Optimizando el perfil del proceso de refusión, a través del análisis de los defectos

El proceso de refusión es el método principal de soldadura en los componentes SMD en la industria electrónica..Generalmente cuando se realiza correctamente, el proceso proporciona a una alta producción y confiabilidad, a un precio relativamente barato. Entre todas las consideraciones del proceso, el perfil es uno de los factores más importantes para determinar la tasa de los defectos en la soldadura. Los tipos de los defectos afectados por un perfil determinado, incluyen componentes rotos, inclinados, defectuosos, bolas en la soldadura, cruzes, soldaduras frías, formación excesiva de capas intermetálicas, adherencia pobre de la soldadura, huecos, componentes desalineados, chamuscados, exfoliados, falta de mojado en la soldadura o en la pista. Por lo tanto, es extremadamente importante hacer el perfil correctamente para alcanzar la alta producción y confiabilidad. Un perfil, se puede dividir generalmente en tres elementos importantes: la etapa de la calefacción, la etapa de temperatura máxima, , y la etapa de enfriamiento. Cada etapa, tiene su impacto en los resultados del proceso. Con una buena comprensión de los mecanismos de la formación de los defectos, la discusión se centrará en cómo, cada parte del perfil se puede configurar, para reducir al mínimo los defectos y maximizar la confiabilidad. 11.1 Reacción del flux En las industrias de la soldadura de los componentes de SMD, el proceso comienza normalmente con la aplicación del flux, para limpiar los óxidos de metal, después se produce el mojado de la soldadura. Por lo tanto, antes de discutir cualquier configuración del perfil, es esencial entender los requisitos del tiempo y de la temperatura en la reacción del flux aplicado. 11.1.1 Requisito de los tiempos y las temperatura requeridas para la reacción del flux La reacción del flux puede ser monitorizada determinando el tiempo S de la adherencia de la soldadura, con el uso de la curva de adherencia de la soldadura, según se ilustra en la Figura 11.1. Un tiempo corto de la adherencia de soldadura refleja normalmente una reacción rápida del flux. Se puede también investigar examinando la fusión, o el comportamiento de la pasta de la soldadura. Una vez más un rápido proceso de la fusión de la pasta de la soldadura indica una reacción rápida del flux que se aplica.

Figura 11.1 Cinética de la adherencia El perfil de la refusión de las pastas de la soldadura se puede determinar rápidamente. Esto puede ser

demostrado fácilmente, imprimiendo la pasta de la soldadura 63Sn/37Pb sobre una trozo de cobre, y seguidamente proceder a su refusión en el horno, a una temperatura superficial razonable. Los procesos se pueden terminar generalmente en algunos segundos. El comportamiento de la pasta de la soldadura puede también ser confirmado, examinando la curva de la adherencia de soldadura. La tabla 11.1, donde se muestra la adherencia en la soldadura de cuatro diferentes tipos de flux A, B, C, D, y de dos pastas disponibles en el comercio, el 63Sn/37Pb y 62Sn/36Pb/2Ag a 200° y 240°C, respectivamente. Las muestras de cobre probadas han sido precalentados en un horno de aire forzado de convección a 100°C, durante 3 horas para simular “una situación difícil de soldadura”. Los resultados indican que el tiempo de la adherencia de soldadura es alrededor de varios segundos a las temperaturas señaladas. Fluxes Tiempo de adherencia en segundos

Por lo cual se deduce, que la reacción del flux aplicado no requiere más que algunos segundos, mientras que la temperatura se pueda elevar aproximadamente alrededor de 200°C o mayor. Un perfil simple, extremadamente rápido, es suficiente para completar el efecto del flux y obtener una buena fusión y una buena adherencia. 11.1.2 Contribución del flux a la temperatura de fusión Para entender la contribución de la reacción del flux aplicado, a bajar la temperatura de fusión, los tiempos de la adherencia utilizando los fluxes del tipo RMA F1, F2, F3, y F4, a partir de una pasta de soldadura de bajo punto fusión como la 46Bi/34Sn/20Pb, con un punto de fusión de 95–108°C. Aunque esta pasta de soldadura de baja temperatura de fusión, muestre un comportamiento más lento de la adherencia, que la soldadura eutéctica de Sn-Pb, se espera que el tiempo de la adherencia de soldadura medido a varias temperaturas refleje la tasa relativa de la reacción del flux a la temperatura correspondiente. Los resultados mostrados en el figura 11.2, indican que el tiempo de la adherencia de la soldadura es proporcional al recíproco de la temperatura absoluta. Esto es verdad por lo menos para las temperaturas desde 150° a 240°C. En 150°C, el tiempo de la adherencia de la soldadura es cerca de uno o dos órdenes de la magnitud mayor que el tiempo de la adherencia de soldadura a 210–240°C. por lo tanto, puede deducirse que la temperatura es el factor dominante en la reacción de flux, y con un tiempo de permanencia igual. La contribución de la reacción del flux a temperaturas más bajas es insignificante en comparación con la de las temperaturas más altas.

Figura 11.2 Tiempo de adherencia S de los fluxes en función de la temperatura 11.2 Temperatura máxima 11.2.1 Soldadura fría y adherencia de la soldadura pobre. La temperatura máxima de un perfil de refusión, está determinada por la temperatura de fusión de la pasta de soldar utilizada, de la tolerancia de la temperatura de la tarjeta y de las piezas que se ensamblan. Siendo estas por naturaleza heterogéneas, las pastas de la soldadura típicamente toman más tiempo a unirse que el mostrado en la prueba de adherencia. Por consiguiente, la temperatura máxima mínima debe estar por encima del punto de fusión, unos 25–30°C. Una refusión con una temperatura máxima más baja, tendría más riesgo de producir empalmes fríos, así como la adherencia sea escasa. En el caso de la soldadura eutéctica del Sn-Pb, esta temperatura máxima mínima es aproximadamente de 210°C. 11.2.2 Componentes chamuscados, delaminación, y compuestos intermetálicos La temperatura máxima requerida está sobre los 235°C. más allá de esta temperatura, el componente puede ser chamuscado y la delaminación de las tarjetas de epoxy y de las piezas plásticas puede convertirse en un problema. Además, una cantidad excesiva de compuesto intermetálico, se puede formar y dando como resultado un empalme quebradizo. 11.2.3 Lixiviación La lixiviación es un problema en aplicaciones híbridas, cuando las cantidades excesivas del metal base aparecen en la soldadura. El fragmento de la lixiviación es dictado por la temperatura máxima, y puede reducirse utilizando, una temperatura máxima más baja. Utilizar durante un menor tiempo la temperatura de fase líquida, también ayudaría a reducir el lixiviación. 11.3 Etapa de enfriamiento 11.3.1 Compuestos intermetálicos La etapa de enfriamiento óptima es también relativamente fácil de determinar. Una tasa de enfriamiento lenta por debajo de la temperatura que fusión de la soldadura dará lugar a compuestos intermetálicos en exceso. Para minimizar el efecto, es necesario un enfriamiento rápido.

11.3.2 Tamaño del grano Un enfriamiento lento da lugar a menudo a empalmes de la soldadura con una estructura grande del grano, esto es debido al efecto del recocido. Esto se refiere principalmente a la gama de temperaturas por debajo de la temperatura de fusión. Esta estructura grande del grano se muestra típicamente como una resistencia pobre a la fatiga, cosa no deseable. Los empalmes de la soldadura con una estructura de grano fino, se pueden producir con el uso de una tasa de enfriamiento rápido. Sin embargo, el efecto del enfriamiento disminuye con un intervalo de la temperatura mayor. Una intervalo de 50° C, se cree puede ser suficiente para tener un efecto insignificante del recocido. 11.3.3 La fatiga interna del componente La tasa de enfriamiento máxima permitida, está determinada por la tolerancia de los componentes contra choque térmico. Para los componentes tales como los condensadores de capas, la tasa de enfriamiento máxima tolerable es aproximadamente 4°C/ minuto. 11.3.4 Deformación de las uniones El mecanismo típico del enfriamiento de un horno de refusión, utiliza aire frío forzado. Una tasa de enfriamiento muy rápida requerirá el uso de un caudal de aire frío soplado sobre los empalmes fundidos de la soldadura, que pueden dar lugar a deformaciones en los empalmes de la soldadura. La deformación común de la soldadura es generalmente insignificante con una tasa de enfriamiento, no mayor de 4°C/ minuto. 11.3.5 Separación interna de la soldadura o de la pista (delaminación) La tasa de enfriamiento, puede también afectar la delaminación de las pistas de la tarjeta o de la separación de las uniones de la soldadura con las pistas. Una tasa rápida puede dar lugar a un gradiente demasiado alto de la temperatura entre los componentes y la tarjeta, y por consiguiente una discordancia en la tensión térmica. Esto creará una tensión interna alrededor de las uniones de la soldadura, y como consecuencia la separación de la soldadura de las pistas, o la delaminación de las pistas de la tarjeta.. 11.4 Etapa de calentamiento Quizás la etapa de calentamiento, se puede mirar como la parte más complicada de un perfil del horno de refusión. Como en la etapa de enfriamiento, los parámetros implicados son el tiempo y la temperatura. 11.4.1 Desmoronamiento y los puentes de soldadura Los puentes de soldadura son el resultado directo del desmoronamiento de la pasta de soldadura. Puesto que la caída ocurre solamente en la etapa imprimación, la temperatura estará en o por debajo del punto de fusión de la soldadura. Generalmente la viscosidad de los materiales con una composición fija y su estructura química, disminuye con el aumento de la temperatura, debido a su agitación térmica a nivel molecular. Esta disminución de la viscosidad a una temperatura más alta producirá una mayor depresión. Por otra parte, el aumento de la temperatura deseca generalmente el solvente del flux y como resultado un aumento en el contenido sólido, así como un aumento en la viscosidad. Estos dos efectos opuestos, efecto térmico de la agitación molecular y el efecto de la pérdida del solvente, se muestran en el figura 11.3.

Figura 11.3 El efecto de la agitación térmica y la pérdida de solvente en la viscosidad, en función de la temperatura

Figura 11.4 Relación entre la pendiente de la curva y la viscosidad debido la pérdida del solvente

Figura 11.5 Relación entre la desmoronamiento y la pendiente de la curva

El efecto de la agitación térmica, es una característica intrínseca del material. Es solamente una función de la temperatura e independiente del tiempo. Por lo tanto, la pendiente de la rampa de calentamiento, no tiene ningún efecto en ella. Sin embargo, el efecto de la pérdida del solvente, es un fenómeno cinético y se verá

afectado por la pendiente de la rampa. La vaporización del solvente es proporcional a su energía térmica, o a la temperatura del solvente. La cantidad de solvente perdido es proporcional al producto de su vaporización y del tiempo aplicado. Es decir la pérdida solvente total es una función del tiempo y de la temperatura, por lo tanto puede ser regulada variando la pendiente de la rampa del perfil de refusión. Con una pendiente lenta de la rampa, la viscosidad de la pasta de la soldadura es más alta que con una pendiente rápida, a cualquier temperatura elevada dada debido a la mayor pérdida de solvente, según las indicaciones de la figura 11.4. Por lo tanto, aplicando una pendiente bastante lenta de la rampa del perfil, el efecto de la pérdida del solvente se puede realzar y se puede reemplazar al efecto térmico de la agitación. Esto dará lugar o a una disminución de la viscosidad o aún aumento neto de la viscosidad, con el aumento de temperatura. Por lo tanto, disminuye el desmoronamiento con una pendiente menor de la rampa, según las indicaciones de la figura 11.5. Generalmente un índice de la pendiente de 0.5–1°C/ segundo, de la temperatura ambiente a la temperatura de fusión es la recomendada. 11.4.2 Soldadura con rebordes La soldadura con rebordes es causa de un flux poco activo, que cancela la fuerza cohesiva de la pasta durante el precalentamiento. La poca actividad, promueve la formación de agregados aislantes de la pasta por debajo de los componentes. En la refusión, los componentes aislantes de la pasta , una vez que han emergido desde la parte inferior de los componentes, se unen en granos a la soldadura. La tasa de poca actividad del flux puede ser controlada con la pendiente de la rampa, en la etapa de la calefacción antes de la fusión de la soldadura. Con una pendiente muy lenta del rampa, la poca actividad del flux puede ocurrir, vía el proceso de la difusión en vez del de vaporización, por lo tanto es necesario, prevenir la formación de los agregados aislantes de la pasta causados por la poca fuerza de la actividad del flux, evitando así la formación de rebordes en la soldadura. 11.4.3 Soldadura muy defectuosa En la soldadura muy defectuosa, la pasta de soldadura fundida, moja el terminal del componente y fluye por encima del terminal de componente lejos del área común de ambos, hasta tal punto que se forma un empalme abierto, sin soldadura. Es el resultado de que el terminal del componente está más caliente que la pista del circuito, en la etapa en que se derrite la pasta de soldadura. Esto puede ser corregido, utilizando más calor en la cara inferior o un perfil muy lento de la rampa, con una temperatura alrededor del punto de fusión de la soldadura. Así pues haciéndolo, permitirá la temperatura del terminal del componente y de las pistas alcanzar el equilibrio antes de que ocurra cualquier adherencia de la soldadura. Una vez que la soldadura moje superficie de las pistas, la dimensión de la forma de la soldadura seguirá estable y no será más sensible a la pendiente del perfil. 11.4.4 Componentes caídos o torcidos Los componentes caídos o torcidos, son causados por la adherencia desigual de la soldadura, que sucede en los dos extremos del componente SMD. Los defectos de componentes torcidos, pueden ser reducidos al mínimo usando un perfil muy lento de la rampa, alrededor del punto de fusión de la soldadura para permitir que las temperaturas de los dos extremos del componente alcancen el equilibrio. Debajo de la temperatura que fusión, la pendiente de la rampa no tiene ningún impacto en estos dos defectos. Alrededor del punto de fusión, es cuando ocurre el mojado, por lo tanto generalmente la pendiente de la rampa, no tiene ningún impacto.

11.4.5 Soldadura con bolas La soldadura con bolas, puede ser causada por el efecto salpicaduras. En muchos casos, esto sucede con una pendiente de la rampa mayor que los 2° C/ segundo, antes de la fusión de la pasta de la soldadura. Una pendiente lenta de la rampa es uno de los medios más eficaces para la prevención de las salpicaduras. Sin embargo, también una pendiente de la rampa demasiado lenta, puede producir la oxidación excesiva y mermar la capacidad del flux. La soldadura con bolas puede también causada por la oxidación, debido a una temperatura excesiva antes de la fusión de la pasta de soldadura. Para reducir al mínimo esta oxidación, la energía térmica introducida antes de la fusión de la soldadura debe ser reducida al mínimo. Por lo tanto, cuando se consideran los factores delñ efecto de la salpicadura y el de la oxidación, el proceso óptimo de la calefacción para reducir al mínimo la soldadura total sería un perfil con una pendiente linear, hasta que se alcance la temperatura que de fusión. 11.4.6 Adherencia pobre en la soldadura La adherencia pobre en la soldadura, puede ser debido a la oxidación excesiva con una temperatura antes de la fusión. Según lo expuesto en la soldadura con bolas, en el párrafo anterior, la entrada de información de la energía térmica antes de la fusión de la soldadura se debe reducir al mínimo para reducir al mínimo esta oxidación. El perfil requerido de calefacción debe ser lo más corto como sea posible. Si el tiempo de calefacción no puede ser acortado debido a otras consideraciones, después un perfil linear de la pendiente de la temperatura ambiente a la temperatura de fusión, es crucial para la reducción al mínimo la oxidación. 11.4.7 Los huecos en la soldadura Los huecos son causados sobre todo por la poca actividad del flux en lugares donde el mojado no se ha producido. Estos sitios pueden ser reducidos bajando la oxidación, según lo descrito en la sección anterior, es decir, una relación de calor tan corto como sea posible o un perfil linear de la rampa de la temperatura ambiente a la temperatura fusión de la soldadura. 11.4.8 Soldaduras sin hacer Las soldaduras sin hacer, pueden ser causadas por la no-adherencia de soldadura. Este efecto puede reducirse, utilizando el perfil descrito en la sección 11.4.3, es decir, con más calor en la cara inferior y con una pendiente muy lenta de la rampa a una temperatura alrededor del punto de fusión de la soldadura. En el caso de la no-adherencia de soldadura, se observa a menudo el “efecto de la almohadilla”. Aquí el terminal del componente cede en el tope de la soldadura sin la formación de una vinculación verdadera o de la adherencia de soldadura. Los problemas tales como estos pueden ser reducidos al mínimo reduciendo la oxidación, según lo discutido en la sección 11.4.6. Una vez más, un perfil linear de la rampa, desde la temperatura ambiente a la temperatura de fusión, es la idónea.