tiempo de contacto y profundidad de inmersion de una PCB en la soldadura de ola

TIEMPO DE CONTACTO Y PROFUNDIDAD DE INMERSION DE UNA TARJETA

 DE CIRCUITO IMPRESO EN LA SOLDADURA DE OLA

Los ingenieros de producción y de proceso han conocido nuevos conceptos relacionados a la interacción entre la tarjeta y la ola, lo que conduce a cambios dramáticos en los procedimientos de la soldadura por ola.  Cuando se está usando una tecnología que puede medir directamente la experiencia de su tarjeta dentro de la ola de soldadura, el resultado obtenido ha sido de una mejoría inmediata y drástica en la calidad de la tarjeta, lo que ha impulsado una extensa inversión y un uso diario.  Este artículo trata los conceptos de la medición entre la tarjeta de la ola y reporta resultados de estudios que emplearon tecnología disponible comercialmente para medir y responder a los parámetros claves de la soldadura por ola.  El propósito del estudio fue determinar la importancia del tiempo de contacto y de las mediciones de la profundidad de inmersión en la calidad de la soldadura por ola.

Centralidad De La Interacción Entre La Ola y La Tarjeta

Su máquina de soldadura por ola ha sido creada para sólo un propósito: provocar que sus tarjetas interactúen con la ola de soldadura.  Sabe que esto es cierto porque cuando observa dentro de su horno de reflujo no se puede ver la ola.  En el horno de reflujo, la química apoya sus tarjetas a medida que experimentan las temperaturas.  Sin embargo, esto no es cierto en el caso de la soldadura por ola.

En su máquina de olas, la química y las temperaturas son sólo elementos de apoyo mientras entregan sus tarjetas a su ola de soldadura.  Por esto es que su ventana de proceso de temperaturas en una máquina de olas es amplia y flexible en comparación con el horno basado en la superficie, y porque un control preciso de la interacción entre su tarjeta y la ola produce grandes beneficios.

Las sondas están dentro de la ola de soldadura por sólo unos segundos o menos.  La soldadura se supone que se logre en una sola pasada y que salga libre de defectos.  Como este evento es de tan corta duración y las tarjetas de hoy en día son tan complejas, su tarjeta debe pasar a través de su ola con precisión.  Los ingenieros que han considerado esto cuidadosamente han aprendido que unas variaciones aparentemente ligeras en el proceso de la tarjeta con la ola pueden causar grandes variaciones en la calidad.

Limitaciones Del Perfilado Térmico

Muchas personas continúan siguiendo el concepto de que el control del proceso de la soldadura por ola es primordialmente asunto de temperaturas, y por lo tanto eligen confiar estrictamente en las calcomanías de temperatura, pirómetros o el perfilado térmico.  Aunque las temperaturas son importantes, por su propia naturaleza no pueden tratar con la interacción entre su tarjeta y la ola de soldadura.

La soldadura por ola sin datos precisos de interacción entre la tarjeta y la ola es una prescripción segura para obtener defectos consistentes, crisis de producción y tiempo de inactividad.  Según la experiencia, los profesionales de la producción entienden esto: ellos observan al personal que realiza el retrabajo en sus estaciones de trabajo y son los más afectados por las metas de la gerencia de obtener el rendimiento y la calidad.

Esto es cierto a pesar de los esfuerzos monumentales de administración térmica, los excelentes procesos en la calidad de la máquina de soldadura por ola y en el desarrollo continuo de las químicas del fundente y de la soldadura.  Sin embargo, pregúntele a cualquier ingeniero de fabricación de dónde vienen la mayoría de los defectos de ensamblaje y en la mayoría de los casos indicará que de sus máquinas de soldadura por ola.

De modo que, legiones de personal de retrabajo trabajan todos los días, durante cada turno, exclusivamente para corregir defectos provenientes de la línea de producción.  En vez de ser vistos como actividades compensatorias de las fallas de producción y por lo tanto algo que debe ser exorcizando, los niveles actuales de retrabajo se consideran a menudo como «aceptables», como parte del mismo proceso de producción.  El resultado neto, como veremos aquí, es una exageración significativa de los costos de producción y un nivel serio de bajo desempeño en la soldadura por ola.

Por ejemplo, ajustar los precalentadores nunca podrá eliminar los cortos causados por un tiempo de contacto demasiado largo.  Lo mismo ocurre con los puntos sin soldar debido a una profundidad de inmersión demasiado baja.  Los resultados de los estudios presentados aquí muestran que la mayoría de los defectos existentes de soldadura por ola pueden ser eliminados solamente a través de mediciones y control directo y preciso de la interacción entre su tarjeta y la ola.

Interacción Entre La Ola y La Tarjeta

Asumiendo que su tarjeta es paralela (parámetro que también requiere una medición exacta) a su ola, la interacción entre la tarjeta y la ola tiene tres facetas simultáneas y exclusivas que pueden ser cuantificadas directamente con precisión:

Tiempo de contacto:  Este es el tiempo durante el cual el conductor está en contacto con la ola de soldadura.  Esto tiene que ser controlado por incrementos de décimas de segundo.

Profundidad de inmersión:  Esta es la profundidad a la cual su tarjeta está sumergida dentro de la ola de soldadura.  Como las mejores olas tienen una variación de altura entre 10 y 20 milésimas de pulgada, este parámetro es medido óptimamente según su paso a través de una ventana de proceso.  El dispositivo utilizado para este estudio utiliza incrementos de 12 milésimas de pulgada para este propósito.

Longitud de contacto:  Esta es la distancia a través de la cual un contacto pasa a través de una  ola.

La figura 1 ilustra la relación entre la profundidad de inmersión y la longitud de contacto para sus tarjetas, mostrando que realmente la profundidad de inmersión determina directamente la longitud de contacto.

A su vez, esto afecta directamente el tiempo de contacto, porque: Tiempo de contacto = Longitud de contacto ÷ Velocidad del transportador

Lo que esto significa para el ingeniero de soldadura por ola es que la programación de la velocidad de su transportador no controlará exclusivamente el tiempo de contacto en la ola.  De hecho, debe tener además una manera de medir y controlar con precisión su profundidad de inmersión.

Forma De La Ola

Muchos de nosotros han experimentado la frustración de realizar una corrida de un ensamblaje sobre dos máquinas de ola diferentes y ver surgir tarjetas con dos calidades completamente diferentes. ¿Por qué sus máquinas de ola producen resultados diferentes cuando ambas están programadas a la misma velocidad de bombeo, velocidad de transportador, ángulo de transportador, altura de la cama de soldadura, temperaturas de precalentado y soldadura, usan la misma química, tienen los mismos programas de mantenimiento y muestran el mismo perfil térmico?

Como industria, nos hemos conformado con aceptar que «las máquinas de ola diferentes tienen personalidades diferentes». Otros culpan a los operadores. Sin embargo, la respuesta es a menudo sencilla y mesurable: todas las máquinas de ola producen olas con formas diferentes.

La figura 2 muestra el impacto de la forma de la ola sobre la longitud de contacto.  Una ola más ancha significará una longitud de contacto más larga, y por lo tanto un tiempo de contacto más largo, a la misma profundidad de inmersión.

Limitaciones De La Programación De La Máquina

Lo que todo esto significa, es que para poder controlar el proceso de su ola es necesario medir directamente lo que su tarjeta realmente experimenta en la ola.  Las configuraciones de las máquinas de ola nunca pueden asegurar una repetitividad.  Su tarjeta no conoce la velocidad del transportador; sólo experimenta un tiempo de contacto.  Del mismo modo, su tarjeta no conoce la velocidad de su bomba; experimenta una profundidad de inmersión.

Además, las programaciones de su máquina de ola no le indican la variabilidad de la máquina de ola.  Por lo tanto, los parámetros de soldadura por ola deben estar basados primordialmente en directrices sobre la interacción entre la tarjeta y la ola, y no las programaciones de la máquina de ola.

Las plantas de ensamblaje ya no tienen por qué culpar a sus máquinas de soldadura por ola, al fundente ni al personal cuando su verdadero reto es el mismo proceso de soldadura por ola.  Su máquina de ola ni siquiera pretende medir la interacción entre su tarjeta y la ola.

Un buen equipo no compensa un proceso fuera de control.  El mejor equipo de soldadura por ola en el mundo aún requiere un método sólido para poder optimizar y controlar el proceso.

Fundamento Del Tiempo De Contacto Para Fines De Estudio

Una compañía importante de productos electrónicos para el consumidor solicitó la tarea de que sus instalaciones en Estados Unidos realizaran un estudio durante un mes para evaluar el significado de la optimización y repetitividad del tiempo de contacto.  El ensamblaje de mayor volumen, que representa el 19% de todas las tarjetas producidas en esa ubicación, fue seleccionado para el estudio.

Para este propósito, se utilizó el Optimizador de soldadura por ola ya que es necesario usar sensores de contacto directo entre la tarjeta y la ola para obtener datos de valor significativo.  Capaz de ejecutar cuatro corridas en serie, el dispositivo ofreció la conveniencia de obtener varias lecturas antes de descargar los datos en una PC.  Además, la pantalla LCD del Optimizador permitió la lectura de los datos inmediatamente después de su salida de la máquina de ola.  Otra capacidad importante: medición directa de la profundidad de inmersión.  Se realizaron los siguientes pasos:

Paso 1
Se midió y se estableció el paralelismo.

Paso 2
Se midió el tiempo de contacto actual de la tarjeta, que fue de 1.0 segundos..

Paso 3
Se midió la profundidad actual de inmersión de la tarjeta, que fue de 24 milésimas de pulgada.

Paso 4
Se evaluó la calidad de la tarjeta, que mostró una tasa de defectos de 312 ppm, y se consideró normal en estas instalaciones a pesar de haber realizado retrabajo importantes, y se consideró excelente según los estándares de la industria..

Paso 5
Los pasos 1 al 3 se desempeñaron con facilidad durante 3 turnos seguidos, dos veces por turno, ya que todos los datos fueron obtenidos de una sola corrida del dispositivo a través de la máquina de ola. 

 El paso 4 fue realizado al final de cada turno

Si antes de realizar la corrida de este ensamblaje las mediciones mostraban una falta de paralelismo, o un tiempo de contacto de más de 0.1 segundos de diferencia contra 1.0 segundos, o una profundidad de inmersión diferente a los 24 milésimas de pulgada, se realizaron ajustes a la máquina de ola y se tomaron mediciones adicionales para confirmar que la experiencia deseada entre la tarjeta y la ola estaba llevándose a cabo.  Las áreas no relacionadas con la interacción entre la tarjeta y la ola se mantuvieron constantes todo el tiempo.  Estas incluyen, por ejemplo, tipos de fundente, programaciones del precalentador y temperatura de la soldadura.

Al final de cada turno, se llevó la cuenta del valor del valor ppm.  Los valores de ppm para esta tarjeta estuvieron consistentes dentro del rango de 312.  Por lo tanto, se pudo lograr la repetitividad de la calidad de la tarjeta.

Metodología Del Estudio Del Tiempo De contacto

La siguiente meta fue determinar si la tasa de defectos de la tarjeta estuvo afectada después de realizar corridas a diferentes tiempos de contacto.  Esto se logró realizando corridas del mismo tipo de tarjeta en diferentes en tiempos de contacto en incrementos de medio segundo, de 0.5 segundos hasta 5.0 segundos, y correlacionando cada valor de tiempo de contacto con la tasa de defectos que produjo.  Se siguieron los pasos 1 al 5 durante cada tiempo de contacto.

La línea azul de la figura 3 muestra los resultados.  Se determinó que el tiempo de contacto que produce la menor tasa de defectos para esta tarjeta en particular fue entre 2.5 y 3.0 segundos.  Luego se realizó un estudio más profundo de esta tarjeta.  Se determinó que los defectos surgieron consistentemente después de los 2.8 segundos.  Como resultado, a esta tarjeta ahora se le realizan corridas solamente al tiempo de contacto de 2.8 segundos con profundidad de inmersión de 24 milésimas de pulgada.  Las programaciones de la máquina ahora son incidentales sin importar las máquinas de ola que se estén usando.  Se logró la optimización del tiempo de contacto, al igual que la flexibilidad de ensamblar la tarjeta con cualquier máquina de ola logrando una calidad predecible.

Para la compañía de productos electrónicos de consumo, esto significó una documentación relevante del proceso de soldadura por ola, con instrucciones más claras para los operadores, mayor flexibilidad ya que la tarjeta puede ser corrida con confianza a través de cualquier máquina de ola, menos picos en el cuadro de control de procesos, ya que las mediciones se realizaron antes de la corrida de las tarjetas, menor tiempo de inactividad, mayor rendimiento, menor presión sobre los ingenieros de proceso y una gerencia más feliz.  Como sabemos, estos son resultados naturales siempre que los procedimientos de mejora de un proceso específico se hayan implementado con éxito.

Otras observaciones:

1. Lo que se descubrió como tiempo de contacto óptimo fue significativamente diferente al que estaba ocurriendo, a pesar de que nunca se llegó a medir.
2. Las tasas de defectos varían bruscamente con diferentes tiempos de contacto.
3. El control de la profundidad de inmersión fue crítico en este estudio, ya que una variación de las profundidades de inmersión significa que habrán variaciones en las longitudes de contacto y, como resultado, tiempos de contacto descontrolados.

Cuantificación De Los Beneficios En Los Costos

Antes de este estudio, la pérdida en el rendimiento fue rastreada mensualmente como medida de las fallas en los costos de producción.  El volumen de producción de la tarjeta estudiada era de 11,000 por mes.

• Con la implementación de los procedimientos óptimos del tiempo de contacto usando el dispositivo descrito, las pérdidas en el rendimiento bajaron del0 por ciento (330 tarjetas) al 1.6 por ciento (176 tarjetas) durante el primer mes de uso diario.

• Esto significó una reducción en la pérdida de rendimiento de 154 tarjetas por mes.  En un mes de 30 días, esto significa 5.13 tarjetas por día.

• A un costo de $300 por cada tarjeta, la reducción del costo según la mejora en las pérdidas de rendimiento fue de $46,200 por mes, que anualizado suman $554,400.

• Esto significa que el retorno de inversión sobre el dispositivo usado en el estudio fue menor de 5 días.

Conclusión: Una mejora aparentemente pequeña en la calidad de la soldadura por ola significa un gran y rápido ahorro mensurable de costos mensuales y anuales.  Estas cifras ni siquiera tienen en cuenta los valiosos ahorros por beneficios obtenidos tales como la reducción de retrabajo y fallas en el campo, menor tiempo de inactividad y un mayor rendimiento, cada uno de estos puede ser más valioso que el ahorro rápido sobre la pérdida de rendimiento.

Optimización Tarjeta Por Tarjeta

Al igual que cada tipo de tarjeta consta de su propio perfil térmico en el horno de soporte en la superficie, cada tipo de tarjeta también tiene sus propios parámetros de interacción entre la tarjeta y la ola en su máquina de ola.  Por lo tanto, el estudio anterior también fue realizado para un segundo tipo de tarjeta.

Los resultados están registrados como la línea roja en la figura 3.  El tiempo de contacto óptimo para esa tarjeta fue de 3.6 segundos, en contraste con los 2.8 segundos de la primera tarjeta.  Como puede ver, los «perfiles de tiempo de contacto» de las dos tarjetas son diferentes.  Este proceso resultó en tasas de defectos dramáticamente más bajas para la segunda tarjeta (que también fue corrida a 1.0 segundos), aunque nunca tan bajas como la nueva línea básica que se obtuvo con la primera tarjeta.  Esto indica claramente la presencia de fuentes de defectos no relacionadas con el tiempo de contacto, sino, por ejemplo, con una profundidad de inmersión no óptima o con problemas de diseño.

Profundidad De Inmersión

Cambiar la profundidad de inmersión cambia la longitud de contacto y el tiempo de contacto.  Esto hace crítico una medición directa y exacta de la profundidad de inmersión.  La velocidad de su bomba produce una altura de ola (aunque esto puede disminuir mientras se vacía el crisol de soldadura), pero la profundidad de inmersión real de sus tarjetas depende de varios factores, incluyendo la altura de el crisol de soldadura, la manera en que se asienta en los dedos, si estos están doblados, rotos o torcidos, el ángulo de su transportador y si se están usando pallets.

Sin embargo, el control de la profundidad de inmersión (medirla y mantenerla consistente) es sólo una pieza del rompecabezas.  Otra es: ¿A qué profundidad de inmersión se optimiza la calidad de su tarjeta?

Este punto es ilustrado por la figura 4 arriba.  Fíjese que la tasa de defectos de la tarjeta representada por las barras azules ha sido optimizada a través de un rango diferente (48 milésimas de pulgada, o hasta 36 a 60 milésimas de pulgada) que la tarjeta representada por las barras amarillas (de 24 a 36 milésimas de pulgada).  Esto significa que los tipos diferentes de tarjetas se benefician mayormente de las diferentes profundidades de inmersión.

Conclusión: Receta Para La Optimización

Los beneficios de la optimización de la relación entre la tarjeta y la ola son significativos, y requieren una evaluación tarjeta por tarjeta cuando se determinan las directrices de la soldadura por ola.  La medición directa y el manejo de lo que están realmente experimentando sus tarjetas es la clave.  El uso de la misma programación de la máquina de ola para todas las tarjetas nunca producirá resultados óptimos de soldadura de ola a través de un rango de tipos diferentes de ensamblaje, y confiar en los parámetros de la máquina de ola no asegura una repetitividad en la interacción entre la tarjeta y la ola.

La optimización requiere de ajustes correlacionados con los defectos reales de la tarjeta.  El solo registro de la programación de la máquina no producirá los resultados deseados; tampoco el enfoque exclusivo en los datos de su relación entre tarjeta y ola. Como ya lo sabemos, las máquinas de ola no son necesariamente repetitivas.  Si lo fueran, ya hubiéramos encontrado la programación adecuada y no tendríamos defectos ni picos en las tasas de defectos.

Empezar es fácil.  Sólo se tomará básicamente unos pocos minutos y esto producirá información que le ayudará inmediatamente a:

1. Programar su máquina de ola como siempre lo haría para la tarjeta en la que está interesado.

2. Una vez haya establecido el paralelismo entre la tarjeta y la ola, tome nota de las lecturas de su tiempo de contacto y profundidad de inmersión usando un dispositivo como el descrito en este artículo.

3. Inicie una corrida de una de sus tarjetas y tome nota de la calidad de la soldadura por ola.

4. Como primer paso hacia identificar el tiempo de contacto óptimo, disminuya la velocidad de su transportador en 0.75 pies por minuto e inicie otra corrida para obtener una nueva lectura de tiempo de contacto.

5. Inicie una corrida de una tarjeta igual y tome nota de la calidad de la soldadura por ola.

Si la calidad de su tarjeta mejoró, esto significa que ha identificado un tiempo de contacto superior al que ha estado usando anteriormente.  Ahora puede tomar lecturas de tiempo de contacto todos los días antes de cada corrida de este tipo de tarjeta, para asegurarse de que su máquina de ola esté entregando una experiencia superior y deseada a sus tarjetas.  Entonces, puede usar los datos para asegurar y documentar AMBOS, la repetitividad Y la optimización.

Si la calidad de su tarjeta empeora, entonces aumente la velocidad de su transportador y siga el mismo procedimiento.  Identificará rápidamente los parámetros óptimos de la interacción entre la tarjeta y la ola.  Para evaluar el impacto de la profundidad de inmersión en la calidad de su soldadora por ola, varíe la velocidad de la bomba y ejecute el mismo procedimiento.

Otro aspecto crítico que hay que entender son las ventanas del procedimiento.  Todas las máquinas de ola tienen su propia varianza y repetitividad normal de los datos.  Esto sólo se puede identificar repitiendo una medida directa del tiempo de contacto y de la profundidad de inmersión mientras la máquina se mantiene constante con el resto de la programación.  Entender las ventanas del proceso de su máquina de ola con relación al tiempo de contacto y la profundidad de inmersión (además del paralelismo), le ayudará a optimizar el proceso de su soldadura por ola para cada tarjeta.

Si tiene muchas tarjetas diferentes, empiece con las más comunes o con las que más problemas presentan.  Para operaciones de alto volumen y poca variedad, tiene la oportunidad de optimizar cada tarjeta.  Para ambos tipos de instalaciones, existe la flexibilidad adicional de mover con confiabilidad la producción de una tarjeta particular entre diferentes máquinas de ola y aún entre plantas en diferentes ubicaciones.

Muchas instalaciones han combinado la tecnología comercialmente disponible con procedimientos sencillos para optimizar los tiempos de contacto de las tarjetas, controlar la profundidad de inmersión y disfrutar de una verdadera repetitividad de su proceso de soldadura por ola.  Las instalaciones que desean cortar costos rápidamente y mantenerse a la par con las normas de la industria para una buena calidad de soldadura por ola adoptarán la tecnología e implementarán los procedimientos reportados aquí.

suscribanse al canal de youtube tecnología de SMT donde pondré diferentes videos relacionados al tema,      saludos!!!