¿Cuál es el tiempo máximo permitido por encima del punto de fusión en la soldadura por reflujo?
Hola amigos, vayamos al grano si trabajan en ensamblaje SMT: la fase decisiva más crítica de la soldadura por reflujo es el tiempo que sus placas pasan por encima del liquidus (TAL, para abreviar). Si se estropea esto, se producirán juntas frías, caídas, daños en los componentes: todo lo que acaba con el rendimiento y hace que sus superiores se arranquen los pelos. Como proveedor de soldadura por reflujo que ha pasado años ajustando hornos y solucionando problemas en líneas de producción, todos los días me hacen esta pregunta: ¿Cuál es el tiempo máximo por encima del líquido que realmente podemos dejar pasar?
Primero, basemos esto en lo básico para cualquiera que sea nuevo aquí. La soldadura sin plomo (el estándar ahora, no más material de estaño-plomo 63/37 a base de colofonia) tiene un punto de fusión de alrededor de 217°C (423°F) para SAC305, la aleación más común. Cuando hablamos de TAL, esa es la ventana desde que los primeros glóbulos de pasta de soldadura se vuelven líquidos hasta que los últimos se solidifican nuevamente, por lo que es aproximadamente por encima de 217 °C (ajuste un poquito si está usando una aleación diferente, como SAC405, pero aquí nos atenemos a SAC305 ya que es el estándar de la industria).
Aquí es donde las cosas se complican: no existe una cifra única que sirva para todos. Depende de sus componentes, la masa térmica de su placa, la aleación de soldadura que elija y cuáles sean los objetivos de su proceso. Pero comencemos con lo básico que siempre les digo a nuestros clientes: para la mayoría de los ensambles SMT estándar, no conviene presionar TAL más allá de los 90 segundos. Espera, espera, antes de que levantes una ceja, ese es el límite superior para tableros de complejidad baja a media. Pero si se trabaja con componentes pequeños y sensibles al calor, como circuitos integrados de paso fino o microchips, ese número disminuye. He visto una placa con un montón de resistencias 0201 y un BGA hacer estallar una articulación porque dejamos que TAL alcanzara los 85 segundos, pero otra con aviones de cobre pesados funcionó bien a los 82 segundos. Todo es variable.
¿Por qué es tan importante TAL? Analicémoslo. Cuando la soldadura es líquida, existe riesgo de crecimiento de compuestos intermetálicos (IMC). Los IMC son capas frágiles que se forman entre la soldadura y los cables de los componentes/almohadillas de PCB. Si TAL es demasiado largo, esos IMC se vuelven demasiado gruesos, como más de 5 micrones de espesor. Los IMC gruesos no se flexionan; se agrietan cuando la placa sufre vibraciones o choques térmicos, lo que provoca conexiones intermitentes o una falla total. Además de eso, los componentes sensibles al calor (como LED, condensadores de plástico o incluso algunos microcontroladores) pueden degradarse si permanecen a altas temperaturas durante demasiado tiempo. Una vez, un cliente vino a verme con una línea de termostatos inteligentes defectuosos; resulta que su viejo horno de reflujo estaba funcionando durante un TAL de 110 segundos, derritiendo el plástico en los módulos del sensor de temperatura. Ay.
Ahora, hablemos de cómo la configuración de su horno cambia esto. Si está utilizando un horno de reflujo básico de 3 zonas (como el de aire caliente por infrarrojos que ofrecemos para tiradas más pequeñas), es posible que le resulte un poco más difícil mantener un TAL ajustado porque el recuento de zonas es menor. Pero los hornos modernos controlados por CNC le permiten marcar las fases de remojo y reflujo con mucha precisión. Para líneas de gran volumen, nuestros hornos de reflujo de 8 zonas o modelos de 10 zonas brindan un mejor control, para que pueda alcanzar un TAL que esté dentro del punto óptimo sin sobrecalentar las piezas. Por ejemplo, si estás usando una tabla con una masa térmica de 100 gramos, puedes ejecutar un TAL más largo (hasta 85 segundos) porque la masa iguala el calor, por lo que los componentes no permanecen en la zona caliente por mucho tiempo. Pero una placa de baja masa, como una PCB delgada con resistencias pequeñas, necesita un límite de TAL de 70 a 75 segundos, como máximo.
Espera, aclaremos el tema de las pruebas, porque mucha gente se salta esta parte. No se puede simplemente adivinar TAL: hay que medirlo. Coloque un termopar en el componente más remoto y sensible al calor de su placa (no solo los BGA grandes, las pequeñas resistencias 01005 o los conectores de paso fino) y ejecute un perfil de prueba. Esa es la única manera de obtener números TAL precisos, porque si mides la temperatura en un gran avión de cobre, distorsionará los datos y te hará pensar que TAL está bien cuando en realidad es demasiado alto para tus partes delicadas.
Ahora, vayamos a los límites estrictos. He estado en esta industria el tiempo suficiente para saber que alguien va a ir más allá y preguntar: "¿Podemos durar 100 segundos?". La respuesta corta es: sólo en casos muy específicos. Si está utilizando una soldadura con plomo, el punto de fusión es más bajo (183 °C), por lo que técnicamente podría tener un TAL más largo, pero el plomo está básicamente obsoleto debido a las regulaciones ambientales. Para productos sin plomo, 100 segundos es una señal de alerta a menos que esté realizando un ensamblaje muy especializado con componentes clasificados para altas temperaturas de reflujo, como módulos de potencia con bases de cobre gruesas. Incluso entonces, recomendaría probarlo primero. ¿Más de 100 segundos? Nunca he visto que eso termine bien. Tuvimos un cliente que probó 120 segundos en una línea de PCB para automóviles y la mitad de los BGA desarrollaron microfisuras a los 6 meses de uso. Los reclamos de garantía acabaron con sus ganancias ese trimestre.
También hablemos de cómo se relaciona el equipo de recogida y colocación con esto, porque mucha gente pasa por alto la conexión entre la precisión de la colocación y el TAL de reflujo. Espere, sí: si su sistema de selección y colocación no coloca los componentes correctamente, es posible que deba ejecutar un paso de reelaboración, pero además, la colocación desigual de los componentes puede provocar puntos calientes en el tablero, lo que estropea su TAL. Cuando recoge y coloca dispositivos electrónicos, necesita una alineación precisa para asegurarse de que cada componente esté plano, de modo que el calor se distribuya uniformemente durante el reflujo. Es por eso que es importante trabajar con máquinas pick-and-place confiables y precisas: hemos visto líneas con resistencias 0201 desalineadas que terminan con juntas frías porque la soldadura no fluyó correctamente, incluso con un perfil TAL correcto. Si está buscando equipos para combinar con su horno de reflujo, consulte nuestros recursos para controles numéricos y colocaciones electrónicas aquí.
Otro punto: su tipo de soldadura en pasta. No-clean versus soluble en agua, no-clean es mucho más común ahora y afecta la forma en que se activa la soldadura. Las pastas que no requieren limpieza tienen una ventana de activación justo alrededor de la temperatura del líquido, por lo que si TAL es demasiado corto, el fundente no funciona completamente, lo que provoca malas juntas. Si es demasiado largo, el fundente se quema, sin dejar protección y nuevamente, más IMC. Entonces TAL tiene que alinearse con las especificaciones de su pasta. Nuestras máquinas de fabricación de componentes electrónicos smt están calibradas para funcionar con las principales pastas sin plomo, por lo que podemos ayudarlo a sincronizar su perfil con el cronograma de activación de su pasta.
Analicemos un ejemplo del mundo real para concretar esto. El trimestre pasado, un cliente que fabrica dispositivos médicos portátiles (estándares de calidad súper estrictos, no puede permitirse defectos) acudió a nosotros con su propio horno de reflujo de 3 zonas y obtuvo TAL de 95 segundos. Obtuvieron una tasa de defectos del 3% por malas uniones. Cambiamos nuestro horno de reflujo de doble transportador y ocho zonas HW-R816Z por SMT, ajustamos su perfil para alcanzar TAL de 72 segundos y su tasa de defectos se redujo al 0,2 %. Ese es el poder de lograr que TAL sea correcto. Otro cliente, un fabricante de productos electrónicos de potencia con PCB pesados y de gran masa, utiliza nuestro horno de soldadura por reflujo de diez zonas HW-R10 para ensamblaje SMT y ejecuta TAL de 88 segundos sin problemas; sus piezas están clasificadas para reflujo de 260 °C, por lo que pueden manejar ventanas más largas.
Ahora, veo errores comunes: personas que confunden TAL con el tiempo total de reflujo. El tiempo total por encima de 150°C (la zona de remojo) no es lo mismo que TAL. Muchos ingenieros nuevos piensan: "Oh, tenemos 180 segundos en total por encima de 150, está bien", pero si sólo 70 de ellos están por encima de 217 °C, en realidad es un buen perfil. La zona de remojo es para secar la pasta y precalentar los componentes, no para refluir. Concéntrese en esa ventana de liquidus, no en la temperatura más baja.
Otro error: no tener en cuenta la velocidad del transportador. Si el transportador de su horno de reflujo es demasiado rápido, su placa pasa menos tiempo en la zona de reflujo, por lo que TAL cae. Si es demasiado lento, TAL aumenta. Cuando configuramos una nueva línea, calibramos la velocidad del transportador según el número de zonas de reflujo, de modo que la placa tenga exactamente el tiempo adecuado en cada zona para alcanzar el TAL objetivo. Para líneas de gran volumen, tener un horno de doble transportador (como nuestro modelo HW-R816Z) le permite procesar dos perfiles diferentes al mismo tiempo, lo cual es excelente para tableros mixtos con diferentes necesidades de componentes.
Entonces, para concluir, ¿cuál es el TAL máximo permitido? Depende, pero esta es la regla general que le doy a cada cliente:
- Para conjuntos SMT estándar (electrónica de consumo, componentes 0201-0805, placas de baja masa): máx. 75-85 segundos TAL.
- Para placas de masa media (PCB de automoción, BGA con paso de 0,5 mm): máx. 80-90 segundos TAL.
- Para conjuntos de gran masa y resistentes a la temperatura (módulos de potencia, controles industriales): máx. 90-100 segundos TAL, pero solo si ha probado las clasificaciones térmicas de sus componentes.
- Nunca supere los 100 segundos de TAL para soldadura sin plomo: punto final.
Si aún no está seguro de dónde se encuentra su línea, o está buscando actualizar su horno de reflujo o equipo de recogida y colocación para obtener un control TAL más estricto, comuníquese con nuestro equipo para conversar sobre su configuración específica. Aquí no ofrecemos consejos únicos para todos, porque sabemos que cada línea, cada placa, cada componente es diferente. Ya sea que necesite un pequeño horno de reflujo de 3 zonas para la creación de prototipos, un modelo de gran volumen de 8 zonas o máquinas de recogida y colocación CNC para combinar con su línea de reflujo, tenemos el equipo y la experiencia para ayudarle a conseguir ese TAL perfecto y reducir su tasa de defectos.
Referencias
- IPC-A-610, Aceptabilidad de conjuntos electrónicos. Asociación IPC Conectando Industrias Electrónicas, 2023.
- Pautas para el proceso de soldadura sin plomo. J-STD-020, IPC, 2022.
- Optimización del perfil de temperatura de soldadura por reflujo: tiempo por encima de los efectos Liquidus. Revista de tecnología de montaje en superficie, vol. 35, núm. 2, 2021.
- Sensibilidad al calor de componentes SMT: límites TAL para dispositivos de plástico y cerámica. Informe de tecnología de componentes, Iniciativa Internacional de Fabricación de Electrónica (iNEMI), 2020.