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1.0 INTRODUCCIÓN:
Dos de los procesos más críticos que resultan
indispensables para realizar con éxito los trabajos de Tecnología
Montada en Superficie (SMT) y Arreglos en Malla de Bolas (BGA) en la
mesa de trabajo son, desafortunadamente, los dos que menos atención
reciben: 1) El calentamiento previo adecuado del sustrato del circuito
impreso antes de proceder con el reflujo, y 2) Dar comienzo a un rápido
“enfriamiento” de las uniones efectuadas con el soldador después del
reflujo. Esto aplica a todos los trabajos llevados a cabo en la mesa de
trabajo, desde diseños y prototipos y producción de bajo volumen hasta
retoques y arreglos del montaje de la placa (PCB).
El hecho de que los dos procesos fundamentales de calentamiento previo y
enfriamiento posterior sean ignorados con frecuencia por los técnicos
que laboran en la mesa de trabajo presenta muchos problemas. Lo que es
peor aún, en el caso de los retoques, costosas placas (PCB) que se dan
por “reparadas” quedan, en realidad, en peores condiciones después del
retoque que antes de que éste se realizara. Aunque ciertas fallas
ocasionadas por el “retoque” pueden ser detectadas en algunas ocasiones
por un inspector de operaciones posteriores cualificado, en muchos casos
el daño no siempre salta a la vista ni resulta manifiesto en un examen
de circuitos.
En este artículo me ocupo de la disciplina del retoque o retrabajado y
de los arreglos, pero hay que tener presente que todo lo que aquí
aparece aplica de igual modo a los trabajos de diseño y prototipo y a
las operaciones de bajo volumen en el montaje de las placas (PCB).
[VOLVER AL PRINCIPIO]
1.1
EL CALENTAMIENTO
PREVIO: EL PRERREQUISITO PARA REALIZAR CON ÉXITO EL PROCESO Y LA
SOLDADURA EN LA MESA DE TRABAJO:
Sin lugar a dudas, la aplicación de elevados niveles térmicos (600°-
800°F) a la placa (PCB) por largos períodos de tiempo puede introducir
la posibilidad de muchas complicaciones. Los daños térmicos tales como
levantamiento de capas y pistas, la separación de los planos del
sustrato (delamination), la creación de manchas y cruces blancas bajo la
superficie de la lámina superior (measling) o la formación de burbujas,
la decoloración, y que se combe y queme la placa, pueden ser usualmente
identificados por un inspector cualificado. Sin embargo, el simple hecho
de no haber “quemado la placa” no significa que ésta no haya sufrido
daños. El daño “no visible” causado a las placas (PCB) por las altas
temperaturas puede llegar a ser aún peor que los numerosos problemas
mencionados arriba. Tras décadas de innumerables pruebas, se ha
demostrado una y otra vez que las placas (PCB) y sus componentes pueden
“aprobar” las inspecciones y pruebas posteriores a los retoques, sólo
para fallar después a un nivel más elevado de lo normal debido a la
degradación sufrida por el circuito y los componentes durante el
“retoque” realizado utilizando temperaturas elevadas. Los problemas
"invisibles" tales como la fractura interna del sustrato y/o la
degradación de sus componentes electrónicos son el resultado de la
rápida y desigual expansión de materiales distintos. Estos problemas no
pueden ser identificados visualmente ni tampoco detectados en una prueba
de circuito inicial, sino que permanecen, de un modo funesto, ocultos
dentro del montaje. |
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Arriba
Ilustramos El Pre-Calentamiento de un Ensamblaje de PCB Donde Una
Aplicación de Aire Caliente Controlado Por Temperatura Se Efectua Por
Abajo de La Plaqueta Antes de De-Soldar. |
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Aunque el “retoque” lucía bien, casi
sucedía lo que dice el refrán: "La operación fue un éxito, pero por
desgracia no sobrevivió el paciente." Considere el excesivo estrés
térmico que tiene lugar cuando una placa (PCB) que se hallaba
estable a una temperatura ambiente de 70°F, se ve sujeta súbitamente
a una aplicación localizada de calor de 700º F provenientes sea ya
de un cautín, de una herramienta de desoldar o de una herramienta a
chorro de aire caliente. Ocurre un cambio en el delta de las
temperaturas de 630°F en la placa (PCB) y en sus componentes. ¡Que
no nos sorprenda si la palabra “popcorning” (hacer que surjan en la
placa formaciones esféricas análogas a las palomitas de maíz) se ha
convertido recientemente en parte de nuestro vocabulario.
“Popcorning” se refiere a la actual degradación que sufre un
circuito integrado (IC) o un dispositivo montado en superficie (SMD)
cuando la temperatura de la humedad presente en el dispositivo se
eleva rápidamente y causa una ruptura o miniexplosión.
Es
por esta precisa razón que en la industria de los semiconductores y
del sector de fabricación de placas (PCB) se comenzaron a oír las
peticiones de que aquellos que realizan los retoques electrónicos
“eleven gradualmente” la temperatura hasta alcanzar la temperatura
de reflujo mediante la inclusión de un breve ciclo de calentamiento
previo. Después de todo, el hecho es que casi todos los procesos de
producción diseñados para el reflujo del soldador durante el montaje
de la placa (PCB) ya incluyen una etapa de calentamiento previo
antes del reflujo. Independientemente del hecho que un montador
utilice la soldadura por onda, la Fase de Vapor Infrarrojo, o el
reflujo por convección, a cada uno de estos métodos lo precede
normalmente un calentamiento previo o “inmersión” de la placa (PCB),
antes de dar comienzo al reflujo del soldador, a temperaturas que
oscilan entre 100°C y los 150°C ( 302°F) . Muchos |
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de los
problemas que presentan los retoques pueden eliminarse con
la simple introducción de un breve ciclo de calentamiento
previo de la placa (PCB) antes de iniciar el reflujo de
soldador. Los beneficios que rinde el calentamiento previo
son múltiples y acumulativos. Asimismo, el calentamiento
previo de la placa permitirá una temperatura de reflujo más
baja. De hecho, ésta es la razón principal por la que los
procesos de soldadura, la Fase de Vapor Infrarrojo, y el
reflujo por convección se realizan todos a temperaturas
menores a los 260ºC (500ºF).
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1.2
LOS BENEFICIOS DEL
CALENTAMIENTO PREVIO SON MÚLTIPLES Y ACUMULATIVOS:Antes
que nada, el calentamiento previo o “inmersión” del
montaje antes de dar inicio el reflujo ayuda a
activar el flux y retira el óxido y las películas
superficiales de la superficie de metal que será
soldada al igual que los materiales volátiles del
mismo flux. De igual manera, esta depuración de la
activación del flux poco antes del reflujo mejorará
el proceso de humidificación.
El calentamiento
previo también eleva todo el montaje completamente
hasta alcanzar una temperatura un poco inferior al
punto de fusión del soldador o del punto de reflujo.
El riesgo de que el sustrato y sus componentes
sufran una descarga térmica se ve considerablemente
reducido porque este proceso minimiza en gran medida
el delta de temperatura entre la temperatura del
montaje y la temperatura de la aplicación final del
reflujo. Las descargas térmicas ocurren cuando un
nivel de calentamiento rápido aumenta las
temperaturas en el interior del montaje de la placa
a niveles desiguales. Las discrepancias térmicas que
resultan dentro del montaje crean presiones
termomecánicas que pueden causar, y que de hecho
causan, fragilidad estructural, fracturas, y la
aparición de grietas en aquellos materiales cuyos
niveles de expansión térmica son menores. Las
resistencias de los chips de Tecnología Montada en
Superficie (SMT) y de los condensadores están
particularmente propensos a daños causados por esta
descarga térmica.
Además de esto, al
calentarse previamente todo el montaje, se hace
posible obtener, por igual, una temperatura reducida
y una duración más breve de la aplicación de alta
temperatura en la última etapa de reflujo. Esto
resulta muy claro en los casos de aquellas placas
(PCB) de planos de masa pesados y/o una composición
densa de dispositivos en la que la carga de calor
aplicada al circuito impreso (PC) hace del retoque
un proceso excesivamente lento. Sin el calentamiento
previo, la única solución es o una aplicación
adicional de temperatura elevada y/o un Dwell Time
más prolongado (dwell time) en la etapa de reflujo…ninguno
de los cuales son recomendables y que de hecho deben
evitarse. |
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1.3 REDUCCIÓN EN LA MESA DE TRABAJO DE
LAS TEMPERATURAS DE REFLUJO A LOS NIVELES MAS SEGUREOS LOGRADOS
DURANTE EL REFLUJO INICIAL EFECTUADO DUREANTE LA PRODUCCIÓN:
Si utilizamos como
punto de referencia los procesos de reflujo de soldador logrados
durante la producción inicial, éstos tienen usualmente los
siguientes niveles térmicos: la mayoría de las operaciones de
soldadura por ola ocurren entre temperaturas que oscilan entre los
240-260ºC (500ºF); las soldaduras de fase de vapor ocurren a
temperaturas que se acercan a los 215º C; y las soldaduras mediante
horno de convección se logran con alrededor de 240º C.
A decir
verdad, existe un factor muy apremiante que evita que se
logren durante los retoques temperaturas que igualen
aquellas que son posibles en el reflujo durante la
producción inicial. Aunque es posible acercarse a las
mismas bajas temperaturas, no resulta factible igualar el
nivel exacto de esa temperatura. Esto se debe al simple
hecho de que todo retoque requiere una aplicación
generalizada de la temperatura de reflujo a todo el montaje
de la placa de circuito impreso, bien se trate de soldadura
por ola, hornos de convección, y/o de reflujo a Fase de
Vapor / Infrarrojo
Del mismo modo, el requisito
estándar de la industria que estipula que los componentes
adyacentes al área en cuestión no deben jamás verse sujetos
a temperaturas de más de 170ºC (338ºF) resulta igualmente
limitante para la disminución de las temperaturas de reflujo
durante el proceso de retoque. Así pues, la única instancia
en que las temperaturas de reflujo logradas durante los
retoques pueden ser iguales a las del reflujo de producción
inicial sería cuando el montaje de la placa misma (PCB) es
aproximadamente del mismo tamaño que el componente que se ha
destinado para recibir el reflujo y cuando ésta contiene
pocos o ningún otro componente. |
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En
La Foto de Arriba El
ZT-2-MIL
Lapíz de Aire
es
Mostrado Usandose Con Un
Precalentador de Serie
AirBath™
de Zephyrtronics y En Conjunto Producen el Optimo Perfil de Reflujo
Para Soldar Integrados de Varias Tecnologias Asi Como Capacitadores
Ceramicos y Resistores. |
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Así pues,
dado que el proceso de retoques localizado evita que toda la
placa (PCB) llegue a alcanzar las altas temperaturas de
reflujo obtenidas en los procesos de reflujo de producción
iniciales, se debe efectuar un ajuste elevado de temperatura
inicial para compensar la carga o hundimiento térmico del
montaje de la placa (PCB). Dicho de otro modo, la naturaleza
misma de los retoques localizados, necesita y por ende exige,
un nivel térmico inicial más alto que aquellos efectuados en
los procesos de producción, para poder compensar la carga
sufrida por todo el montaje de la placa (PCB) que sólo puede
elevarse a un máximo de 170ºC.
Dicho esto,
sigue sin haber una razón por la que las temperaturas de los
retoques no puedan llevarse hacia un nivel térmico más
seguro y más bajo típico de los procesos de reflujo de
producción iniciales, y de este modo acercarse a las
temperaturas que los fabricantes de semiconductores han
pedido que persigamos por décadas.
Sin duda,
las temperaturas inclementes de 343°C a 426°C (650°F a
800°F) que manejan los retoques hechos con cautines, las
herramientas de desoldadura, y las que funcionan a chorro de
aire caliente deben ser reducidas. La introducción de una
etapa breve de calentamiento previo durante el proceso de
los retoques hace posible esto. [VOLVER
AL PRINCIPIO] |
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1.4 TRES METODOS DE CALENTAMIENTO PREVIO DE LOS MONTAJES DE LA PLACA
(PCB) EN LA MESA DE TRABAJO ANTES DE EL REFLUJO:
Hoy, el calentamiento previo de
montajes de placas (PCB) parece dividirse en tres categorías: el uso
de planchas calientes, el uso de hornos y el uso de un baño de aire
caliente.
Aunque el uso de
un horno para precalentar el sustrato antes de los retoques y antes
de intentar dar comienzo al reflujo de soldador, ya sea para retirar
y/o para reemplazar los componentes, puede producir el perfil de
temperatura más uniforme, no resulta ser siempre el más práctico.
Aún así, el horno de calentamiento previo puede servir como una
herramienta útil para el propósito secundario de eliminar la humedad
interna dentro de ciertos circuitos integrados delicados y evitar
así el fenómeno “popcorning.” Popcorning se refiera a las
minierupciones que pueden ocurrir dentro de un dispositivo montado
en superficie (SMD) que contenga un nivel de humedad más elevado de
lo normal cuando éste se ve expuesto a una rápida elevación de
aplicación de calor.
Hornear la placa (PCB) de este modo dentro de un horno para
calentamiento previo normalmente puede durar hasta 8 horas. Una
limitación del horno para calentamiento previo es que a diferencia
de la plancha caliente y el baño de aire caliente, un técnico no
puede realizar el retoque al mismo tiempo que se está aplicando el
calentamiento previo. Además, un enfriamiento rápido para realizar
uniones de soldador fuertes es prácticamente imposible si se
utilizan los hornos.
De muchas maneras las planchas calientes presentan el método menos
efectivo de precalentar el PCB. Una de las principales limitaciones
de las planchas calientes es el simple hecho de que no todos los
montajes de la placa (PCB) tienen un único costado. De hecho, hoy en
día la norma la constituyen las tecnologías híbridas y mixtas, y
una placa (PCB) que sea completamente plana por un lado es una
criatura bastante rara y exótica. Las placas (PCB) pueden llevar
normalmente hendiduras para el calor, conectores, puentes de
conexión y transformadores en ambos lados del substrato. Estas
superficies irregulares en la placa (PCB) presentan una vía
indirecta para conducir el calor desde la plancha caliente hasta el
montaje de la placa.
En esto reside una singular ventaja del baño de aire caliente en el
proceso del calentamiento previo. El aire caliente ignora
completamente la topografía (y la formación física de la parte
inferior) del PCB, permitiendo el acceso directo e inmediato del
aire caliente hasta en el último rincón del montaje de la placa
(PCB)
Una segunda desventaja de la plancha caliente es que una vez que se
ha logrado el reflujo del soldador, la plancha caliente puede
continuar con una aplicación indeseable de calor a la placa (PCB) y
a sus componentes--- aún si se ha apagado para entonces. Esto se
debe al hecho de que la plancha caliente, aún después de haber visto
interrumpida la corriente, puede preservar su propio calor residual
dentro de la plancha, el cual sigue transmitiendo a la placa (PCB).
Esta continua aplicación de calor a la placa (PCB) impide el
enfriamiento de la unión de soldador recién realizada. Este
impedimento del enfriamiento de la unión puede llevar a la formación
de una acumulación de plomo que puede causar una unión de soldadura
débil e inferior. [VOLVER
AL PRINCIPIO] |
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1.5 ENFRIAMENTO POSTERIOR (TM), DEL MONTAJE DE LA
PLACA DE CIRCUITO IMPRESO (PCB) PARA OBTENER ROBUSTAS
UNIONES DE SOLDADURA:
Como se mencionó anteriormente, el reto de
los retoques, desde aquellos de Tecnología Montada en
Superficie (SMT) a los montajes de Placas de Circuito
Impreso (PCB) se cifra en que el proceso de retoque se
asemeje a la producción inicial en ambos procesos y en el
perfil. Resulta interesante mencionar que del mismo modo que
se ha demostrado ser esencial para la producción exitosa de
los montajes de la placa (PCB) que se precaliente el montaje
de la misma justo antes del reflujo, de igual manera es
también esencial realizar un rápido enfriamiento del montaje
inmediatamente después del reflujo. Sin embargo estos dos
simples procesos han sido ignorados por igual en la mayoría
de los procesos de retoques. No obstante, la rápida
sustitución de la tecnología de Inserción de Dispositivos en
Orificios Laminados (Thru-Hole) por la Tecnología de Montaje
en Superficie (SMT), lo mismo que la miniaturización de
dispositivos delicados ha hecho del calentamiento previo y
del enfriamiento posterior mucho más necesarios que nunca
antes. |
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La Opción de
Enfriamento Posterior™
de El AirBath™ Enfria los BGA's Despues de Haber Soldado El
Integrado A Los 8 Segundos Asi Permitiendo Que La Boquilla
Se Levante y de Esta Manera Prevenir Cortos. |
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Es común que el equipo de reflujo de
producción, como por ejemplo los hornos de transportación, incluya
una última etapa de enfriamiento del montaje de la placa (PCB)
inmediatamente después de la etapa de reflujo. En muchos casos, una
práctica de producción muy común que se haya , incorporada dentro de
la misma maquinaria de producción consiste en hacer circular el aire
de ambiente como con o por medio de un abanico a lo ancho de la
placa (PCB) cuando ésta sale de la zona de reflujo.
Un nivel de enfriamiento más lento después del reflujo podría
permitir que ocurriera una precipitación de cristales ricos en plomo
provenientes del soldador líquido. La formación de una acumulación
tan rica en plomo en la interfase metalúrgica podría producir una
unión de soldadura más débil físicamente. Sin embargo, la aplicación
de un nivel de enfriamiento moderadamente acelerado, impide esa
formación de plomo, lo que resulta en una estructura de carácter más
fino y lleva por consiguiente, a obtener una unión de soldadura más
fuerte y robusta.
Además, un nivel más rápido de solidificación de la unión de
soldadura significa una reducción del tiempo en que son posibles el
movimiento o las vibraciones del montaje de la placa (PCB) durante
el reflujo, lo cual puede ocasionar toda una serie de problemas de
calidad. La reducción de cualquier posible alineamiento inadecuado
de los diminutos dispositivos montados en superficie (SMD) y de las
instancias en que los chips y condensadores quedan parados en un
solo lado (tombstoning) es otro beneficio del enfriamiento posterior
del montaje de la placa (PCB) para la producción inicial y los
retoques. [VOLVER
AL PRINCIPIO]
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1.6 RESUMEN:
Los beneficios de un calentamiento previo y
enfriamiento posterior al reflujo cuando se trabaja
con los montajes de placa PCB son múltiples. El
tiempo necesario para incluir estos dos simples
procedimientos dentro de la rutina de retoques de
los técnicos es mínimo. De hecho, mientras está
precalentado el PCB, el técnico puede ocuparse de
otro trabajo de preparación, como por ejemplo la
aplicación de la pasta y/el flux a la placa (PCB).
Sin duda, la seguridad que proporciona no tener que
remplazar pistas que se hayan levantado, o que no
haya necesidad de inspeccionar una placa que haya
sido objeto de retoques porque ésta no pasa con
éxito una prueba de circuito, también representa un
verdadero ahorro de tiempo. Además, valga decirlo,
los ahorros de carácter económico realizados al no
tener que deshacerse de las placas (PCB) que sufran
un daño térmico durante los "retoques" debe tomarse
en cuenta en la ecuación de cualquier técnico. Más
vale prevenir que lamentar.
Asimismo, al eliminarse el desperdicio excesivo
causado por la separación de los planos del sustrato
(delamination), la creación de manchas y cruces
blancas bajo la superficie de la lámina superior (measling)
o la formación de burbujas, la decoloración, y que
se combe la placa, representa ahorros de tiempo y
dinero. Un calentamiento previo y enfriamiento
posterior adecuados del montaje de la placa (PCB)
son dos de los más simples y posiblemente los
procesos más necesarios de todos en la mesa de
trabajo.
[VOLVER AL
PRINCIPIO] |
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Posdata del Autor:
Este artículo parece profético unos diez años
después.
Hoy, nuestra realidad en la mesa de trabajo
electrónica es que ahora tenemos que lidiar con
paquetes de SMD tan pequeños que sólo son visibles
bajo el microscopio, junto con los micro-BGA's
y la mayoría de capacitores de cerámica y los diodos
de cristal tan delicados, todos los cuales están en
riesgo extremo
de daño térmico a consecuencia de altas temperaturas
y la expansión térmica rápida.
Además, la llegada de las soldaduras sin plomo ha
exasperado aún más el proceso de el reflujo de
soldadura para
prototipos
de
SMD y BGA, la producción y el retrabajo y reparación.
En todos estos casos, resulta que el
precalentamiento efectivo antes de reflujo es la
única solución, ¿no? El
retrabajo de
BGA requiere precalentamiento.
El
retrabajo
sin plomo
requiere precalentamiento. El
retrabajo de
Mirco BGA's requiere
precalentamiento. El
retrabajo de
SMT requiere precalentamiento.
Y sí, si realmente quieres articulaciones de soldadura de alta calidad,
incluso a través del
retrabajo de Through-Hole requieres de
precalentamiento.
Mi primera "maquina" de SMT para la mesa de trabajo
fue el viejo Ungar ® 4700 introducido en 1983, hace
unos veintitrés años!
Esa máquina simple, el Ungar® 4700 fue bastante
revolucionaria en su día porque tuvimos la visión de
ingeniar el precalentamiento por debajo de la
plaqueta e integrarlo a la máquina. En los "viejos
dias de el cautín" se reian de nosotros,
pero el tiempo nos ha dado la razón.
Aun de vez
en cuando me llaman el
"Señor
Precalentador" y debo decir que me he encariñado con
el apodo.
--- DJ, 2006.
ACERCA DE EL AUTOR:
David Jacks fue
Director de Ingeniería en dos de las más grandes
empresas fabricantes de equipo de soldadura por casi
13 años y fundo la compania Zephyrtronics en
1994 con su socio quien tambien es ingeniero y su
gran amigo, Randy Walston.
La carrera de diseño profesional
de David abarca desde los 1970's. Sus diseños de productos han
sido expuestos en articulos que aparecen en ambas revistas Popular Science®
y Popular Mechanics®.
El ha diseñado productos, herramientas, y aparatos comercializados
por Sears®,
Black & Decker®,
RadioShack®,
Motorola®,
Snap-On Tools®,
Rubbermaid®,
CooperTools®,
Farmer Brothers®
y Brewmatic®.
David posee varias patentes (de utilidad y diseño) por muchas de sus
invenciones; es
autor de artículos técnicos en revistas nacionales, y de manera
rutinaria se dirige a las sociedades profesionales electrónicas.
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