La soldadura y desoldadura

Transcripción

1 Desarrollo y Construcción de Prototipos Electrónicos Montaje manual de placas La soldadura y desoldadura 1

2 Los tipos de soldadura en electrónica. Clasificación (I). Podemos clasificar los diferentes tipos de soldadura usados en electrónica de la siguiente forma: 1. Soldadura por fusión (soldering) o refusión (reflow): i. Soldadura blanda: a) Por conducción del calor: Soldador manual. Por ola simple. Por doble ola. Por inmersión (baño muerto). Por placa caliente fija o móvil. Electrodos. Horno de túnel continuo. b) Por convección: Chorro de aire caliente. c) Por radiación: Rayo láser con aporte de material. Rayos infrarrojos. Rayos ultravioleta. ii. Soldadura dura o fuerte. iii. Soldadura eutéctica. 2

3 Los tipos de soldadura en electrónica. Clasificación (II). 2. Soldadura sin fusión (welding): i. Ultrasonidos. ii. Termosónica. iii. Termocompresión. 3. Unión mediante adhesivos conductores (collage conductor): i. Colas epoxídicas. ii. Colas de silicona. 3

4 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (I). Soldadura por fusión o refusión: Existe un metal o aleación metálica que se funde para realizar la soldadura. Una vez realizada ésta el metal fundido se enfría solidificándose en el proceso. Soldadura blanda: Como material de aporte se usa una aleación metálica con bajo punto de fusión (<450ºC). Los metales a unir no llegan a la fusión. Tiene como objetivo la unión de dos partes metálicas por medio de una aleación no férrica produciendo un buen contacto eléctrico y una fijación mecánica suficientemente fuerte para sujetar los componentes a la placa de PCB o a la regleta de conexión. Soldadura dura o fuerte: Como material de aporte se usan metales puros y aleaciones metálicas con altos puntos de fusión. Los metales usados, puros o en aleación, son el oro y la plata. Es usada en microelectrónica. Soldadura eutéctica: Como material de aporte se usa una aleación metálica de oro-silicio u oro-estaño. Es la más usada en microelectrónica. 4

5 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (II). Soldadura por fusión o refusión Soldadura blanda Por conducción: El calor pasa de la fuente al punto de soldadura por contacto directo entre materiales. Por convección: El calor se transporta desde la fuente al punto de soldadura por medio del movimiento de un fluido gaseoso. Por radiación: La energía parte de la fuente en forma de radiación electromagnética. En el punto de soldadura se transforma en calor. 5

6 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (III). Soldadura sin fusión: No utiliza material de aportación. La unión se produce por interpenetración molecular de las dos partes a unir. Muy usada en las uniones con hilos de oro entre los chip y las patillas del encapsulado. Ultrasonidos: Se usa un emisor ultrasónico (sonotrodo) trabajando a una frecuencia entre 20kHz y 50kHz. Puede producir uniones entre metales diferentes. Termosónica: Usada para soldar hilos de oro en aquellos casos en los que la temperatura no pueda exceder de los 130ºC. Es una mezcla del sistema ultrasónico y el sistema térmico. Termocompresión: Usada para hilos de oro. La temperatura de soldadura es de 310ºC. Para la interpenetración molecular se emplea, además, la aplicación de una presión sobre el hilo a soldar. Proporciona uniones de gran calidad. 6

7 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (IV). Unión mediante adhesivos conductores: No es realmente una soldadura, pero presenta excelentes cualidades mecánicas y eléctricas. Sólo se emplea con componentes SMD (componentes de montaje superficial). Colas epoxídicas: Colas a base de epóxido. Se les añade gran cantidad de partículas metálicas (Ag, Au, Pt,...) Colas de silicona: Igual que las colas epoxídicas pero basadas en la silicona. También se les añade partículas metálicas. 7

8 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (V). Soldador manual: El método usado fuera del ámbito industrial. Se realiza con un soldador y el aporte de material (aleación de estaño y plomo en relación 60/40). Más adelante se describirá con todo detalle la técnica de soldadura. Soldadura por ola simple y doble ola: Un tanque contiene la aleación metálica de soldadura en estado líquido (fundida). Mediante un sistema de bomba o de rodillo giratorio se consigue crear una ola o protuberancia en la superficie del metal fundido. Con un sistema de guiado se hace pasar la placa de circuito impreso (PCB) precalentada, con los componentes sin soldar, por la ola. Tras pasar por ella los componentes quedan soldados. 8

9 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (VI). Soldadura por inmersión o baño muerto: La placa, una vez precalentada y con sus componentes insertados, desciende hasta entrar en contacto con la superficie líquida de la aleación de estaño contenida en un crisol. El tiempo de inmersión es crítico para efectuar soldaduras correctas. Este método queda limitado a tecnologías de fabricación mayores o iguales a 1,27mm de paso. Soldadura por placa caliente fija: En este sistema de soldadura la placa de circuito impreso se suelda mediante el empleo de pastas de soldadura. Sólo es válido para componentes SMD. La soldadura se efectúa colocando sobre una placa calefactada la placa de circuito impreso. Por el calor que de la placa calefactada se transmite a la PCB se produce la fusión de la pasta de soldadura. Seguidamente se retira la PCB de la placa caliente y se deja enfriar. Soldadura por placa caliente móvil: Similar al método anterior, se diferencia de él en que la PCB no reposa estática sobre la placa caliente, sino que es trasladada durante todo el proceso mediante un mecanismo de transporte: Soldadura por electrodos: Usada para soldar componentes SMD con gran número de patillas. Se usan unas cabezas de soldadura que presentan una serie de salientes (electrodos) dispuestos de tal forma que coincidan con las patillas del componente a soldar en forma y número. Por calentamiento de los electrodos se produce la soldadura al fusionarse la aleación de soldadura previamente dispuesta sobre los pads. 9

10 Los tipos de soldadura en electrónica. Descripción (VII). Soldadura en horno de túnel continuo: Se realiza introduciendo la placa de circuito impreso en un horno que posee cinco zonas a diferente temperatura. La placa va pasando por las diferentes zonas del horno gracias a un sistema de transporte. Las zonas del horno son las siguientes: Zona 1: 80ºC. Zona 2: 175ºC. Zona 3: 240ºC. Zona 4: 160ºC. Zona 5: 75ºC. Este método reduce las tensiones mecánicas en la PCB debidas a cambios bruscos de temperatura, ya que tanto el calentamiento como el enfriamiento de la placa de circuito impreso se hace de forma gradual. Soldadura por chorro de aire caliente: Empleada en componentes SMD. Una bomba de aire impulsa a este a través de unos calefactores calentándolo hasta la temperatura de soldadura. El aire caliente se encauza hasta unas boquillas o toberas que tienen la forma adecuada para soldar el componente que se trate. Aplicando sobre las patillas de éste el chorro de aire caliente se producirá la soldadura del citado componente. En este sistema es necesario un ajuste adecuado del caudal de aire. Soldadura por rayo láser con aporte de material: Se emplea un rayo láser de tipo YAG (rayo láser que se genera a partir de un cristal especial, Ytrium Aluminium Garnet, granate de itrio y aluminio) de potencia moderada (en torno a los 20W). Para la soldadura se hace incidir el láser sobre el punto de soldadura produciéndose en éste una elevación de la temperatura por efecto del aporte de energía del láser. La elevación de la temperatura es lo suficientemente alta como para producir la soldadura por fusión de la aleación de soldadura. Soldadura por rayos infrarrojos o por rayos UVA: La elevación de la temperatura necesaria para la soldadura se consigue por medio de rayos infrarrojos generados en un horno de soldadura gracias a lámparas infrarrojas o a lámparas de rayos UVA. 10

11 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (I). El diagrama de fases de la aleación Sn-Pb: En la soldadura manual usada en electrónica se emplea una aleación de estaño y plomo (en ocasiones también con cierto contenido de plata) en proporciones determinadas. El comportamiento de dichas aleaciones en función de la temperatura viene descrito por un diagrama de fases: En el eje horizontal tenemos la composición de la aleación Sn-Pb en porcentajes, y en el eje vertical la temperatura. El punto en que la aleación se encuentra en estado líquido (o sea, fundida) con temperatura más baja se llama punto eutéctico. Dicho punto corresponde para aleaciones de Sn-Pb a un porcentaje del 63% de Sn y 37% de Pb a la temperatura de 183ºC. Para esta aleación el paso de sólido a líquido se produce de forma muy abrupta. Para aleaciones con otros porcentajes de componentes el paso de sólido a líquido se produce de forma gradual, pasándose por un estado pastoso intermedio en el que la aleación se encuentra en parte fundida y en parte en estado sólido. 11

12 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (II). Aleaciones de estaño usadas en electrónica Las aleaciones usadas en electrónica se pueden encontrar comercializadas en carretes de diferente tamaño (250g, 500g, 1kg, 2kg) y con diferentes diámetros de hilo (0,5mm, 0,7mm, 0,8mm, 1mm, 1,2mm). Suelen incluir una o varias almas de resina (flux) para facilitar la soldadura. Aleación de Sn/Pb 60/40: Es la aleación más usada. Muy cercana a la del punto eutéctico proporciona una transición de sólido a líquido lo suficientemente rápida. Empieza a fundir a 183ºC y está totalmente fundida a 188ºC. Aleación de Sn/Pb/Ag 62/36/2: Aleación trimetálica correspondiente al punto eutéctico. Funde a 179ºC. Evita la lixiviación (disolución) cuando se suelda en superficies chapadas en plata u oro. El riesgo de fracturas en la soldadura al enfriarse ésta es menor que con otras aleaciones. Aleación de Sn/Pb/Ag 5/93,5/1,5: Presenta un alto punto de fusión. Empieza a fundir a 296ºC. Está totalmente fundido a 301ºC. Se emplea en soldaduras que puedan soportar temperaturas elevadas. Proporciona uniones mecánicamente más resistentes que las aleaciones normales de estaño y plomo y soporta menores temperaturas que éstas sin volverse frágiles. Aleación de Sn/Pb/Ag 18/80/2: Permite soldar aluminio, latón, níquel, acero inoxidable y, por supuesto, cobre. Empieza a fundir a 178ºC y está totalmente fundido a 270ºC. Aleación de Sn/Cu 99/1: Aleación sin contenido en plomo. Actualmente se trata de eliminar el plomo de componentes y procesos en electrónica por cuestiones de salud y medio-ambientales. Empieza a fundir a 227ºC y está totalmente fundido a 240ºC. 12

13 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (III). En esta transparencia y la siguiente se muestran unas tablas con datos técnicos de las diferentes aleaciones de soldadura. 13

14 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (IV). ALLOY COMPOSITION: Composición de la aleación. MELTING POINT: Punto de fusión. TENSILE STRENGTH: Resistencia a la tensión. YIELD STRENGTH: Resistencia al estiramiento. UNIFORM ELONGATION: Elongación uniforme. WETTING CHARACTERISTICS: Característica de mojado. THERMAL FATIGUE RESISTANCE: Resistencia a la fatiga térmica. JOINT STRENGTH: Resistencia a la unión. POOR: pobre, malo. FAIR: justo. GOOD: Bueno. EXCELLENT: Excelente. 14

15 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (V). Las pastas de soldadura (I) Una forma diferente de presentación de las aleaciones de estaño para la soldadura blanda son las pastas de soldadura. Compuestas básicamente por resinas, que actúan como decapantes facilitando la soldadura, y por una alta concentración de partículas metálicas de la aleación de soldadura, en suspensión en las resinas. Las pastas de soldadura pueden comercializarse en botes sin dispensador o en contenedores que incluyen alguna forma de aplicador. Así, podemos encontrar recipientes en forma de jeringa o incluso rotulador: Las pastas de soldadura están pensadas para ser empleadas con dispositivos SMD. 15

16 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: estaño (VI). Las pastas de soldadura (II) Las pastas de soldadura se usan en la soldadura de componentes SMD. Industrialmente, la pasta de soldadura se aplica a la PCB antes de colocar los componentes mediante un proceso serigráfico. En este proceso se pueden dar muchos fallos. Para minimizarlos se deberá tener en cuenta lo siguiente: La pasta de soldar se debe almacenar correctamente antes de su uso a una temperatura entre -5ºC y 19ºC. En el momento de usar la pasta de soldar debe estar a la temperatura ambiente del recinto de serigrafía, que debe ser de 22ºC a 26ºC. Remover la pasta de forma minuciosa pero no enérgica, para conseguir una mezcla correcta de todos sus componentes. No remover más de dos o tres minutos. La humedad relativa en la sala de serigrafía debe estar comprendida entre el 40% y el 50%. Deben evitarse las corrientes de aire sobre la pantalla serigráfica. La pasta sobrante de un proceso serigráfico debe ser guardada a parte de la no usada para evitar posibles contaminaciones de la pasta no usada. En el empleo de pastas de soldadura a nivel no industrial se deben usar aquellas que se comercializan en botes con algún tipo de aplicador, ya que la técnica de aplicación de la pasta es totalmente manual. 16

17 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el flux (I). El flux (I) El flux es una mezcla de sustancias químicas (resinas) que tienen por objeto facilitar el proceso de soldadura blanda. Ello lo consigue de tres formas diferentes: 1. Limpiando las zonas a soldar de restos de óxidos, aceites y grasas. 2. Evitando que se forme nuevo óxido debido al calor de la soldadura. 3. Facilitando que el material de aporte fundido moje las superficies a unir. Para soldaduras manuales de componentes THD debe usarse una aleación de estaño en forma de hilo que incorpore uno o varios núcleos de flux. Este tipo de estaño se presenta en carretes: Para componentes SMD se recomienda también el hilo de estaño con almas de flux pero, además, suele ser necesario el empleo de flux líquido en procesos manuales de soldadura. 17

18 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el flux (II). El flux (II) Para que el flux sea efectivo ha de alcanzar una temperatura mínima llamada temperatura de activación. Dicha temperatura dependerá de la composición concreta de cada tipo de flux. Los tipos de flux son los siguientes: R Resina, fue el primer flux utilizado en la electrónica y aun se emplea. Esta hecho de la savia que emana de algunos arboles (no contiene haluros -grupo formado por un átomo de C y otro de F, Cl, Br, I o At- ni ácidos orgánicos). Adecuado para limpieza con solvente/detergente. El flux sobrante debe de ser retirado mediante lavado. RMA Resina Media Activada (bajo contenido en haluros y ácidos orgánicos débiles). Adecuado para limpieza con solvente/detergente. RA Resina Activada (contiene haluros y ácidos orgánicos débiles). Usado por algunos como no-clean (ver más abajo), usualmente con solvente/detergente. RSA Resina Super Activada (alto nivel de haluros y ácidos orgánicos). Limpieza con solvente/detergente. OA Orgánico Activado (alto nivel de haluros, alto nivel de ácidos orgánicos fuertes). Debe de ser lavado con agua o con detergente. NO-CLEAN Los residuos no se lavan, no degradan la Resistencia al Aislamiento de la Superficie (SIR). VOC-FREE Ácidos orgánicos débiles usualmente libres de resinas. El alcohol es reemplazado por agua. Se recomienda el uso de flux para reparar soldaduras defectuosas. De este modo se evita la retirada del estaño en mal estado y el posterior aporte de nuevo fundente. 18

19 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: los elementos a soldar (I). Cables (I) Un cable está formado por una cubierta aislante y un conductor central, que en electrónica será de cobre, formado por múltiple hilos. Los cables que se usan en electrónica pueden dividirse, desde el punto de vista de la soldadura, en dos tipos: Cobre sin estañar: los hilos de cobre que forman el conductor no tienen ninguna capa de aleación que facilite la soldadura. Cobre estañado: los hilos de cobre se han recubierto con una finísima capa de aleación de soldadura. Esto facilita la posterior soldadura del cable en los circuitos electrónicos. Cables estañados Cables sin estañar 19

20 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: los elementos a soldar (II). Cables (II) La soldadura de cables requiere una preparación previa de éste. Habrá que empezar por retirar (pelar) una cantidad suficiente de cubierta aislante, trenzar los hilos y, si no están estañados, estañarlos. Seguidamente habrá que cortar el conductor a la longitud necesaria para la soldadura y que tras ella no quede conductor sin proteger por su cubierta aislante: 20

21 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: los elementos a soldar (III). Hilos Llamamos hilos a los cables cuyo conductor está formado por un único hilo o filamento de metal (normalmente cobre). Los hilos presentan menos flexibilidad que los cables, por lo que no suelen ser adecuados para llevar a cabo conexiones entre partes diferentes de un mismo equipo. Aun así, no es extraño tener que realizar soldaduras de hilos. Al contrario que los cables, los hilos suelen venir estañados, pero si no fuese así deberemos de estañarlos antes de proceder a su soldadura. El pelado y corte del hilo habrá que efectuarlo de la misma forma que con los cables. Terminales de componentes Los terminales de los componentes THD son hilos desnudos y estañados. Para proceder a su soldadura no hay que efectuar ninguna operación especial, salvo quizás su limpieza de restos de óxidos, grasas y adhesivos. Por regla general, la patilla debe ser cortada tras la soldadura, no antes. En el caso de los componentes SMD sus terminales son o bien patillas muy cortas y cercanas unas de otras o bien unas zonas con forma de casquillo situadas en los extremos del componente. Sobra decir que la soldadura de este tipo de componentes es más dificultosa que la de los THD. THD SMD 21

22 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: los elementos a soldar (IV). Los pads de la PCB Los elementos visto hasta ahora pueden soldarse entre sí o bien hacerlo en una placa de circuito impreso (PCB). Si este es el caso, en la PCB se dispondrá de zonas específicas para ello. Estas zonas se llaman pads o nodos de soldadura: Los pads deberán adaptarse adecuadamente al componente que se soldará en él. Así, si se trata de un componente THD deberá incluir un agujero pasante. En todo caso, deberá tener el tamaño adecuado para poder realizar la soldadura por el método manual. 22

23 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (I). Clasificaciones de los soldadores usados en electrónica: Podemos hacer diferentes clasificaciones: Atendiendo a su alimentación: Eléctrico a red: se alimenta directamente de la red eléctrica. Eléctrico a baterías: se alimenta de unas baterías incluidas en el cuerpo del soldador. El cargador puede venir o no incluido al adquirir un soldador de este tipo. A gas: su funcionamiento es parecido al de un mechero. Llevan un depósito de gas que puede ser llenado por el usuario. Atendiendo a su potencia: De pequeña potencia: aquellos menores de 20W. De mediana potencia : con potencias comprendidas entre los 20W y los 40W. De gran potencia: aquellos con una potencia de más de 40W. Especiales: De calentamiento rápido o tipo pistola: la punta del soldador adquiere la temperatura adecuada en pocos segundos. Muy usado por técnicos de reparaciones. Eléctricos con temperatura ajustable: incorporan un mando ajustable en forma de tornillo mediante el cual se puede regular la temperatura del soldador. Eléctricos termostáticos: simplificación de los anteriores, son capaces de mantener la temperatura del soldador a un valor más o menos constante, unos 370ºC. 23

24 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (II). El soldador eléctrico alimentado directamente de la red (I): Es el soldador más habitual y usado de los enumerados hasta ahora. El despiece de un modelo típico de la marca JBC sería el siguiente: Las partes de un soldador eléctrico alimentado directamente desde la red eléctricas son las siguientes: Los modelos modernos incluyen una clavija de enchufe con toma de tierra (tipo Schuko). Esta toma de tierra está conectada a la punta del soldador evitando así la acumulación de cargas electrostáticas en ésta. De esta forma se evita la destrucción de dispositivos sensibles durante el proceso de soldadura. 24

25 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (III). El soldador eléctrico alimentado directamente de la red (II): El principio de funcionamiento de este soldador es muy simple. Al conectarlo a la red eléctrica circulará corriente por la resistencia del soldador, produciéndose su calentamiento por efecto Joule ( Q = 0.24 I2 R t, en calorías ). El calor producido en la resistencia pasa a la punta del soldador, por conducción térmica, calentándola hasta que se llega a la temperatura de equilibrio (a una temperatura ambiente dada, la necesaria para que la cantidad de calor suministrada a la punta sea igual a la cantidad de calor que la punta pierde, principalmente por convección). La temperatura que alcanza la punta de un soldador es de más de 350ºC y tarda en ser alcanzada unos 2 ó 3 minutos. Podemos encontrar soldadores de este tipo que incluyan un termostato para mantener la temperatura de la punta estable e incluso algunos modelos permiten el ajuste de la temperatura de la punta del soldador, mediante un mando en forma de tornillo, entre valores que suelen ser de 200ºC a 450ºC. 25

26 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (IV). El soldador eléctrico alimentado directamente de la red (III): Existe un modelo de soldador de los de este tipo que es usado mucho por técnicos de reparación en los desplazamientos a los domicilios. Se trata del soldador de calentamiento rápido o de tipo pistola: Tras pulsar el gatillo el soldador se calienta en pocos segundos. En la fotografía se puede apreciar que la punta difiere de la de los soldadores clásicos. Esto es así debido a que la punta es al mismo tiempo la resistencia del soldador. Cómo se consigue el calentamiento rápido? Haciendo pasar una corriente de varios amperios por la punta, con lo que ésta alcanza rápidamente la temperatura de operación (recordemos que el calor generado por una resistencia depende cuadráticamente de la corriente que la atraviesa). Ayuda además el hecho de que el calor se genera directamente en la punta, y por tanto no debe fluir hacia ella desde una resistencia externa. Estos modelos de soldador suelen incluir una pequeña bombilla de incandescencia a modo de linterna para iluminar la zona de trabajo. 26

27 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (V). El soldador eléctrico alimentado por baterías: Este tipo de soldador no se alimenta directamente de la red eléctrica, sino de unas baterías que se alojan en el cuerpo del soldador. Por tanto, el principio de funcionamiento es el de un soldador eléctrico, al igual que los anteriores. Un modelo de este soldador sería el siguiente: La principal utilidad de estos soldadores es la de poder realizar soldaduras en lugares en que no se disponga de la posibilidad de usar la red eléctrica, por ejemplo, el interior de un vehículo. La punta de estos soldadores alcanza temperaturas de unos 350º en un tiempo menor que los soldadores eléctricos convencionales, típicamente unos 10s. 27

28 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (VI). El soldador a gas: La forma de conseguir el calentamiento de la punta del soldador es, en este caso, por combustión de gas sin llama, normalmente butano, en una cámara de combustión que el soldador dispone a tal efecto. Esta cámara de combustión está rodeada por una especie de malla metálica que por efecto de la combustión pasa a ponerse al rojo vivo, calentando la cámara de combustión y ésta a la punta del soldador con la que se encuentra en contacto térmico. El gas que se quema en el soldador se almacena en éste en un depósito similar al que posee cualquier mechero. A continuación se muestran las fotografías de dos modelos de soldador a gas: Al igual que ocurría con el soldador eléctrico a baterías, el soldador a gas permite realizar soldaduras allí donde no es posible realizarlas con un solador convencional (eléctrico alimentado directamente de la red) por falta de suministro eléctrico. Los soldadores a gas incorporan un regulador que controla la cantidad de gas que se quema en cada instante. Con ello se consigue regular la temperatura de la punta: a más cantidad de gas quemado por unidad de tiempo mayor temperatura de la punta y viceversa. Estos soldadores, gracias a su regulación de combustión, pueden desarrollar potencias desde unos 20W hasta más de 100W, lo que en el caso de potencia máxima equivale a una temperatura de la punta de más de 550ºC. Otra característica notable de estos soldadores es la facilidad con la que es posible intercambiar sus puntas. Suelen incluir, además, una tobera que les permite convertirse en minisopletes. Por último, y como característica sobresaliente, se les puede colocar una punta especial con la que pasan a comportarse como un soldador de aire caliente, muy útil en la soldadura de componentes SMD. 28

29 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el soldador (VII). La potencia de los soldadores: Es posible encontrar soldadores de diferentes potencias. El tamaño del soldador viene determinado por la potencia que este consume (y disipa en forma de calor), ya que para una potencia dada a menor tamaño del conjunto resistencia-punta mayor será la temperatura que la punta alcanza (esto es necesario para alcanzar el equilibrio térmico entre calor generado y calor disipado). Como ya se ha comentado anteriormente, la energía disipada en forma de calor viene dada por la Ley de Joule: 2 Q=0.24 I R t=0.24 P t en calorías Si se tiene en cuenta que los soldadores se diseñan para que la temperatura de su punta esté comprendida entre unos 300ºC y 400ºC (hasta unos 550ºC en los de mayor potencia), cuál es el motivo de que existan soldadores de menor o mayor potencia? La respuesta es la posibilidad de transferir mayor o menor cantidad de energía (térmica) a la soldadura. Así, cuanto mayor sea el volumen y/o superficie de los materiales a unir mayor será la energía que hay que transferirles para que la soldadura se efectúe de forma correcta. Para soldar piezas metálicas relativamente grandes usaremos un soldador de gran potencia (60W a unos 200W). Para la soldadura manual de los componentes habituales THD se usará un soldador de potencia media (de 20W a 35W). Para componentes delicados y SMD un soldador de pequeña potencia será el adecuado (15W). 29

30 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: las puntas de los soldadores estándar (I). Existen diferentes empresas dedicadas a la fabricación de soldadores y elementos afines (JBC, Weller, Antex, Ersa, Xytronic, etc.) y cada una dispone de juegos de puntas para sus propios soldadores. Describir aquí todos los tipos de todas las marcas no tiene sentido. Así, centrémonos en la marca que usamos en nuestro aula taller: JBC. Esta marca dispone de una amplia gama de puntas de soldador, en la actualidad todas ellas de las llamadas de larga duración. Este tipo de puntas están construidas de forma que se evite la perdida del cobre de las puntas debido a la formación de óxido (que hay que eliminar de las puntas) y a la disolución del cobre en el estaño fundido, ya que el cobre es bastante soluble en la aleación de soldadura, más cuanto más alta la temperatura de trabajo: Como se puede apreciar en el dibujo, en lugar de ser una punta enteramente de cobre, las puntas de larga duración se fabrican añadiendo a la base de cobre una serie de capas de diversos metales. La limpieza de estas puntas no debe, por tanto, hacerse mediante raspado con cardas metálicas o similares, ya que de así hacerlo se dañarían esas capas metálicas que protegen la base de cobre de la oxidación y la disolución (lixiviación). El cobre de la punta se protege mediante capas de metales diferentes. Hierro y níquel son insolubles en el estaño pero pueden ser mojados por él. A su vez, el níquel protege al hierro de la oxidación. A partir de cierta distancia del extremo de la punta se añade una capa de cromo. El cromo no puede ser mojado por la aleación de soldadura y, por tanto, limita la zona de la punta del soldador que es posible estañar. 30

31 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: las puntas de los soldadores (II). En cuanto a los tipos de puntas, son muchas las disponibles. Un ejemplo de ellas podría ser el siguiente: La más popular de todas seguramente sea la punta cónica que confiere al soldador el aspecto de un lápiz, aunque quizás no sea la más versátil. El autor de estos apuntes/presentación lleva años usando una punta de tipo pico de pato y la considera más práctica que la cónica. 31

32 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: las estaciones de soldadura. Las estaciones de soldadura son equipos destinados a la realización de soldaduras de forma continua, no esporádica. Consisten en una unidad base (fuente de alimentación) a la que se conecta un soldador específico para trabajar con estaciones de este tipo. La estación suele alimentar al soldador con una tensión que ronda los 20V. Desde la unidad base se puede controlar la temperatura de la punta del soldador de forma más o menos precisa desde unos 150ºC hasta unos 450ºC. Existen unidades que incluyen una bomba de vacío para la aspiración de los humos propios de la soldadura. Los modelos más elaborados suelen realizar el control de la temperatura de forma digital e incluir un visualizador en la que se muestra su valor. 32

33 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el desoldador (I). Los desoldadores son herramientas que permiten desoldar de la PCB los componentes soldados a ella. Esto suele ser necesario en las reparaciones de equipos electrónicos. Existen varios tipos de desoldadores: De émbolo: se construyen a partir de un cilindro hueco de aluminio. Poseen una boquilla capaz de succionar el estaño fundido en uno de los extremos del cilindro. En el otro extremo del cilindro poseen un actuador que permite desplazar un émbolo hasta su posición de uso. El émbolo queda fijado en dicha posición a la vez que comprime un muelle. Para liberar el émbolo el desoldador incluye un botón que permite realizar tal acción. Al liberarse el émbolo éste retrocede hasta su posición de reposo produciendo un vacío en el interior del cilindro, vacío que succiona el estaño derretido. 33

34 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: el desoldador (II). De perilla: sobre el cuerpo de un soldador se monta un sistema, sustituyendo a la punta del soldador, formado por una punta de soldador hueca y una perilla de goma. De bomba de vacío: el sistema de desoldadura es similar a los dos anteriores, sólo que el vacío se consigue gracias a una bomba de vacío. Para este tipo de desoldadores se usa un artilugio muy parecido al desoldador de perilla, sólo que sin perilla, sustituyéndose ésta por un tubo de goma flexible que conecta con la bomba de vacío (ver diapositiva sobre la estación desoldadora). 34

35 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: la estación de desoldadura (I). Son aparatos específicos para realizar la desoldadura de los componentes electrónicos de la PCB. En el caso de estaciones de desoldadura para componentes THD consisten en una base que permite conectar un desoldador de bomba de vacío. La base es corriente que incorpore mandos para el control de la temperatura de la punta del desoldador y de la fuerza con la que se succiona el estaño fundido. 35

36 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: la estación de desoldadura (II). Para componentes SMD podemos encontrar dos tipos de bases. En uno de ellos la base es la encargada de suministrar la corriente para alimentar al elemento calefactor del desoldador. Este elemento puede de tipo pinza o bien un soldador al que se le acoplan puntas especiales para la desoldadura de componentes SMD, sobre todo para circuitos integrados: En el otro tipo la base incluye además un compresor de aire. El desoldador consiste en este caso en un soplete de aire caliente. Con la ayuda de unas cazoletas que impiden el deterioro de componentes adyacentes, los componentes SMD se desueldan mediante la fusión del estaño por el aire caliente. 36

37 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual: la estación de retrabajo (reworking). El retrabajo consiste en volver a ensamblar de forma correcta todos o parte de los componentes de una PCB debido a defectos o fallos en el proceso de fabricación. No es raro que tal ocurra, no pudiéndose descartar las tarjetas con defectos sin más debido al elevado coste que ello supondría. La estación de retrabajo se puede considerar como la unión de una de una estación de soldadura y una estación de desoldadura, pero además se le añade elementos para el posicionado de componentes SMD. Un ejemplo de estación de retrabajo de la marca JBC es la siguiente estación: 37

38 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual. Elementos complementarios: crisoles. Son elementos cuya función es la de facilitar el estañado de hilos, cables y patillas de componentes para su posterior correcta soldadura. Son elementos prescindibles en la mayoría de las ocasiones, usándose sólo si el volumen de elementos a estañar es elevado. Están constituidos por un recipiente contenedor de la aleación de soldadura (vaso) y por una resistencia eléctrica que calienta el vaso hasta la temperatura adecuada de uso. Para su empleo hay que tener en cuenta que es necesario impregnar ligeramente en flux el elemento a estañar. 38

39 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual. Elementos complementarios: soportes. Los soportes permiten manejar con seguridad tanto soldadores como desoldadores. Su función es la de habilitar un sitio de reposo de estos elementos sobre la mesa de trabajo, sin importar si están fríos o calientes. Algunos modelos de soportes comerciales son los siguientes: Como puede apreciarse, además del soporte en sí, formado en muchos casos por una especie de muelle, la base del soporte dispone de un receptáculo que contiene una esponja a base de celulosa. Esta esponja debe permanecer siempre húmeda (húmeda, no empapada) y se usa para la limpieza de la punta de los soldadores. Simplemente hay que frotar la punta de los mismo, en caliente, sobre la esponja para conseguir la necesaria limpieza de ésta. Decir que es posible el adquirir esponjas de repuesto. 39

40 Estudio de los elementos implicados en la soldadura manual. Elementos complementarios: otros. Piedra de limpieza de puntas: Cuando la punta del soldador está muy sucia no suele ser suficiente la esponja de limpieza para dejarla en correcto estado de uso. Existen en el mercado unas piedras de limpieza que permiten la limpieza de las puntas en esos casos. Las piedras están formadas por una mezcla de flux sólido y de arena (sílice). En ocasiones también incluyen partículas de aleación de estaño. Es asombroso ver actuar a una de estas piedras. Consiguen una limpieza realmente profunda de la punta del soldador. Dispensadores de estaño: Son elemento que aumentan la comodidad de manipulación del hilo de aleación de soldadura. Los hay de diferentes formas, aunque es recomendable que tenga forma tubular por cuestiones que veremos más adelante. En la imagen aparece un modelo con forma toroidal (de carrete). 40

41 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (I). 1. La preparación de los elementos a soldar: Es el primer paso a dar. En el caso de los cables e hilos consistirá en el pelado y estañado. En el caso de patillas de componentes consistirá en su limpieza y doblado para su inserción en regletas o PCBs. En el doblado de las patillas de los componentes THD se debe procurar dejar una separación de 2 ó 3mm entre el cuerpo del componente y el doblez. 2. La soldadura de elementos en una PCB: Tras introducir la patilla del componente o el hilo o cable estañado por el orificio pasante se deberá proceder a la soldadura. La técnica de soldado es la siguiente: Calentar de forma simultánea con el soldador tanto el pad de la PCB como la patilla del componente durante 1 ó 2s. 41

42 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (II). Añadir aleación de estaño NO A LA PUNTA DEL SOLDADOR, sino directamente al pad da la PCB, teniendo en cuenta que se debe aportar la cantidad justa de aleación de soldadura, ni más ni menos (ésto sólo lo da la práctica). El soldador no debe retirarse de forma inmediata, sino que se debe dejar 1 ó 2s más tras haber añadido estaño. Pasado este intervalo de tiempo debe retirarse el soldador y dejar que la soldadura se solidifique sin forzar a que lo haga, es decir, no soplar ni hacer nada que provoque un enfriamiento prematuro de la soldadura. Si el proceso se ha realizado correctamente, el aspecto de la soldadura será brillante y con la cantidad justa de estaño: 42

43 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (III). 3. Los defectos de la soldadura: Son varios los defectos que pueden darse en una soldadura, pero cualquiera de ellos estará relacionado con una o varias de las siguientes cuestiones: I. Cantidad de calor suministrado en el proceso de soldadura. II.Cantidad de fundente aportado a la soldadura. III.Limpieza de los elementos a soldar. IV.Tamaño de los pads de soldadura. Así, referente a la cantidad de calor suministrado en el proceso de soldadura tendremos como defectos la soldadura fría (se aportó poca cantidad de calor) y la soldadura requemada o pasada (demasiada cantidad de calor). Tanto un tipo de defecto como otro provocan una mala unión eléctrica y mecánica de los elementos soldados. Soldadura fría Soldadura requemada Soldadura correcta La soldadura fría se evita por un lado dejando el tiempo necesario para que el soldador alcance la temperatura de trabajo y por otro lado calentando con éste tanto el pad de soldadura como la patilla del componente. No olvidar que el soldador ha de permanecer unos instantes en la soldadura tras haber aplicado el estaño. La soldadura requemada es evidente cómo hay que evitarla. 43

44 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (IV). En cuanto a la cantidad de estaño que se aporta a la soldadura, las siguientes imágenes dan una idea de cuál es la cantidad correcta: Demasiado estaño. Cantidad de estaño correcta. La limpieza de las partes a soldar es fundamental para poder realizar soldaduras de calidad. Por tanto, habrá que limpiar de restos de óxidos y otros desechos tanto las patillas de los componentes como los pads de la PCB. Pero además, hay que procurar no ensuciar las partes limpias tocando innecesariamente con los dedos los elementos a soldar. Por último, el tamaño de los pads de soldadura es decisivo para realizar una soldadura correcta. En concreto, un pad demasiado pequeño dificulta enormemente la soldadura e incluso puede hacerla imposible. Para una soldadura manual el tamaño de los pads debe ser como mínimo de 3.2mm2, salvo que ello no sea posible por imposición de las medidas de un componente. 44

45 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (V). 4. La soldadura en PCBs de doble cara: Se realiza de forma similar a la soldadura de componentes en PCBs de simple cara, sólo que la patilla de cada componente debe ser soldada en ambas caras, es decir, dos veces. Como precaución especial habrá que tener cuidado de no requemar la soldadura de la patilla del componente de la otra cara. Para ello no debe dejarse demasiado tiempo el soldador en la soldadura que se esté realizando, digamos que como máximo 1s. 5. La soldadura de componentes sobre regletas de conexión y/o terminales de conexión: A veces, cuando el circuito a montar no es demasiado complicado, se realizan soldaduras sobre regletas de conexión. En otras ocasiones es necesario hacerlo sobre terminales de conexión. Estas regletas y terminales presentan el siguiente aspecto: Para la soldadura sobre este tipo de elementos se ha de tener en cuenta lo ya dicho sobre la soldadura en PCBs en cuanto a la consecución de una soldadura de calidad. La técnica de colocación de componentes para la soldadura es muy simple: todo aquello que se deba soldar en este tipo de elementos debe insertarse en el agujero que cada terminal de la regleta o cada terminal de conexión incluyen al efecto: 45

46 La práctica de la soldadura manual de elementos THD (VI). 6.Algún que otro consejo y/o truco para la realización de soldaduras: Consejo: Colocar el componente a soldar a la altura deseada respecto de la placa antes de soldarlo. Cualquier retoque posterior de la altura necesitará refundir el estaño de las soldaduras, lo que provocará que una soldadura correcta pase a ser una soldadura pésima. Consejo: No mover el componente que se está soldando hasta que el estaño no esté totalmente solidificado. De no hacerlo así se tendrá una soldadura con muy altas posibilidades de fallo del tipo más desquiciador, el fallo intermitente. Consejo: No inhalar los humos que se producen durante la soldadura. Truco: A veces puede hacernos falta una tercera mano cuando se estamos soldando. Cuando tal ocurra siempre podemos ayudarnos de la boca para aplicar estaño a la soldadura. Para ello se debe usar un dispensador de estaño de forma tubular, ya que de otra forma no podríamos asirlo correctamente con la boca. Truco: Si la esponja del soporte del soldador no es suficiente para limpiar adecuadamente su punta y no disponemos de una piedra de limpieza, se puede usar una hoja de papel doblada varias veces para tal fin. Para ello frotaremos enérgicamente con el papel la punta del soldador, en caliente, y seguidamente le añadiremos estaño. Tras esto se debe retirar el estaño añadido con la esponja del soporte. 46

47 La soldadura de conectores. La soldadura de conectores requiere una especial atención y cuidado. En este tipo de soldaduras se deberá soldar los extremos de una serie de cablecillos en los puntos adecuados del conector en cuestión. Es fundamental el estañado de dichos cables y su corte a una longitud mínima antes de la soldadura. La longitud mínima recomendada es de 1mm. Si se siguen estas reglas al pie de la letra se podrá realizar la soldadura de conectores con garantía de éxito. Los pasos en detalle para realizar la soldadura de un conector son los siguientes: I. Desmontar el conector. Si la carcasa de éste es de una sola pieza debe introducirse el conjunto de cables a su través. II. Preparar los cables estañándolos y cortándolos tal como se ha indicado. III. Preparar los puntos de conexión del conector añadiendo a cada uno de ellos una pequeña cantidad de estaño. IV. Realizar la soldadura de cada cable en su lugar correspondiente del conector. Si al realizar una soldadura la funda de un cable se retrae hacia atrás hay que desoldarlo y retocar su longitud antes de volver a soldarlo. V. Una vez completadas todas las soldaduras inspeccionar con meticulosidad el estado de cada una y la existencia de posibles cortocircuitos entre algunas de ellas. No es mala idea el uso de un instrumento de medida (polímetro) para comprobar que las conexiones son correctas. Revisar también si existen cables que presenten falta de aislante, lo cual puede dar lugar a cortocircuitos ulteriores.. VI. Montar el conector. 47

48 La práctica de la soldadura manual de elementos SMD (I). Para la soldadura de componentes SMD habrá que empezar por comprobar la limpieza de los pads de la PCB. En caso de que se observe restos de oxido o cualquier otra sustancia se deberá proceder a la limpieza de ésta. Tras ello se deberá proceder al posicionado del componente SMD de forma precisa. En principio es posible fijar el componente mediante algún adhesivo, pero no se recomienda este sistema debido a la posible necesidad futura de desoldar el componente para efectuar su sustitución por avería del original. En los sistemas de soldadura que se describirán no se hace uso de adhesivos 1. La soldadura mediante soldador: Para este tipo de soldadura se ha de usar un soldador de pequeña potencia (máximo 20W) con una punta bien lo suficientemente fina en su extremo, bien una punta especial para soldadura por ola. Partiendo del componente correctamente posicionado, distinguiremos dos casos diferentes: a) El componente a soldar es un integrado: en este caso soldaremos dos esquinas opuestas del componente. Seguidamente aplicaremos flux líquido a una línea completa de patillas y procederemos a soldar dicha línea. Si el soldador tiene una punta cónica trataremos de soldar las patillas de la línea una a una (si algunas se cortocircuítan no pasa nada, se arreglará mas adelante). Si la punta que posee el soldador es para soldadura por ola la técnica de soldado será diferente. Se añadirá aleación de soldadura directamente sobre la punta del soldador en el hueco o depresión que tiene para tal fin y se hará una pasada de la punta por la línea de patillas. Tras esta pasada, gracias al flux, las patillas quedarán soldadas: 48

49 La práctica de la soldadura manual de elementos SMD (II). Estos procesos se repetirán hasta que el total de patillas del componente estén soldadas. A continuación sólo queda eliminar el estaño sobrante, que además es el que estará provocando los posibles cortocircuitos. Para ello se hará uso de trenza de desoldadura: Estas trenzas suelen incluir en su interior flux sólido que posibilita que el estaño sobrante fluya a la trenza por capilaridad una vez que éste se ha fundido. Para usar la trenza para retirar el estaño sobrante sólo hay que interponer dicha trenza entre las soldaduras y el soldador caliente. Al fundirse el estaño será absorbido por la trenza. 49

50 La práctica de la soldadura manual de elementos SMD (III). b) El componente a soldar es un componente discreto: una vez colocado el componente en su sitio se aplicará flux líquido, tras lo cual se soldará con un soldador de pequeña potencia con punta cónica lo suficientemente pequeña. Se ha de procurar usar el estaño estrictamente necesario, aunque en caso de excedernos siempre podremos hacer uso de la trenza de desoldadura. 2. La soldadura mediante hornos eléctricos: En lugar de usar aleación de soldadura en hilo y un soldador eléctrico convencional, se usará pasta de soldadura y un horno eléctrico. Como en el caso anterior, se procede a la limpieza exhaustiva de los pads de soldadura. A continuación se aplica pasta de soldadura a los pads en los que se deba soldar los componentes SMD. Tal aplicación no es necesario que sea demasiado en detalle: Seguidamente se posicionaran todos los componentes SMD que deban ser soldados. Esta operación se va a ver dificultada por la presencia de pasta de soldadura, por lo que habrá que realizarla con suma atención y cuidado. Una vez posicionados los componentes éstos quedarán fijados en su posición por la pasta de soldadura hasta que se produzca su soldadura. 50

51 La práctica de la soldadura manual de elementos SMD (IV). El siguiente paso es la introducción de la PCB con sus componentes SMD en el horno eléctrico. A modo orientativo, los pasos que habría que dar serían los siguientes: a) Con el horno en caliente a una temperatura de unos 220ºC, introducir la PCB en él. b) Dejar la PCB un tiempo de 1 minuto aproximadamente. c) Apagar el horno, abrir su puerta y dejar enfriar antes de sacar la PCB. Si con estos tiempos y temperaturas no se obtiene un resultado satisfactorio habrá que experimentar hasta dar con los valores correctos en nuestro caso (puede variar según el tipo de pasta de soldadura y el horno eléctrico del que se disponga). Sólo resta retirar el exceso de estaño de las soldaduras y limpiar los restos de flux que queden sobre la PCB. Esto último será fácil si hemos tenido la precaución de usar una pasta de soldadura del tipo WATER SOLUBLE, o sea, soluble en agua, ya que un paño húmedo nos permitirá realizar la limpieza. 51

52 La práctica de la soldadura manual de elementos SMD (V). Por último, decir que debido al reducido tamaño de los componentes SMD, si bien no en todos los casos del cuerpo del componente pero sí de sus patillas de conexión, se suelen emplear aparatos ópticos de aumento para el trabajo con componentes SMD. Así, existen en el mercado una serie de lentes de aumento (lupas), en diferentes formatos, para ayudarnos en el trabajo con componentes SMD: 52

53 La práctica de la desoldadura (I). La desoldadura de componentes requiere de también de cierta técnica. No de debemos olvidar el objetivo: extraer un componente sin dañarlo a él ni a los componentes vecinos o a la propia PCB. Veamos algunas de las técnicas de desoldadura: 1. Desoldadura con soldador: Aunque parezca un contrasentido, el soldador puede emplearse también para la desoldadura de componentes... siempre y cuando se empleen además otras herramientas auxiliares, tales como destornilladores de pala, alicates de punta recta y punta curva. Existen además conjuntos de herramientas muy útiles para este fin: La técnica de desoldado consiste en fundir el estaño de la soldadura con el soldador y, con ayuda de alguna herramienta, tirar de la patilla del componente hasta deshacer la soldadura. Una vez el componente ha sido retirado habrá que proceder a la retirada del estaño de los pads de soldadura. Para ello es muy útil el empleo de trenza de desoldadura, cuyo uso ya se ha explicado anteriormente. 2. Desoldadura con elementos succionadores de estaño: La técnica consiste en fundir el estaño de la soldadura y proceder a la succión de éste mediante el desoldador que se este empleando. Es evidente que si dicho desoldador no incluye un elemento calefactor que funda el estaño, habrá que fundirlo empleando un soldador convencional. Como en el caso anterior, tras la retirada del componente habrá que retirar el estaño de los pad. En este caso se puede realizar esta operación con el mismo desoldador, aunque nada impide hacerlo también con trenza de desoldadura. 53