Flux, ¿limpiar o no limpiar?

¿Cuál es la importancia de seleccionar el correcto material para prevenir contaminación electroquímica en la estación de retrabajo?

Una docena de versiones del mismo escenario ocurrieron en el último mes, todas eran relacionadas con los materiales y procesos utilizados en aplicaciones post-producción / retrabajo. Este paso del proceso de producción a menudo se escapa de la atención de los ingenieros porque no hay maquinaria interesante, ni ninguna ingeniería real que tenga lugar. La mayoría de los operadores de soldadura manual son altamente eficientes y han desarrollado técnicas que logran realizar el trabajo, lo que ha derivado a que algunos supervisores o gerentes de producción sientan una falsa sensación de seguridad. La contaminación electroquímica normalmente no aparece hasta que se ha convertido en una terrible falla de campo. De hecho, si el problema está relacionado con contaminación / corrosión / fugas, el primer lugar al que miro es la estación de retrabajo y ocho de cada 10, es donde están los puntos problemáticos.

Las aplicaciones de soldadura manual tienen requisitos diferentes que los procesos anteriores, y vale la pena detallar estas diferencias para comprender la importancia de la selección de materiales y el uso adecuado.

La soldadura de alambre parece ser el punto de partida lógico. La soldadura de alambre con núcleo de flux generalmente consiste en un alto porcentaje de resina natural/resina sintética y es sólido a temperatura ambiente. El alambre con núcleo de flux está diseñado para funcionar de una manera particular. El flux es sólido, pero tiene una temperatura de fusión más baja que la aleación que lo envuelve. Cuando la punta del cautín y el alambre se unen, el flux se vuelve líquido y se extiende sobre la pieza de trabajo. La soldadura se hace liquida y persigue el calor y al flux., en unos segundos se forma una unión de soldadura. Dado que el núcleo de flux necesita ser calentado para evacuar el núcleo de alambre, existe un riesgo muy bajo de que el flux no activado, pueda transferirse a la pieza de trabajo. El proceso y los materiales simplemente lo hacen demasiado difícil. Que el flux también contenga un alto porcentaje de resina natural/resina sintética en relación con el volumen de residuos también contribuye a una medida de seguridad.

Cuando me piden que realice una auditoría de los materiales en la estación de trabajo, lo primero que aconsejo es que retiren todas las botellas de flux de las estaciones. Esto se cumple invariablemente con la inconformidad de los operadores, y es comprensible. El uso de flux líquido hace dos cosas que ayudan al operador a soldar: 1) más activador facilita la humectación (wetting), y 2) el líquido crea un puente térmico entre la punta del cautín y el área a soldar además de transferir calor desde la punta a la pieza de trabajo. Ambos atributos mejoran el rendimiento y velocidad del soldado, por lo que es fácil entender por qué es tan deseable el flux líquido.

• Esté es el problema:

Muchos flux líquidos No Clean requieren exposición al calor para volverlos inertes. Si están diseñados para su uso en una aplicación de soldadura por ola completa, esto generalmente está garantizado. Sin embargo, En un retrabajo o en una aplicación de soldado selectivo punto a punto, de cualquier manera, la fuente de calor localizada puede ser insuficiente para descomponer los activadores de flux, y permanecerán activos, lo que representa un riesgo de confiabilidad. Incluso el flux líquido aplicado con mayor precisión puede extenderse de 1 a 2 mm más allá del sitio de aplicación, dentro y debajo de los componentes, blindándolo de cualquier exposición al calor. El flux líquido utilizado en botellas de compresión en las estaciones de trabajo a menudo se obtiene del mismo gabinete (a prueba de Fuego) del flux que se utiliza en operaciones de soldadura selectiva y por ola. Si este es el caso en tus instalaciones, suspende está práctica hoy. Los proveedores de flux han desarrollado fórmulas para aplicaciones en específico con atributos en su rendimiento para la aplicación en cuestión. Si se requiere un flux externo, se debe usar un flux líquido o en pasta diseñado para el retrabajo que no requiera calor para que se clasifique como No Clean. Mejor aún, usa solo el núcleo de flux que se encuentra en la soldadura de alambre. Los operadores deben estar capacitados para comprender que la aplicación de un flux excesivo o inadecuado pondrá en peligro la confiabilidad de su trabajo.

La presencia de residuos de flux es una preocupación estética, incluso si el alambre y los materiales de flux utilizados son seguros y compatibles. Esto es particularmente cierto para el proveedor de EMS, ya que los residuos (a menudo incorrectamente) se perciben como una medida de la calidad de una PCB. En una estación de trabajo típica, generalmente al lado de la botella de flux, hay una botella de alcohol isopropílico (IPA) de aspecto similar que se utiliza para limpiar el residuo del flux resultante. Esta es otra zona vulnerable para la contaminación electroquímica. IPA es un solvente pobre para los residuos de post-soldadura y nunca debe usarse en esta configuración.

• Aquí está el por qué:

Los residuos de flux se prueban como un sistema según IPC J-STD-004 / A / B. Una vez que los residuos del flux están expuestos al IPA, ya no son el material que se probó originalmente. Las propiedades electroquímicas del residuo resultante parcialmente limpiado no se pueden atestiguar. Peor aún, pueden haberse combinado con otras especies iónicas liberadas por el IPA, y el residuo ahora es un tercer producto indefinido. Además, los hisopos, toallitas y cepillos utilizados para limpiar la tablilla son propensos a la contaminación cruzada, por lo que la limpieza de un residuo No Clean sea una propuesta más riesgosa de lo que se podría esperar. Estudios han demostrado que los flux parcialmente limpios y No Clean tienen un valor de resistividad menor que los flux no alterados. Si debes limpiar el flux por puntos, consulta con el fabricante de tu flux para conocer las recomendaciones químicas de limpieza. Los solventes diseñados específicamente para la eliminación de flux pueden tener un costo inicial más alto, pero son una alternativa más efectiva y segura que el IPA marginalmente efectivo.

La herramienta correcta utilizada equivocadamente puede causar más daño, que utilizar una herramienta incorrecta. Una PCB fabricada en procesos No Clean es tan limpio como el paso más sucio. Si no está limpiando, asegúrese de que los materiales se seleccionen cuidadosamente y se usen correctamente.

La soldadura en pasta, ¿la causa de todos los defectos?

¿Crees que, involucrando a todos tus proveedores, llegarías a la causa de un problema de soldadura intermitente?

En pocas palabras, la última función de una línea de ensamblaje de PCB es crear millones de uniones de soldadura sin error. Esta tarea se complica por la gran cantidad de materiales que se unen durante el ensamblaje, y depende de la calidad de cada terminal de componentes, terminal del PCB (pad) y esfera que se va a soldar. Cuando se descubre un defecto de soldadura, es una práctica común suponer que los materiales de soldadura son la causa, lo que parece lógico, considerando que es un defecto de soldadura. Pero esta suposición a menudo está “fuera de lugar”. Este tipo de escenario regularmente se desarrolla, como se ilustra en un caso reciente presentado a nuestro equipo de análisis de fallas para el diagnóstico. 

En este caso, el ensamble tenía un problema de soldabilidad intermitente con un componente. Llevó el problema a su representante local en varias ocasiones. El problema se aisló a un solo componente y fue reparado en la estación de retrabajo. Fue un fastidio, pero no interfirió con los horarios de producción. La situación era difícil de abordar; era intermitente y sutil, pero persistente. Y cada vez que el representante traía al ingeniero de campo de su proveedor de soldadura para visitas al sitio, el problema de la soldabilidad no estaba presente. Las empresas de soldadura detestan este tipo de problemas, porque tienen un efecto negativo en la satisfacción del cliente y la percepción del producto.

A menudo, un problema de calidad en producción puede aparecer y desaparecer, sin una causa obvia. Dependiendo de la gravedad del defecto, puede detener la producción o simplemente frustrar al personal de ingeniería y crear trabajo extra, lo que termina costando tiempo y dinero. (No se puede minimizar la gran importancia que es tener un proveedor receptivo. Si sus proveedores no contestan rápidamente correos electrónicos o llamadas telefónicas, ¡busca uno que sí lo haga!)

Había una pista en la descripción del problema que el cliente estaba experimentando: todos los componentes se soldaron perfectamente, excepto el que tenía el problema. La soldadura en pasta no decide por sí misma soldar un componente perfectamente y el otro no, en el mismo ensamblaje con en el mismo perfil. No está en el esquema de la impresora querer destruir tu rendimiento de primera pasada (first-pass yield) y tú número de defectos por millón de oportunidades (DPMO). Algo más debe estar sucediendo para que este componente tenga malos resultados en la soldadura.

El diagnóstico puede ser frustrante y las pruebas no concluyentes, lo que puede conducir a suposiciones inexactas. Cuando esto suceda, verifica todos los conceptos básicos antes de profundizar. La lista de verificación debe incluir la configuración de la impresora de soldadura en pasta (niveles, rieles paralelos, herramientas correctas, stencil limpio, correcto/dañado/conectado, por nombrar algunos). También se deben considerar para la maquina colocadora de componentes, como boquillas sucias, contaminación y ajustes de colocación. El horno de reflujo recibe una mención especial. Suponiendo que la impresora y la colocación de componentes funcionan según lo previsto, el único lugar donde el resultado de una línea SMT puede verse significativamente afectada es en el perfil de reflujo del horno. Con conocimiento de un experto, los residuos pueden ser reubicados; los vacíos “voids” de soldadura se pueden eliminar y la humectación/mojado o “wetting” mejorar dramáticamente. También, es donde un proceso puede verse afectado, profunda y negativamente. El mal funcionamiento de una zona de calentamiento o un motor de un ventilador defectuoso, pueden causar inconsistencias sutiles en el proceso. Pero en este caso, todo se verificó, no fue el proceso., algo estaba pasando con los materiales.

El PCB tenía un acabado superficial ENIG. Como no hubo problemas de soldabilidad con otros componentes, la atención se centró en el único componente que fallaba. El problema no era rastreable por manejo interno; esto ocurre en componentes con empaques debidamente almacenados y sellados. El ambiente de producción fue controlado adecuadamente, las instalaciones se encontraban en un clima del sur, así qué la temperatura y humedad tienden a estar en niveles más altos de lo normal durante la mitad del año., pero el problema no se correlacionaba con las condiciones ambientales. El perfil de reflujo y del horno fueron optimizados por un ingeniero certificado por la SMTA utilizando lo último en perfiladores. Debido a la masa térmica del conjunto, era necesario un perfil caliente bastante largo, pero este estaba dentro de los límites de los materiales en uso. El proveedor le realizo las pruebas de balance de humectación/mojado o “wetting” (wetting balance test) que se realizaron a los componentes, indicaron que no hay defectos presentes, y el problema se había observado en varios lotes.

Fuera de balance. Cuando se realizaron las pruebas de soldabilidad a compontes de SMT. Los resultados de la prueba de balance de humectación/mojado o “wetting” (wetting balance test) pueden ser engañosos. Los probadores de balance de humectación/mojado o “wetting” (wetting balance tester) utilizan un baño de soldadura fundida que no es representativo en un perfil de reflujo de tres a cuatro minutos.  En otras palabras, la aplicación rápida de soldadura a alta temperatura puede descomponer los óxidos presentes de manera mucho más efectiva que la pasta de soldadura en un perfil largo y caliente. De hecho, los perfiles de reflujo pueden agravar la formación de óxido antes de que ocurra el soldado, empeorando la condición. Los probadores de balance de humectación/mojado o “wetting” (wetting balance test) revelarán defectos de humectación/mojado generales, pero pueden enmascarar problemas más sutiles.

Los indicadores apuntaban a un problema de soldabilidad de componentes, pero toda la evidencia era circunstancial. Se necesitaba una prueba definitiva para descartar que el componente este dentro o fuera de la especificación. Los componentes suministrados por el cliente se hornearon a 125 ° C durante cinco minutos para simular la exposición a temperaturas de perfil de reflujo, y nuevamente se sometieron a pruebas de balance de humectación/mojado o “wetting” (wetting balance test). Fue inmediatamente evidente que el componente no se estaba soldando correctamente después de la exposición a temperaturas elevadas. La prueba se repitió en varios lotes de componentes, y el problema se mostró de la misma manera que se presentaba en el sitio del cliente, transitorio e impredecible sin un patrón observable. Con esta evidencia, el ensamblador pudo proporcionarle al proveedor del componente evidencia irrefutable de que el componente era la raíz del problema y se necesitaba un remedio a esto.

No es raro que varios proveedores tengan consejos contradictorios para un cliente compartido. Puede parecer que están respondiendo para proteger sus intereses. En este caso, sin embargo, todos los proveedores habían proporcionado información sólida, de la mejor manera que pudieron, sin una solución clara. Se requirió compromiso, paciencia y creatividad para resolver un problema latente. La soldadura en pasta no decide por sí misma, pero decidir elegir proveedores que respalden tus productos y procesos, sí es posible.