PERFIL DE TEMPERATURA PARA HORNOS DE SMT
Un perfil de temperatura para el ensamble de circuitos impresos es un factor crítico e
importante que se debe tener en cuenta para lograr uniones de soldadura confiables en
tarjetas de circuito impreso que contienen elementos de montaje superficial. Este factor
adquiere especial importancia al momento de elegir un proveedor de servicio de ensamble
para nuestra producción ya que si no posee métodos para controlar el perfil de
temperatura aplicado a nuestras tarjetas se pondrá en alto riesgo la integridad de los
componentes y por ende la confiabilidad del producto ensamblado. No todas las tarjetas
tienen el mismo perfil de temperatura ya que difieren en masa térmica por tener más
o menor tamaño, número de componentes, diferente espesor de cobre, etc.
Actualmente la totalidad de los componentes SMT vienen fabricados con revestimientos
libres de Plomo y su proceso de ensamble se debe hacer no solamente por norma sino
por compatibilidad, utilizando circuitos impresos y soldadura libres de Plomo (Pb-Free). Por
lo tanto elegir el perfil correcto para las nuevas soldaduras es un factor crítico para obtener
soldaduras confiables.
Un perfil es la función de las temperaturas aplicadas en el tiempo a la tarjeta mientras
permanece o se desplaza a través de un horno de convección, después de haberle
colocado sus componentes sobre la soldadura en pasta aplicada con anterioridad a los
pads. Si representamos sus valores en una gráfica se obtiene como resultado una curva
donde se puede apreciar la temperatura del PCB en las diferentes etapas del proceso de
soldadura. La siguiente figura ilustra la gráfica de un perfil de temperatura ideal comparado
con el obtenido realmente en los procesos de hornos de soldadura para montaje
superficial.
PERFIL IDEAL DE TEMPERATURA
La forma de la curva es afectada por varios factores importantes como la velocidad de
desplazamiento de la tarjeta a lo largo del horno y la temperatura programada en las
diferentes zonas. La velocidad de desplazamiento de la banda que transporta la tarjeta
determina el tiempo que dura su exposición a la temperatura específica de la zona. Si este
tiempo se incrementa permitirá a la tarjeta y sus componentes, alcanzar la temperatura
programada para dicha zona, lo que se reflejará en un menor o mayor tiempo del proceso
de soldadura.
La temperatura específica programada para cada zona afecta el tiempo en el cual la tarjeta
debe alcanzar dicho valor. A mayor valor más rápidamente aumentará la temperatura del
circuito y sus componentes. Este parámetro se llama gradiente o rampa de temperatura. Si
este valor no se selecciona correctamente con respecto a la velocidad de desplazamiento,
se colocara en riesgo además de la tarjeta, la integridad de sus componentes ya que se
pueden producir fisuras en su cuerpo debido al cambio brusco de temperatura.
PERFIL DE TEMPERATURA EN LA ETAPA DE PRECALENTAMIENTO
La figura anterior muestra un exceso de temperatura en la etapa de precalentamiento del
proceso. Aquí la tarjeta pasa de la temperatura ambiente a la temperatura de la etapa de
precalentamiento y su rampa de incremento no deberá exceder de 2 a 5 °C por segundo.
Si se elije un valor mayor se producirán fracturas en el encapsulado de los componentes
debido al cambio brusco de temperatura.
Si la rampa de incremento es demasiado lenta, la soldadura en pasta estará expuesta
demasiado tiempo al calor además de no alcanzar la tarjeta la temperatura necesaria para
pasar a la etapa de activación como se puede apreciar en la figura superior.
PERFIL DE TEMPERATURA EN LA ETAPA DE ACTIVACIÓN
La etapa de activación o remojo como es llamada algunas veces, tiene dos funciones muy
importantes. la primera es exponer la tarjeta ensamblada a la temperatura adecuada para
lograr que sus componentes sin importar su tamaño se calienten uniformemente para
reducir la tensión superficial (Ts), con respecto a la soldadura en pasta sobre la cual se
encuentran en contacto sus terminales. La segunda función es producir la activación por
Temperatura Vs. Tiempo del Flux y permitir a los compuestos volátiles ser evaporados de
la soldadura en pasta. La anterior figura ilustra un perfil de temperatura donde se debe
corregir el valor de la misma a un menor valor en la zona de activación ya que el flux no
tendrá suficiente tiempo para activarse por tener el perfil una rampa muy rápida en esta
etapa. Muchos hornos de soldadura de bajo costo que hay en el mercado, no son capaces
de mantener un perfil casi plano en la zona de activación por lo que cobra especial
importancia documentarse al momento de elegir un horno en particular para el proceso.
Si los parámetros en la zona de activación no alcanzan el valor ideal como se aprecia en la
figura superior, el flux no se activará por falta de temperatura y además los componentes no
alcanzarán la temperatura adecuada para pasar a la etapa de reflujo lo que producirá
defectos en las soldaduras ya que la tensión superficial de los terminales de los
componentes es todavía muy alta para adherirse con mayor facilidad a la soldadura.
PERFIL DE TEMPERATURA EN LA ETAPA DE REFLOW
La zona de reflujo o refusión tiene como función elevar la temperatura de la tarjeta
ensamblada desde el valor que sale de la etapa de activación, al valor pico recomendado
por el fabricante de la soldadura y que producirá su correcta fundición y adherencia a la
superficies a soldar.
Si se elige un valor más alto producirá un perfil como el ilustrado en la figura superior y
podrá producir delaminación de las tarjetas multicapa, torceduras y quemaduras en el PCB
además de comprometer la integridad de los componentes.
Si se elige un valor por debajo de la temperatura recomendada por el fabricante de la
soldadura, se podrán producir soldaduras deficientes y/o pastosas ya que esta no se fundió
correctamente para adherirse a los terminales de los componentes.
PERFIL DE TEMPERATURA EN LA ETAPA DE ENFRIAMIENTO
El perfil de temperatura en la zona de enfriamiento deberá idealmente ser un proceso
espejo de lo que fue la anterior etapa de reflujo. La tarjeta deberá enfriarse con la rampa
inversa de temperatura que la que le fue aplicada en la zona anterior.
Un enfriamiento muy rápido como el observado en la figura superior causara una soldadura
de aspecto granoso comprometiendo su aspecto y/o integridad y si es demasiado rápido
puede causar eventualmente fracturas en los encapsulados de los componentes de
montaje superficial.
Es importante entender que la temperatura que marcan los sistemas de medida en un
horno de soldadura, corresponde a la que tienen la termocuplas que el sistema
utilice para tal efecto y no representa la que la tarjeta tiene en un determinado
momento.
Algunos hornos industriales para soldadura SMT incorporan procedimientos para perfilar
cada tarjeta o panel ensamblado que vaya a ser soldado. Mediante el uso de termocuplas
que se fijan en los puntos más críticos de la primera tarjeta que se va a soldar. El
fabricante
puede monitorear como y cuando alcanzan la temperatura por ejemplo, la requerida por un
circuito integrado crítico como el caso de los que tienen encapsulados QFN o BGA, o la de
una zona de la tarjeta con mucho cobre o con mucha densidad de componentes, etc.
Existen equipos sofisticados llamados perfiladores de temperatura que pueden monitorear
en tiempo real varias termocuplas y que entran al horno con la tarjeta transmitiendo
inalambricamente a una computadora los valores de temperatura alcanzados durante todo
el proceso de soldadura, permitiendo así el ajuste preciso en línea de los parámetros
requeridos para lograr el perfil térmico correcto.
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