debe aplicarse a mano. Este tipo de soldadura es útil para soldar a mano siempre y cuando dispongas de fundente.

Procesos de soldadura de PCB

Hoy en día, el tipo de soldadura más común en las PCB es la soldadura con núcleo de colofonia sin plomo (Sn-Cu). A menos que tu montador esté trabajando en una placa única o que estés montando tu propia placa de PCB, la PCBA no se soldará a mano. En vez de ello, le tocará pasar por un proceso automatizado:

• Soldadura por ola: Se utiliza para componentes con agujero pasantes.
• Soldadura por reflujo: Se utiliza para los componentes de SMT en un horno de reflujo.
• Soldadura selectiva: Se utiliza cuando un componente del agujero pasante puede dañarse por las altas temperaturas o no es adecuado para los procesos de ola y reflujo.

El fundente, o la pasta, se aplica primero a los contactos metálicos de la placa de PCB para reducir la oxidación e igualar el flujo de la soldadura fundida, lo que refuerza la unión soldada acabada en una PCB. La mayoría de los diseñadores de PCB probablemente asuman que tienes que montar componentes con clavijas sin plomo utilizando una pasta de soldar también sin plomo, pero no se trata de un requisito ineludible. Según un grupo de expertos en soldadura de PCB, no es infrecuente mezclar estos materiales, aunque debes tener en cuenta que la aleación final que formes puede tener propiedades mecánicas intermedias entre las aleaciones finales con y sin plomo.

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Preguntas frecuentes

¿Qué método de soldadura de PCB es mejor para la fabricación de alto volumen?

La soldadura por reflujo es el método más utilizado en la fabricación de PCB a gran escala porque ofrece una calidad constante, admite líneas de montaje automatizadas y puede utilizarse con componentes de montaje superficial (SMT). La soldadura por ola sigue siendo el método preferido para aplicaciones de placas de circuito impreso con componentes pasantes. La soldadura selectiva permite montajes de tecnología mixta y ayuda a los fabricantes a mantener un control de proceso más estricto.

¿Qué causa las uniones de soldadura fría en una PCB?

Las uniones de soldadura fría suelen producirse por una aplicación insuficiente de calor, un flujo deficiente de la soldadura, contaminantes en alguna de las superficies o movimiento físico durante el enfriamiento. Las uniones de soldadura débiles aumentan la resistencia, lo que puede causar fallos intermitentes de los componentes electrónicos tras la instalación. Entre las señales de este tipo de fallo se incluyen superficies opacas o agrietadas, sin acabado brillante, mientras que una soldadura normal presenta acabados lisos y brillantes. Usar perfiles de temperatura adecuados, limpiar ambas superficies antes de la aplicación y controlar todos los aspectos del proceso de soldadura reduce o elimina las uniones de soldadura fría.

¿En qué se diferencia la soldadura selectiva de la soldadura por ola?

Con la soldadura selectiva, se pueden dirigir puntos concretos de componentes pasantes mediante una boquilla de soldadura controlable. En cambio, la soldadura por ola utiliza una ola de soldadura fundida para aplicarla sobre toda la cara inferior de la PCB. Por ello, la soldadura selectiva es más adecuada cuando se necesita mayor precisión y menor estrés térmico en componentes sensibles, gracias a su capacidad para admitir diseños complejos de montaje mixto; sin embargo, la soldadura por ola es más productiva y rentable cuando se fabrican grandes cantidades de montajes pasantes sencillos.

¿Por qué es importante la inspección de pasta de soldadura en el montaje de PCB?

La inspección de pasta de soldadura identifica defectos antes de la colocación de los componentes y su paso por el proceso de reflujo. Los defectos provocados por una aplicación insuficiente de pasta, la formación de puentes o una colocación incorrecta del esténcil pueden causar tombstoning, circuitos abiertos o cortocircuitos de soldadura durante el proceso de montaje. Cuando estos defectos se detectan en fases tempranas de la producción mediante sistemas SPI automatizados, mejora el rendimiento de fabricación y se reduce el costoso retrabajo.

¿Qué factores afectan a la fiabilidad de las uniones de soldadura en una PCB?

Los ciclos térmicos, el tamaño de los componentes, el tipo de placa, el tipo de aleación de soldadura y la calidad del montaje son algunos de los factores que contribuyen a la fiabilidad de una unión de soldadura. Un mal diseño de los pads, un estrés mecánico excesivo en las uniones durante la fabricación y perfiles de temperatura inadecuados durante el reflujo contribuyen a acortar la vida útil de las uniones de soldadura.