Guía Experta: Solución de Problemas de Soldadura por Onda en PCB

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¿Qué es la Soldadura por Onda?

La soldadura por onda es un tipo de proceso de soldadura usado durante la fabricación en masa de placas de circuito impreso, o PCB. El proceso de soldadura por onda permite a los fabricantes soldar rápida y confiablemente grandes placas de circuito impreso. El proceso obtiene su nombre de la ola de soldadura sobre la que se pasa cada placa. Usar una ola de soldadura en lugar de puntos de soldadura individuales produce uniones de soldadura que son mecánica y eléctricamente confiables.

El proceso de soldadura por onda es efectivo tanto para el método convencional de ensamblaje PCB through-hole como para el método más nuevo de montaje superficial.

Entonces, ¿qué hay en una máquina de soldadura por onda, y cómo funciona el proceso?

En su núcleo, una máquina de soldadura por onda estándar comienza con un componente: un tanque calentado de soldadura que se mantiene a la temperatura requerida para el proceso de soldadura específico que está teniendo lugar. Dentro del tanque, el técnico configura una ola de soldadura, luego pasa cada PCB a través del tanque, para que la parte superior de la ola de soldadura haga contacto con la parte inferior del PCB.

Los diseñadores necesitan estar conscientes de dos problemas mayores cuando se trata de diseñar placas de circuito impreso que van a ser soldadas por onda.

• Espaciado de pistas: Si las pistas que necesitan ser soldadas están demasiado juntas, la soldadura líquida puede fluir entre ellas. El cortocircuito no solo de las dos pistas conectadas, sino posiblemente de todo el PCB, es el resultado.

• Resistencia de soldadura: Tener una capa de resistencia de soldadura en la placa de circuito impreso no es tanto un problema como lo era en el pasado, ya que una capa de resistencia de soldadura está en el plano como práctica estándar. Aún así, verificar que una máscara de soldadura o capa de resistencia de soldadura es parte del plano de su PCB siempre es una buena cosa que hacer, y ayuda a prevenir accidentes desafortunados.

Una vez que la placa a soldar ha sido verificada para espaciado de pistas y una capa de resistencia de soldadura, es hora de aplicar flux. El flux ayuda a asegurar que las áreas de la placa que necesitan ser soldadas están limpias y libres de oxidación. Hay dos formas diferentes de aplicar flux, dependiendo de las circunstancias.

• Flux en spray, que puede aplicarse como una niebla fina y seguirse con un chorro de aire comprimido para remover cualquier exceso.
• Flux de espuma, que se aplica a la placa desde un tanque de flux regular. Un cilindro plástico con pequeños agujeros se sumerge en el tanque de flux. Una vez que el cilindro ha sido bien y verdaderamente sumergido, una chimenea metálica puede ajustarse sobre la parte superior. El aire puede entonces forzarse a través del cilindro para hacer subir espuma a través de la chimenea. La parte inferior del PCB puede entonces recubrirse en esta espuma de flux.

Una vez que ha tratado la parte inferior de la placa con flux, es hora de precalentar la placa. Debido a la forma en que la soldadura se aplica como parte del proceso de soldadura por onda, las placas de circuito impreso que han sido soldadas por onda son sometidas a enormes cantidades de calor, mucho más que si hubieran sido soldadas manualmente. Sin precalentamiento, las placas de circuito pueden terminar con todo tipo de defectos de soldadura, todos debido a choque térmico.

Para ayudar a minimizar las posibilidades de choque térmico, las placas que necesitan ser soldadas por onda deben calentarse lentamente a la temperatura requerida.

¿Cuáles son algunos de los defectos que pueden ocurrir en placas soldadas por onda si no se precalientan?

Defectos de Soldadura por Onda y Remedios

Solo porque hay maquinaria involucrada en el proceso de soldadura por onda no significa que sea menos propensa a errores que soldar cada unión a mano. Ya sea que use un tanque de soldadura o un soldador manual, necesita tratar la soldadura como la ciencia precisa que es, controlando cuidadosamente dónde y qué suelda.

De lo contrario, terminará con cualquiera de varios defectos de soldadura como los listados abajo:

1. Relleno Insuficiente de Agujeros

El relleno insuficiente de agujeros es un problema que ocurre en placas de circuito impreso con agujeros pre-taladrados para que los componentes se monten en la placa. Esencialmente, el relleno insuficiente de agujeros ocurre cuando una cantidad inadecuada de soldadura ha llenado los agujeros taladrados para los componentes, significando que la soldadura no se adherirá a la placa de circuito una vez que se enfríe. Hay varias razones para el relleno insuficiente de agujeros:

• El flux se aplicó incorrectamente y no penetró a través de la placa, significando que la soldadura no se activó y no pudo unir los componentes correctamente.

• La temperatura del lado superior de la placa no es lo suficientemente alta para volver la soldadura fundida para que pueda subir a través de los agujeros.

• No hubo suficiente placa en la ola de soldadura. Si no suficiente de la placa hace contacto con la ola, muy poca soldadura es empujada hacia los agujeros pasantes.

La mejor forma de arreglar estos problemas es pasar por otra serie de verificaciones pre-soldadura. Verifique el tipo de flux que está usando, y asegúrese de que hay un volumen suficiente para cubrir todo el PCB. Este paso también ayudará con el segundo problema: precalentamiento insuficiente.

Dado que la soldadura fluye hacia el calor, la soldadura no fluirá tan bien si los orificios pasantes de su PCB no están a la temperatura correcta. Mientras que la temperatura "correcta" depende de los estándares operativos de su empresa, la regla general es entre 300 y 340 grados Fahrenheit, o aproximadamente 150 a 170 grados Celsius.

Todo el ensamblaje necesita alcanzar esta temperatura antes de que la placa haga contacto con la ola. Si no está seguro si sus orificios pasantes están alcanzando la temperatura correcta, tome un perfil del proceso de soldadura por onda, debería verse exactamente igual o muy similar a los procesos de reflujo de su placa.

Mientras toma un perfil del proceso de soldadura por onda, también puede verificar la altura de su placa, es decir, cuánto de la placa está expuesta a la ola en un momento dado. Intente tener al menos la mitad del grosor de la placa corriendo en la ola de soldadura en un momento dado, lo que permitirá que la presión hidrostática de la ola empuje la soldadura hacia el orificio pasante.

2. Componentes Levantados (Tombstoning)

Los componentes levantados, también conocidos como lápidas, son componentes que se han elevado de la placa durante el proceso de soldadura. Hay varias causas comunes de lápidas, incluyendo:

• Longitudes de terminales incorrectas, que pueden causar que los componentes se levanten de la placa cuando entran en el baño de soldadura.
• Intentar realizar soldadura por onda en un PCB flexible, que se doblará mientras el resto de los componentes se mantienen planos, causándoles levantarse de la placa.
• Usar componentes con requisitos variables para tipo de soldadura y temperatura.

Para arreglar las longitudes de terminales incorrectas, mire qué terminales está usando. Si sus terminales son demasiado largos, golpear el baño de soldadura puede empujarlos fuera del orificio pasante. Para arreglar esto, puede aumentar el tiempo de inmersión en la ola, lo que debería reducir la demanda térmica en los terminales y permitirles asentarse.

Para corregir el flexionamiento del PCB u otros problemas relacionados con flex, verifique qué tipo de PCB está usando y cuáles son sus tolerancias térmicas. El flexionamiento de la placa es común en conectores grandes y en paquetes IC grandes o zócalos. PCB que flexionan desde el principio, como plástico, no deberían ser soldados por onda, ya que la ola de soldadura puede causar que el plástico se doble y levante los componentes lejos de la placa.

Finalmente, una vez que ha verificado las tolerancias térmicas de su placa, verifique las tolerancias térmicas de todos sus componentes. Componentes que tienen diferentes demandas de temperatura o temperaturas de soldabilidad de terminales también pueden levantarse al contacto con la ola, ya que algunos componentes sueldan hacia abajo, mientras que el exceso de calor empuja otros lejos. Asegúrese de que todos los componentes que está usando tienen los mismos requisitos, lo que debería ayudar a prevenir ese tipo de problemas.

3. Exceso de Soldadura

El exceso de soldadura es el resultado de su placa tomando una acumulación de soldadura al pasar por un tanque de soldadura por onda. Aunque esto aún termina haciendo una conexión eléctrica entre la placa y el componente en cuestión, será difícil para usted o quien más mire la placa saber exactamente qué está pasando dentro de la soldadura misma.

Puede haber varias razones por las que podría tener demasiada soldadura en sus conexiones:

• Tener los mismos tipos de componentes orientados en direcciones diferentes
• Usar longitudes de terminales incorrectas en sus procesos de diseño
• Ejecutar su cinta transportadora demasiado rápido

La primera causa es una solución fácil. Asegúrese de que todos sus componentes de un solo tipo, por ejemplo, todas sus baterías, miren la misma dirección cuando entren en el tanque de ola. Así, si un componente mira "lejos" del tanque cuando entra, todos los otros componentes de ese tipo deberían mirar esa dirección también.

Arreglar las protrusiones de terminales, que son causadas por longitudes de terminales incorrectas en el proceso de diseño, también puede ayudar a prevenir exceso de soldadura. Si el terminal es demasiado largo, la soldadura puede acumularse contra él y volverse excesiva. Para resolver esto, decida una longitud de terminal que no se extienda demasiado más allá de las superficies de sus pistas. Por ejemplo, la NASA usa una longitud de terminal de 2.29 mm, justo lo suficiente para sobresalir de la pista para soldar.

Si sus componentes están todos orientados en la misma dirección y sus longitudes de soldadura son precisas, podría necesitar ralentizar su cinta transportadora. Una cinta transportadora que va demasiado rápido puede terminar volcando ola tras ola de soldadura en los componentes de su placa al pasar por el tanque de soldadura. La solución más fácil para este problema es hablar con su gerente de proyecto sobre velocidades de cinta transportadora aceptables.

4. Bolas de Soldadura (Solder Balling)

La formación de bolas de soldadura puede ocurrir cuando pequeños trozos de soldadura se vuelven a adherir al PCB, específicamente cerca de los terminales, al pasar por el proceso de soldadura por onda. Causas comunes de formación de bolas de soldadura pueden incluir:

• La temperatura de la soldadura en el tanque es demasiado alta.
• La soldadura cae de vuelta en la ola al separarse de la placa, lo que puede causar que el exceso de soldadura salpique de vuelta a la placa.
• Gases liberados por flux calentado pueden causar que la soldadura líquida escupa de vuelta a la placa.

La mejor forma de arreglar problemas generales de bolas de soldadura está en el diseño del PCB mismo. Cuando llega el momento de elegir la máscara de soldadura que usa en su diseño de PCB, intente encontrar una que tenga la menor posibilidad de permitir que la soldadura se adhiera a ella en primer lugar. Al elegir la mejor máscara de soldadura para su diseño, puede ayudar a hacer su diseño de placa más robusto.

Las bolas de soldadura causadas por gases de flux calentado usualmente provienen de un reflujo excesivo en el aire alrededor de su tanque de soldadura por onda, o una caída en el nitrógeno presente en el ambiente. Verifique cuánto aire está fluyendo hacia el tanque de soldadura, así como la cantidad de nitrógeno presente en el ambiente de su tanque de soldadura. Mantener un ojo cuidadoso en ambos ayudará a aliviar problemas de bolas de soldadura causados por rebote de flux calentado.

Hay varias razones por las que la soldadura podría caer de vuelta en la ola: si hay material volátil aún en el flux, qué tan alta es la ola de soldadura, etc. La mejor forma de llegar a la raíz del problema es ejecutar su ola de soldadura con una tarjeta blanca sobre la parte superior de la ola, pero sin placas procesando. Ejecute la misma prueba con un par de placas de prueba pasando por la ola, y compare los resultados.

5. Banderas de Soldadura (Solder Flags)

Las banderas de soldadura son pequeñas protrusiones de soldadura que sobresalen de los extremos de sus terminales. Aunque aún le permitirán formar una conexión eléctrica adecuada con los otros componentes en la placa, indican tanto aplicación incorrecta de flux como problemas con cómo la soldadura drena de su placa.

Causas comunes para banderas de soldadura incluyen:

• Drenaje lento de la soldadura de la máquina de soldadura por onda, dejando una cantidad excesiva de soldadura en el terminal, que "banderea" hacia un lado mientras drena.

• Rastros de soldadura que parecen bigotes, comúnmente el resultado de flux aplicado incorrectamente.

• Almacenamiento incorrecto de sus terminales de soldadura, que puede causar oxidación que su soldadura no podrá adherir fácilmente.

El drenaje lento usualmente es causado por mal control entre la separación de la ola de soldadura y la placa. En la mayoría de los casos, esto es porque el reflujo de la ola de soldadura no está configurado correctamente, asegúrese de que el suyo está configurado para una ola estilo "lambda". Si el reflujo de su ola de soldadura está configurado correctamente, la soldadura fluirá a la misma velocidad y en la misma dirección que la placa cuando se separe de la ola. Si necesita, puede ejecutarlo ligeramente más rápido. Sin embargo, ejecutarlo lentamente, o no hacerlo en absoluto, aumentará banderas/picos de soldadura.

La oxidación puede ser el resultado de terminales cortados o almacenados incorrectamente. Si sus terminales no son cortados internamente, verifique con su proveedor cómo cortan sus terminales. Extremos cortados al descubierto pueden causar que sus terminales se oxiden, especialmente si se almacenan por mucho tiempo. Si su taller corta terminales internamente, tiene más control sobre cómo se cortan y almacenan, así como por cuánto tiempo permanecen en almacenamiento. Todos estos tres factores dejan el terminal abierto a oxidación, haciéndolo mucho más difícil de humedecer con soldadura cuando llega el momento de pasarlo por la ola.

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