La soldadura en la Electrónica Moderna

Por Luis Lund, Gerente de POIROT.www.poirot.cl

La soldadura tiene dos propósitos claves para unir dos materiales: una conexión eléctrica y una unión mecánica. Ambas deben ser duraderas, es decir, resistentes a condiciones agresivas de uso durante toda su vida útil, como vibraciones, golpes y variaciones térmicas. Una unión mecánica duradera puede lograrse sólo cuando la soldadura fundida se introduce y forma una capa intermetálica entre el pin del componente y la pista del PCB (Printed Circuit Board), y ambas capas se recalientan en 15°C aproximadamente por sobre la temperatura de fusión de la soldadura.

El material intermetálico se observa en una micrografía escaneada, como lo muestra la figura 1. La secuencia del proceso de fusión de la soldadura en una unión, desde la temperatura ambiente hasta la formación de material intermetálico, se desarrolla de la manera mostrada en las figuras 2 y 3. FIGURA 2: Entre temperatura ambiente y temperatura de fusión. FIGURA 3: Formación de material intermetálico. • Entre temperatura ambiente y fusión de la soldadura, tenemos: Si la unión no está lo suficientemente caliente, entonces no se formará suficiente material intermetálico. La unión se cortará, o se irá a intermitente, vía generación de óxido. Esto se conoce como "soldadura fría". Por otra parte, si la unión se ha calentado demasiado, se producirá excesivo material intermetálico, disminuyendo la resistencia mecánica de la unión. La figura 4 muestra el fenómeno de disminución de la resistencia mecánica de la unión en función de la cantidad de material intermetálico. FIGURA 4. Herramientas y máquinas soldadoras Tanto las herramientas soldadoras para reparar PCBs como también las máquinas soldadoras para el ensamblaje seriado de los componentes, deben aplicar este concepto para lograr los mejores resultados de repetibilidad, calidad y costos. Las herramientas deben tener un lazo cerrado de control, rápido, con un termopar en la punta del cautín para comandar dicho lazo cerrado de control, con procesadores precisos y calefactores potentes y eficientes. En las figuras 5 y 6 se puede apreciar la diferencia de resultados de soldaduras manuales al soldar una serie de tres puntos, usando cautines sin lazo cerrado de control, y empleando aquéllos que sí lo tienen. En resumen, los primeros forman un buen material intermetálico sólo en una unión de las tres, mientras que los otros lo forman en las tres uniones. Por otra parte, los hornos de reflujo también deben tener sistemas de medición y control de temperaturas, tanto en los puntos críticos de soldadura como en las cavidades de las distintas zonas de calefacción. Ambas mediciones son distintas, sin embargo, la de la soldadura es la que interesa para el concepto mencionado. Para ello, se utilizan termopares volantes que monitorean las curvas de calentamiento en las soldaduras críticas del PCB, y un software de control que ajusta automáticamente las condiciones de velocidad del transportador interno del horno y la temperatura de cada zona hasta lograr el perfil de temperatura programado. Figura 5: Este cautín sin lazo cerrado de control, forma material intermetálico sólo en una unión de las tres. Figura 6: Este cautín forma material intermetálico en las tres uniones. La soldadura sin plomo Desde el año 2006, se utiliza exclusivamente soldadura libre de plomo para los productos electrónicos que se comercializan en Europa, Japón y otros países, principalmente para resguardar la salud de las personas que manipulan los PCBs durante su vida útil. En la economía global, esto significa que la mayoría de las empresas que quieran ser exitosas con sus productos electrónicos, deberían utilizar este tipo de soldadura, al menos para comercializar en los países mencionados. No obstante, la soldadura sin plomo es más difícil de procesar. La soldadura con plomo, eutéctica Sn63Pb37, funde a 183°C, la cual, aun agregándole los 15°C adicionales para formar el material intermetálico, todavía está lejos de romper el componente, lo que sucede normalmente a 250°C aproximadamente. Es decir, la ventana de control de proceso es amplia. Por otro lado, la soldadura sin plomo, como por ejemplo la SAC305, Sn96.5Ag3.0Cu0.5, funde a unos 217°C, es decir, a 34°C más que la soldadura con plomo eutéctica. Al agregarle los 15°C para el material intermetálico, llega a 232°C, peligrosamente muy cerca de los 250°C. En otras palabras, la ventana de control de proceso se hace más estrecha, requiriéndose de herramientas soldadoras y hornos de producción con controles de temperaturas más precisos, potentes y rápidos para producir el material intermetálico, sin dañar el componente ni el PCB.