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Soldadura - El Proceso de Soldadura
¿Que es Soldadura?
La Soldadura es un metal fundido que une dos piezas de metal, de la misma manera que realiza la operación
de derretir una aleación para unir dos metales, pero diferente de cuando se soldan dos piezas de metal para
que se unan entre si formando una unión soldada.
En la industria de la electrónica, la aleación de estaño y plomo es la más utilizada, aunque existen otras
aleaciones, esta combinación da los mejores resultados. La mezcla de estos dos elementos crea un suceso
poco común. Cada elemento tiene un punto elevado de fundición, pero al mezclarse producen una aleación con
un punto menor de fundición que cualquiera de los elementos para esto debemos de conocer las bases para
soldar. Sin este conocimiento es difícil visualizar que ocurre al hacer una unión de soldadura y los efectos de las
diferentes partes del proceso.
El estaño tiene un punto de fundición de 450º F; el plomo se funde a los 620º F. Ver grafica, en este
diagrama de proporción de Estaño/Plomo consiste de dos parámetros, uno de ellos es la temperatura en el eje
vertical y la otra es la concentración en el eje horizontal. La concentración de estaño es la concentración del
plomo menos 100. En el lado izquierdo del diagrama puede ver 100% de estaño, en el lado derecho del
diagrama puede ver 100% de plomo. Las curvas dividen la fase líquida de la fase pastosa. La fase pastosa de
la izquierda de la línea divide el estado líquido del estado sólido. Usted puede ver que estas líneas se unen en
un punto correspondiente a una temperatura de 183º C o 361º F, a este punto se le llama punto eutectico. La
aleación 63% estaño y 37% plomo tienen la misma temperatura sólida y líquida. Pastoso o en pasta significa
que existen ambos estados, sólido y líquido. Entre mas alto sea el contenido de plomo, mayor será el campo
pastoso. Entre mas alto sea el estaño menor será el campo pastoso. La soldadura preferida en la electrónica es
la aleación eutectica debido a su inmediata solidificación.
Diagrama de Fase
Plastic
Liquid
Solid
Eutectic Solder
Percentage of Tin
Tin-Lead Phase Diagram
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Teoría de Soldadura
Antes de hacer una unión, es necesario que la soldadura ”moje” los metales básicos o metales base que
formaran la unión. Este es el factor más importante al soldar. Al soldar se forma una unión intermolecular entre
la soldadura y el metal. Las moléculas de soldadura penetran la estructura del metal base para formar una
estructura sólida, totalmente metálica.
Si la soldadura se limpia mientras esta aun derretida, será imposible retirarla completamente. Se ha vuelto
una parte integral de la base. Si un metal graso se sumerge en agua no se “mojara” no importa que tan degado
sea el aceite, se formarán bolitas de agua que se pueden sacudir de la superficie. Si el metal se lava en agua
caliente utilizando detergente y se seca con cuidado, sumergiéndolo de Nuevo en agua, el líquido se extenderá
completamente sobre la superficie y formara una pequeña capa. Esta capa de agua no se puede quitar a
menos que se seque. El material esta entonces “mojado”. Cuando el agua moje el metal entonces esta
perfectamente limpio, de tal forma la soldadura mojara el metal cuando las superficies de la soldadura y del
metal están completamente limpias. El nivel de limpieza que se requiere es mucho mayor que con el agua sobre
el metal. Para tener una Buena unión de soldadura, no debe de existir nada entre los dos metales. Casi todos
los metales se oxidan con la exposición al aire y hasta la capa más delgada impedirá que la soldadura moje el
metal.
Capas Intermetalicas
-Es una unión de soldadura se forma una capa
de compuesto intermetálico entre el estaño y
el metal base.
- La velocidad de crecimiento de la
capa
intermetálica se incrementa al aumentar
la
temperatura.
Wetting:
Es la acción que tiene lugar entre la
soldadura líquida y la superficie sólida de
la parte a ser soldada.
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El flux o desoxidante sobrepasa la mayor parte de este problema, como se vera mas adelante.
Cuando se unen dos superficies limpias de metal y se sumergen en soldadura fundida, la soldadura mojara
el metal y subirá hasta llenar los espacios entre las superficies contiguas. A esto se le conoce como la acción
capilar. Si las superficies no están limpias, no ocurrirá la operación de mojado y la soldadura no llenara la
unión. Cuando las tablillas con orificios cromados por una ola de soldadura, es esta fuerza la que llena los
orificios y produce un llenado en la superficie superior. La presión de la ola no es lo que produce, esto si no la
acción capilar de la soldadura.
Todos hemos visto insectos que caminan sobre la superficie de un estanque sin mojarse las patas. Ellos se
apoyan sobre una capa o fuerza invisible llamada tensión de la superficie. Esta es la misma que hace que el
agua se conserve en bolitas sobre el metal aceitoso. La tensión de la superficie es la capa delgada que se ve
sobre la superficie de la soldadura derretida. Los contaminantes de la soldadura pueden incrementar la tensión
de la superficie y la mayoría pueden controlarse cuidadosamente. La temperatura de la soldadura también
afectara la tensión de la superficie, reduciéndola al incrementar su temperatura. Este efecto es pequeño
comparado al de la oxidación.
Flux
El propósito del flux
Reduce óxidos en todas las superficies involucrados en la unión de soldadura.
Reduce la tensión superficial de la soldadura fundida.
Ayuda aprevenir la reoxidación de la superficie durante la soldadura.
Ayuda a transferir calor a las superficies a soldar.
Tipos de Flux
R – Resina, fue el primer flux utilizado en la electrónica y aun es empleado. Esta hecho de savia que
emana de algunos árboles (no haluros/no ácidos orgánicos). Adecuado para limpieza con
solvente/saponificador. Este flux debe de ser lavado.
RMA – Resina Media Activada (haluros limitados, ácidos orgánicos débiles limiados) Adecuado para
limpieza con solvente/saponificador
RA – Resina Activada (haluros/ácidos orgánicos débiles). Usado por algunos como no-clean,
usualmente con solvente/saponificador.
Dewetting:
Fenomeno en la cual la soldadura fundida se
retira de una superficie previamente mojada.
Causas posibles son superficies intermetálicas
pasivadas en PCB’s con HASL, metal base
oxidado en las terminales de los componentes y
otras superficies metálicas, etc.
No Wetting:
Cualquier contaminante como óxido en la
superficie a ser soldada sera una barrera
que impedirá el mojado.
Capa de Oxido
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RSA – Resina Super Activada (alto nivel de haluros y ácidos orgánicos). Limpiado con
solvente/saponificador.
OA – Organico Activado (alto nivel de haluros, alto nivel de ácidos orgánicos fuertes). Debe de ser
lavado con agua o saponificador
NO-CLEAN – Los residuos no se lavan, no degradan la Resistencia al Aislamiento de Superficie
(SIR).
NO-CLEAN
RESINA NATURAL Y SINTETICA – Ácidos Orgánicos débiles y haluros.
RESINA NATURAL Y SINTETICA – Ácidos orgánicos débiles solamente (sin haluros).
VOC-FREE – Ácidos orgánicos débiles usualmente libres de resinas. El alcohol es reemplazado
por agua.
Soldadura por Ola
FLUX
--- Control de Contenido de Sólidos
1.
Gravedad Específica
fluxes de altos sólidos (> 10%).
2.
Titulación
Fluxes bajos a medios en sólidos (< 10%).
Los fluxes utilizados en los sistemas sellados no pierden solvente y por lo tanto no requieren de este control.
--- Métodos de Aplicación
1.
Espuma
2.
Ola
Utilizados para fluxes tipo OA, RMA y RA
Requieren control estricto del contenido de sólidos.
3.
Spray
Utilizado para fluxes No-Clean.
SOLDADURAS
Aleación Estándard: 63% de Estaño y 37% de Plomo
La aleación eutectica 63% de Sn y 37% de Pb es una aleación especial donde la fusion ocurre a
una sola temperatura que es de 183º C (361º F).
Impurezas Metálicas: Pueden:
Causar defectos severos de cortos (particularmebte cuando el hierro excede 0.005% y el Zinc
excede 0.003%).
Debilitar la resistencia de la union de la soldadura.
Incrementar la razón de formación de escoria.
Side View
Side View
View
Fluxer
Preheaters
Solder Wave
Cooling
Stage
Conveyor
FLUX
AERATOR
SHOP AIR
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Causar uniones opacas o granulosas.
Reducir la capacidad de mojado (particularmente el azufre).
Impurezas No Metálicas: (Oxidos Incluidos).
Las impurezas no metálicas u óxidos inluidos se mojan muy bién en la soldadura fundida y no se
separan de la soldadura de la escoria.
Los óxidos incluidos incrementan la viscosidad de la soldadura fundida, causando cortos y picos
(icicles).
Los óxicos incluidos pueden ser medidos mediante la Prueba de Inclusión de Escoria (Dross
Inclusion Test).
PRECALENTADORES Y OLAS
Función del Percalentamiento
Evapora los solventes del flux (IPA, Agua)
Previene choque térmico de los PCB y de los componentes.
Activa el Flux.
Permite que la soldadura fluya atraves del PCB.
Tipos de Precalentadores
1.
Radiante
Habilidad pobre para evaporar el agua de los fluxes (VOC Free), pudiéndose generar bolas de
soldadura.
Transparencia de calor selectiva.
2.
Convección Forzada
Alta eficiencia en transparencia de calor.
Volatiza el agua de los fluxes (VOC Free).
Wav
e
Solder
Reservoir
Printed
Circuit
Board
SOLDER POT
PREHEATER 1
PREHEATER 2
CONVEYOR
SPEED
MICROPROCESSOR
BOARD TEMPERATURE
SETTING
200°
Velocidad
Conveyor
Precalentadores
Micro-Proceso
Temp. PCB
Setting
Solder Pot
200º C
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