Soldadura por onda vs. soldadura por reflujo: comparación exhaustiva para ensamblaje PCB

Mientras la electrónica contemporánea abraza la ligereza, la eficiencia creciente y la alta velocidad, cada eslabón del proceso de fabricación se adapta a esta filosofía, incluido el ensamblaje de placas de circuito impreso (PCB). La soldadura ha jugado un papel esencial en el éxito de los productos electrónicos, ya que las conexiones eléctricas derivan de una soldadura precisa. Comparada con la soldadura manual, la soldadura automática se ha adoptado ampliamente por sus méritos de alta precisión y velocidad, y las demandas de gran volumen y alta rentabilidad. Como tecnologías de soldadura líderes para el ensamblaje, la soldadura por onda y la soldadura por reflujo se han aplicado más ampliamente al ensamblaje de alta calidad; sin embargo, las diferencias entre ambas tecnologías siguen confundiendo a muchos, y cuándo debe usarse cada una también es vago.

Diferencias entre soldadura, soldadura fuerte y brasado

Antes de la comparación formal entre soldadura por onda y por reflujo, es necesario entender las diferencias entre soldadura, soldadura fuerte y brasado (Figura 1). Brevemente, la soldadura fuerte se refiere al proceso en que dos metales similares se funden para unirse. El brasado se refiere al proceso en que dos piezas de metal se unen calentando y fundiendo un material de aporte o aleación a alta temperatura. La soldadura blanda es en realidad un brasado a baja temperatura, y su material de aporte se llama estaño.

En el ensamblaje PCB, la soldadura se aplica a través de pasta de soldadura. La soldadura con pasta que contiene sustancias peligrosas como plomo, mercurio, etc. se llama soldadura con plomo, mientras que la soldadura con pasta sin sustancias peligrosas se llama soldadura sin plomo. La soldadura con o sin plomo debe elegirse según las demandas específicas de los productos para los que se diseñarán los PCB ensamblados.

Soldadura por onda

Como su nombre indica, la soldadura por onda combina PCBs y componentes a través de una "ola" líquida formada como resultado de la agitación de un motor. El líquido es estaño fundido. Se lleva a cabo en una máquina de soldadura por onda (Figura 2).

Proceso de cuatro pasos

1. Pulverización de flux. La limpieza de superficies metálicas es el elemento básico para garantizar el rendimiento de la soldadura, dependiendo de las funciones del flux. El flux juega un papel crucial en la implementación fluida de la soldadura. Funciones principales: eliminar óxido de la superficie metálica de placas y patillas de componentes; proteger placas de oxidación secundaria durante el proceso térmico; reducir la tensión superficial de la pasta de soldadura; y transmitir calor.
2. Precalentamiento. En un bastidor a lo largo de una cadena similar a una cinta transportadora, las placas viajan a través de un túnel de calor para precalentar y activar el flux.
3. Soldadura por onda. A medida que la temperatura sube constantemente, la pasta de soldadura se vuelve líquida con una ola formada desde el borde de las placas que viajan por encima. Los componentes se unen sólidamente a las placas.
4. Enfriamiento. El perfil de soldadura por onda se ajusta a una curva de temperatura. Al alcanzar el pico en la etapa de soldadura por onda, la temperatura desciende, lo que se llama zona de enfriamiento. Tras enfriarse a temperatura ambiente, la placa estará ensamblada con éxito.

Cuando las placas se colocan en un bastidor listo para pasar por soldadura por onda, el tiempo y la temperatura están estrechamente asociados con el rendimiento de la soldadura. En cuanto a tiempo y temperatura, una máquina profesional de soldadura por onda es necesaria, mientras que la pericia y experiencia del ensamblador de PCB rara vez son fáciles de obtener ya que dependen de la aplicación de tecnologías actualizadas y enfoque empresarial.

Si la temperatura es demasiado baja, el flux no se fundirá correctamente, reduciendo la capacidad de reaccionar y disolver óxido y suciedad en la superficie del metal. Además, la aleación no se generará por flux y metal si la temperatura no es lo suficientemente alta. Otros factores como velocidad de la banda transportadora, tiempo de contacto con la ola, etc. deben considerarse.

En general, incluso usando el mismo equipo de soldadura por onda, diferentes ensambladores ofrecen distinta eficiencia de fabricación debido a métodos de operación y nivel de conocimiento sobre cómo operar la máquina.

Soldadura por reflujo

La soldadura por reflujo une permanentemente componentes que primero se pegan temporalmente a sus pads en las placas usando pasta de soldadura que se fundirá mediante aire caliente u otra conducción de radiación térmica. Se implementa en una máquina llamada horno de reflujo (Figura 3). Como implica su definición, los componentes eléctricos se adjuntan temporalmente a los pads de contacto antes de la soldadura usando pasta de soldadura.

Este proceso contiene principalmente dos pasos preparatorios. Primero, la pasta de soldadura se coloca con precisión en cada pad a través de una plantilla de pasta de soldadura. Luego, los componentes se colocan en los pads por una máquina pick-and-place. La soldadura por reflujo real no comienza hasta que esas preparaciones se han hecho.

Cuatro fases del reflujo

• Precalentamiento. Sirve dos propósitos: permite que las placas alcancen consistentemente la temperatura requerida para cumplir con el perfil térmico; y expulsa los solventes volátiles contenidos en la pasta de soldadura. De lo contrario, la calidad de la soldadura se verá comprometida.
• Inmersión térmica (Thermal Soak). Similar a la soldadura por onda, el reflujo también depende del flux contenido en la pasta de soldadura. La temperatura debe alcanzar un nivel en el que el flux pueda activarse, o el flux no cumplirá su papel en el proceso de soldadura.
• Reflujo. Esta fase ocurre cuando se alcanza la temperatura pico, permitiendo que la pasta de soldadura se funda y refluya. El control de temperatura juega un papel crucial. Temperatura demasiado baja impide que la pasta de soldadura refluya suficientemente; demasiado alta puede dañar componentes SMT o placas. Por ejemplo, un paquete BGA contiene múltiples bolas de soldadura que se funden durante el reflujo. Si la temperatura no alcanza el nivel óptimo, esas bolas pueden fundirse de forma desigual, y la soldadura BGA puede sufrir por retrabajo.
• Enfriamiento. La temperatura bajará pronto tras alcanzar la temperatura máxima. El enfriamiento hace que la pasta de soldadura se solidifique, fijando permanentemente las piezas en los pads de contacto de las placas.

La soldadura por reflujo puede aplicarse tanto en ensamblaje SMT como THT (through-hole), pero se usa principalmente en el primero. En aplicación de reflujo en ensamblaje THT, suele confiarse en pin-in-paste (PIP). Primero, la pasta de soldadura rellena los agujeros en las placas. Luego, las patillas de los componentes se enchufan en los agujeros, con algo de pasta saliendo por el otro lado. Finalmente, se implementa la soldadura por reflujo para completar la soldadura.

Soldadura por onda vs. soldadura por reflujo

La diferencia entre ambas nunca puede ignorarse ya que muchos usuarios no saben cuál elegir al comprar servicios de ensamblaje PCB. Una modificación en términos de soldadura tiende a causar cambios en todo el proceso de fabricación. Estos cambios incluyen eficiencia de fabricación, coste, tiempo de mercado, ganancias, etc.

La diferencia esencial radica en la pulverización de flux —la soldadura por onda contiene este paso, mientras que la de reflujo no. El flux permite eliminación de dióxido y reducción de tensión superficial en el material a soldar. El flux solo funciona cuando está activado, lo que requiere adherencia rigurosa a control de temperatura y tiempo. Como el flux está contenido en la pasta de soldadura en reflujo, el contenido de flux debe organizarse y lograrse adecuadamente.

Los defectos de soldadura parecen inevitables. Es imposible determinar qué tecnología crea más defectos que la otra, ya que el proceso difiere cada vez. A pesar de la inevitabilidad, su frecuencia puede reducirse cuando los ensambladores se ajustan a regulaciones profesionales de fabricación, y conocen plenamente las características y rendimiento de todos los equipos en la línea. Además, el personal de ingeniería debe estar cualificado y formarse regularmente para mantener el ritmo del progreso tecnológico moderno.

En general, la soldadura por reflujo funciona mejor para ensamblaje SMT, mientras que la por onda funciona mejor para THT o DIP. No obstante, una placa casi nunca contiene solo SMDs (dispositivos de montaje superficial) o componentes through-hole. En ensamblaje mixto, SMT se lleva normalmente primero y luego THT o DIP, ya que la temperatura requerida para reflujo es mucho mayor que para onda. Si se invierte la secuencia, la pasta de soldadura sólida podría fundirse de nuevo, con componentes bien soldados sufriendo defectos o incluso cayendo de la placa.

Este artículo fue escrito por Dora Yang, Ingeniera Técnica en PCBCart, Hangzhou, China. Para más información, haga clic aquí.