Dominando las plantillas PCB: Guía completa para soldadura de precisión

La fase de impresión es la parte más crítica del ensamblaje de PCB. También es la más delicada, ya que el más mínimo error puede arruinar el PCB electrónico terminado. Los errores suelen producirse durante el montaje de las uniones de soldadura en los pads del PCB.

Debes estar atento a los errores cuando estás creando cientos, incluso miles de uniones de soldadura una por una. Sin embargo, una solución definitiva que elimina los errores que podrían surgir durante el montaje de componentes es la plantilla PCB.

Con el estencilado PCB, puedes montar todas las uniones de soldadura en la placa en una sola pasada. Te ayuda a ahorrar una cantidad considerable de tiempo y elimina cualquier margen de error en la unión de soldadura.

En esta guía encontrarás todo lo que necesitas saber para empezar con el estencilado de pasta de soldadura.

Qué es una plantilla PCB

1.1 Plantillas PCB – Definición

Una plantilla es una lámina delgada de material que presenta una formación de aberturas que determinan la disposición de los componentes en el PCB. Con la plantilla de soldadura, puedes depositar las cantidades adecuadas de pasta de soldadura con precisión impecable de una sola vez en toda la placa.

Tu placa queda lista para la instalación de los SMD una vez que aplicas pasta de soldadura sobre un pad del PCB cubierto con la plantilla. Al retirar la plantilla, el depósito de pasta de soldadura queda en la placa según la formación de las aberturas de la plantilla.

La deposición impecable de pasta de soldadura garantiza que las uniones de soldadura sean óptimas en cuanto a resistencia mecánica y conexiones eléctricas.

Actualmente, la mayoría de los proveedores de pads PCB también producen plantillas PCB. Cuando pides a estos proveedores, te dan la opción de recibir tu PCB junto con su plantilla personalizada.

No obstante, existen dos tipos de plantillas: con marco y sin marco. Aunque las sin marco son más baratas y fáciles de almacenar, son la segunda mejor opción para impresión de alto volumen.

El material de la plantilla es un determinante principal de su capacidad para liberar pasta de soldadura a través de las aberturas. Descubrirás más sobre esto en las secciones posteriores de esta guía.

Sin embargo, puedes mejorar la capacidad de liberación de pasta de una plantilla aplicando un tipo específico de recubrimiento.

1.2 Plantillas PCB – Diseño de plantilla para PCB

A continuación se presenta un desglose de los elementos críticos del diseño de plantillas:

Espesor de la plantilla

Es otro determinante crucial de la capacidad de una plantilla para liberar la pasta de soldadura. Si el espesor no es adecuado para el tamaño de las aberturas, no lograrás la unión de soldadura requerida. En este caso, la pasta puede adherirse a las paredes internas de las grietas debido a la tensión superficial.

Diseño de aberturas

El diseño de las aberturas puede afectar las uniones de soldadura de muchas maneras. Primero, determina las posibilidades de aparición de defectos como puentes y bolas de soldadura. También puede proporcionar un sellado tipo junta entre la plantilla y el PCB.

Plantillas PCB – Alineación

Es el determinante definitivo de la precisión con la que imprimes uniones de soldadura en los pads. Puedes lograr una alineación excelente inscribiendo marcas de registro llamadas marcas fiduciales tanto en el PCB como en la plantilla.

Diseño específico para PCB

Los PCB con pads de cobre que promueven la conductividad y la disipación de calor en los pads requieren plantillas con diseños únicos. En tales casos, un diseño de plantilla para placas sin pads de cobre provocaría desprendimiento de cobre y mala soldadura de las patillas externas.

Para eliminar tales defectos, necesitas agregar un "efecto ventana" al diseño de la abertura. Esto elimina los defectos moderando el volumen de soldadura.

Si los pads de cobre en el pad del PCB vienen con vías que mejoran aún más la disipación, se requiere un diseño de plantilla diferente. El diseño de la plantilla debe evitar el depósito de pasta de soldadura en las vías.

También hay casos donde un pad del PCB requiere el uso de plantillas de espesor variable. En tales casos, puede haber piezas de paso fino que necesitan plantillas delgadas y piezas más grandes que requieren plantillas más gruesas.

Puedes cumplir tales requisitos usando plantillas multinivel que tienen áreas step-up y step-down. Puedes crear espacios step-up añadiendo más material a un área seleccionada de la plantilla.

Eso aumenta la cantidad y altura de pasta de soldadura en las uniones formadas en esa área. Lo contrario ocurre en el área step-down.

Hasta ahora está claro que el espesor es uno de los aspectos más críticos de una plantilla PCB. En el próximo capítulo, veremos el papel de la consistencia en una plantilla PCB.

Espesor de plantilla PCB

La combinación de tamaño de pad, formación de aberturas y espesor determina la capacidad de deposición de pasta de la plantilla. Sin embargo, incluso si la formación de aberturas y el tamaño del pad son apropiados, la deposición óptima de pasta es imposible sin el espesor correcto de la plantilla.

Factores a considerar antes de elegir el espesor de la plantilla

A continuación se presenta un desglose de factores críticos que debes considerar al seleccionar el espesor de tu plantilla:

Relación de aspecto

El espesor determina la cantidad y altura de la pasta de soldadura que forma una unión de soldadura. Cuanto menor la cantidad, mayor la posibilidad de desconexiones y menor la de puentes.

Esta correlación, llamada "aspect ratio", resulta de las diferencias en las fuerzas que actúan sobre la pasta mientras se desliza a través de la abertura. Estas incluyen la fuerza que empuja la pasta más allá de la abertura y la que mantiene la pasta dentro de los huecos.

El contraste entre estas dos fuerzas se representa mediante una medida conocida como Relación de Aspecto. Para lograr una deposición óptima de pasta, debes asegurar que la Relación de Aspecto sea mayor que uno.

La tensión superficial entre la pasta y el pad debe superar a la que existe entre la pasta y la pared de la abertura. La Relación de Aspecto se puede deducir determinando la relación entre el ancho de la abertura y el espesor de la plantilla (W/T).

No obstante, los estándares de la industria definen los criterios para determinar el espesor de plantilla más adecuado para un tamaño de abertura. El límite inferior del estándar industrial para la Relación de Aspecto es 1.5.

Plantillas PCB – Relación de área

Otra medida crítica para determinar cómo el espesor de una plantilla afecta su capacidad de liberación de pasta es su relación de área. La relación de área es la relación entre el área superficial de la abertura y el área superficial de la pared de la abertura.

El límite inferior del rango de áreas superficiales del estándar industrial es 0.66.

Paso QFP y BGA

Además, al determinar el espesor apropiado para tu plantilla, debes considerar cuidadosamente el paso fino QFP, BGA y el tamaño de chip más pequeño.

Para un QFP con paso ≤ 0.5 mm, el espesor de tu plantilla debe estar entre 0.12 mm y 0.13 mm. Un QFP con espesor > 0.5 mm requiere espesor de plantilla de 0.15 mm – 0.20 mm.

Para un BGA con paso de bola de 1.0 mm o más, el espesor apropiado es 0.15 mm. Para un BGA con paso entre 0.5 mm y 1.0 mm, debes elegir 0.13 mm para el espesor de la plantilla.

Es aún más imperativo considerar el BGA o los componentes menores si vas a colocar diferentes ICs simultáneamente en la placa.

Tamaños de plantilla SMT

Las reglas para determinar el espesor apropiado de plantilla para un ensamblaje SMT son más intrincadas. Sin embargo, también es imperativo considerar las relaciones de aspecto y área al determinar tamaños de plantilla SMT.

Para un ensamblaje SMT que utiliza grabado químico, la relación de aspecto apropiada es 1:1.5. Para plantilla de corte láser tipo paso, la relación de aspecto adecuada es 1:1.12.

Además, ahora que estás equipado con información adecuada sobre las cualidades esenciales, estás listo para explorar fabricantes de plantillas PCB. El próximo capítulo te muestra cómo.

Fabricante de plantillas PCB

Una cosa es adquirir una lámina delgada de material con el espesor correcto. Sin embargo, es un juego completamente distinto perforar agujeros de tamaños perfectos en ellas.

Dado que una plantilla PCB debe tener cientos o incluso miles de agujeros alineados con alta precisión, no es aconsejable perforar agujeros manualmente.

Los tres métodos más utilizados para fabricar plantillas con agujeros apropiados son grabado químico, corte láser y electroformado. Cada uno de estos métodos puede llevar la superficie de la pared del poro a un acabado diferente; cuanto más suave el acabado, más eficiente la liberación de pasta.

El más popular entre estos tres fabricantes de plantillas PCB es el cortador láser.

En este capítulo, te mostraremos cómo hacer plantillas PCB usando un cortador láser. Ten en cuenta que esta técnica no es adecuada para crear plantillas con pasos muy ajustados.

Necesitarás las siguientes herramientas para esta técnica:

• 1. Cortador láser
• 2. Hojas de Mylar
• 3. Software ExpressPCB o EagleCAD
• 4. Software de visualización Gerber ViewMate
• 5. Software de impresión PDF
• 6. SketchUp, AutoCAD o cualquier software que visualice y edite archivos .dxf

Los pasos

1. Apilar la hoja de Mylar

Apila dos hojas de Mylar juntas. En esta técnica, calentarás las hojas hasta que la primera se separe de la pila. En el proceso, la segunda hoja absorberá el pad fundido de la primera, permitiendo que la primera se retire limpiamente.

2. Exportar el archivo de diseño desde ExpressCAD o EagleCAD:

En EagleCAD, exporta tus capas superior e inferior de crema a través de un archivo cam, como envías Gerbers para fabricación. En ExpressPCB, abre el menú Archivo y selecciona la opción "Exportar dibujo mecánico DXF".

3. Plantillas PCB – Expandir pads en ViewMate

Si usas software que exporta Gerbers, necesitas compensar la fusión inducida por el proceso de corte. Como la fusión hará que el tamaño del pad aumente, debes reducir preventivamente el tamaño del pad.

Primero, selecciona Archivo > Importar > Gerber para importar tus capas de crema a ViewMate. Luego, elige Configuración > Códigos D. Selecciona todas las columnas en esta área y abre Operaciones > Expandir. Escribe el valor para los ajustes de tamaño según las especificaciones de tu láser.

Después, imprime el Gerber a PDF y guarda.

4. Expandir pads con AutoCAD

Si usas ExpressPCB, también podrías necesitar escalar el contenido del DXF usando diferente software. Puedes hacerlo con AutoCAD. Para ello, selecciona todos los dibujos en la ventana abierta de AutoCAD e ingresa "ESCALA".

En el diálogo Factor de escala que aparece, ingresa la cifra de escala apropiada. Renderizará el dibujo en las escalas correctas.

Una vez hecho esto, imprime el dibujo terminado a PDF.

5. Plantillas PCB – Cortar las plantillas

Ajusta la configuración de tu cortador láser para cortar las hojas de Mylar apiladas. La primera hoja se fundirá un poco debido al calor del láser. Sin embargo, la segunda absorberá el pad fundido de la primera, permitiéndote extraer la primera hoja de forma limpia y eficiente.

Hasta ahora hemos examinado un fabricante de plantillas PCB ampliamente utilizado. Sin embargo, el tipo y las cualidades de tu plantilla PCB siguen siendo los determinantes más cruciales del éxito en el estencilado PCB. En el próximo capítulo, diseccionamos más a fondo los tipos y cualidades de plantillas de pasta de soldadura.

Plantillas PCB – Plantilla de pasta de soldadura

Además del diseño de la plantilla PCB, cuatro factores deben considerarse críticamente al obtener una plantilla de pasta de soldadura:

El material de la plantilla

El material es tan crítico para el éxito del estencilado PCB como el diseño de la plantilla. Las láminas delgadas suelen estar hechas de metal o poliamida. Las plantillas de metal (típicamente acero inoxidable) son las más ideales para producir numerosos prototipos.

Las plantillas de acero inoxidable permiten la formación de aberturas más precisas. La estructura molecular del acero inoxidable proporciona paredes de aberturas mucho más suaves y te permite lograr una relación de aspecto efectiva rápidamente.

Sin embargo, como son más caras, son excesivas para producir unos pocos prototipos. Las plantillas de poliamida son una alternativa mucho más barata. Cuando se entregan mediante técnica de corte láser, también pueden crear excelentes aberturas.

Tipo de plantilla de soldadura

Existen dos tipos de plantillas de pasta de soldadura: con marco y sin marco. Las plantillas con marco, también llamadas plantillas pegadas, son láminas de plantilla cortadas con láser y fijadas permanentemente en un marco de plantilla.

Las plantillas con marco son la mejor opción para impresión de PCB de alto volumen. Como suelen venir con paredes de aberturas muy suaves, son las más adecuadas cuando se requieren pasos muy ajustados.

Las plantillas de pasta de soldadura sin marco, también producidas mediante corte láser, vienen con sistemas de tensión. Con estos sistemas, no necesitan venir fijadas en un marco. Esto hace que sea mucho más fácil almacenarlas.

Son ideales para tiradas cortas de producción de PCB. También tienen aberturas suaves. Además, puedes usarlas para pads PCB que requieren 16 Mil o menos de paso y Micro BGAs.

Plantillas PCB – Pasta de soldadura

El flux y las aleaciones en una pasta de soldadura también pueden afectar el grado en que las uniones de soldadura mantienen los componentes. Si el cambio en la unión de soldadura es insuficiente, la soldadura no sujetará firmemente las piezas en la placa.

El recubrimiento de la plantilla

Existen varios tipos de recubrimiento para plantillas PCB que ayudan a abordar problemas específicos en el estencilado PCB. Para empezar, es bastante difícil limpiar placas después de grandes tiradas de producción.

Puedes limpiar fácilmente el exceso de soldadura de la parte inferior de un PCB para evitar que el exceso manche otras placas. Sin embargo, es extremadamente doloroso hacer lo mismo en grandes tiradas de producción.

Con ciertos tipos de recubrimiento, puedes reducir la soldadura residual en las paredes de las aberturas que distorsionan la formulación requerida de pasta de soldadura/flux.

Ahora que tienes una comprensión más clara de los tipos y cualidades de las plantillas PCB, estás mejor preparado para implementar el estencilado PCB. El siguiente capítulo te da una visión más cercana de algunos equipos esenciales para fabricar una plantilla PCB.

Impresora de plantillas PCB

Las impresoras de plantillas PCB son famosas por sus capacidades de impresión repetibles y sin defectos. Estas impresoras suelen ser ideales tanto para producción de PCB de bajo como de alto volumen.

Existen dos tipos principales de impresoras de plantillas SMT: automáticas y semiautomáticas. También hay impresoras manuales diseñadas explícitamente para producción de prototipos y tiradas cortas.

Algunas características críticas de las impresoras SMT incluyen destornillador, controladores de velocidad y sistemas de cámara que facilitan la alineación del PCB. Las operaciones suelen girar en torno al ajuste de configuraciones de tamaño de plantilla y la colocación de la plantilla en un montador de marco.

Una impresora típica te permite configurar la velocidad de impresión, longitud de carrera, presión de la rasqueta y más. Las impresoras SMT también vienen con pantallas que muestran detalles de la operación.

También tienen compartimentos que limpian la parte inferior de las plantillas mediante acciones como humedecido, secado y aspirado. Los pasos de aspirado expulsan la soldadura residual atrapada en las aberturas.

Plantillas PCB – Cortador láser de plantillas PCB

Es un sistema láser que utiliza haces de alta potencia para perforar agujeros en las plantillas según parámetros dictados por software informático.

Automatiza completamente la creación de aberturas en plantillas, eliminando el estrés y los márgenes de error. Cuando cortas tu plantilla PCB usando cortadores láser, puedes estar seguro de que los bordes y las paredes de las aberturas serán óptimamente suaves.

Los sistemas láser de plantillas suelen ser altamente versátiles. Con láseres, puedes cortar, taladrar y ablatar tanto plantillas como pads PCB hechos de una amplia variedad de materiales.

Los cortadores láser PCB también tallan plantillas sin producir polvo, como ocurre con los sistemas de corte mecánico tradicionales. Hace una gran diferencia en la electrónica PCB que incluye componentes ópticos.

Ahora ya sabes todo lo que necesitas saber sobre las cualidades y fabricantes de una plantilla PCB. Veamos cómo todo se une en un ensamblaje PCB de bajo volumen.

Conclusión

Ahí lo tienes. Hemos diseccionado el estencilado PCB por dentro y por fuera y te hemos mostrado todo lo que necesitas saber. Armado con este conocimiento, estarás mejor preparado para evitar errores específicos de impresión que podrían arruinar tu proyecto PCB.

Además, puedes contactarnos cuando te sientas perdido en el proceso de fabricación de PCB. Tenemos tanto experiencia de primer nivel como equipos de última generación para ayudarte a superar cualquier problema en la plantilla PCB.