Minimizing Tombstoning

Amigos, 

Esta publicación es un extracto de La guía del ensamblador de circuitos impresos para los defectos de soldadura de Indium Corporation.

Introducción

Los problemas de las placas de circuitos impresos (PCB) pueden ser un desafío, pero no cualquiera puede causar la muerte prematura de su PCB como el efecto tombstoning. La causa del tombstoning son las fuerzas de tensión superficial desiguales creadas durante el derretimiento de la pasta de soldadura en lados opuestos de un componente pasivo. Esas fuerzas desiguales causan que el componente pasivo se levante por un lado y rompa el contacto con el circuito y eso resulta en una apariencia similar a la de una lápida en un cementerio (vea la Figura 1).

Figura 1: Condensadores afectados por tombstoning.

Mecanismo del Tombstoning

Varios factores contribuyen al tombstoning. El tombstoning es casi siempre el resultado de fuerzas de humectación desiguales entre los terminales del componente. Cuando un terminal se "humecta" antes que el otro, la fuerza de humectación no balanceada de la soldadura "hala" el componente, lo rota y hace que se apoye en un extremo. También encontramos que el tombstoning ocurre a partir de un calentamiento desigual del conjunto PCB. Mientras la placa de cableado impreso (PWB) atraviesa el horno de reflujo, a menudo la terminal frontal del componente pasivo se calienta primero (vea el lado izquierdo del componente pasivo en la Figura 2) Este calentamiento desigual causa que la pasta de soldadura depositada más cerca de la fuente de calor (el lado izquierdo de la Figura 2) se derrita primero. Mientras esta soldadura se derrite, su tensión superficial causa que el componente pasivo se levante como se observa en las figuras 1 y 2.

­

Figura 2: El mecanismo del tombstoning en detalle.

Aleación de soldadura

Un enfoque para minimizar el tombstoning es usar una aleación de soldadura con un rango "plástico" o "pastoso" al derretirse. El rango plástico es el rango de temperatura en el cual la soldadura está fundida y a la vez sólida. En una soldadura eutéctica como la soldadura Sn63/Pb37, no hay rango plástico, debido a que la soldadura está completamente sólida justo por debajo de los 183 °C y completamente líquida por encima de los 183 °C. Las aleaciones de SnPbAg como Sn62 o Indaloy®100, se usan ampliamente para eliminar los problemas de tombstoning con conjuntos con plomo, debido a su amplio rango plástico. 

En las soldaduras libres de Pb, SAC3510 (Sn/3,5Ag/1Cu) tiene un rango plástico estrecho, mientras que SAC305 tiene un rango más amplio. Por tanto, podría esperarse que SAC305 se desempeñe mejor en términos de minimizar el tombstoning, y así es. La figura 3 muestra los resultados de los experimentos para determinar la tasa de tombstoning. Tenga en cuenta que la tasa de tombstoning de la aleación SAC3510 es más de seis veces superior a la de SAC305. Dado que SAC305 es una de las aleaciones sin plomo más comunes, la aparición del tombstoning ha disminuido considerablemente en la era sin plomo.

Figura 3: Comparación del tombstoning en aleaciones diferentes a SAC305. Las barras verdes representan las aleaciones libres de plomo, las negras son las aleaciones que contienen plomo

Diseño de la placa

Es extremadamente importante que los ingenieros de fabricación trabajen en estrecha colaboración con los ingenieros de diseño para eliminar los desafíos y los defectos en la fabricación de PCB. El tombstoning es un defecto en el que un diseño adecuado puede eliminar el problema. Si el diseño de la placa tiene un disipador de calor (una capa de cobre, por ejemplo) debajo o cerca de uno de los lados de un componente pasivo y el otro lado está más alejado, es posible que el disipador afecte el equilibrio térmico del conjunto; la pasta de soldadura del lado sin el disipador de calor posiblemente se derrita primero, lo que podría generar un defecto de tombstoning.

Diseño del esténcil

Minimizar la cantidad de pasta de soldadura impresa en las almohadillas del PCB también reducirá el tombstoning. Es especialmente útil reducir la cantidad de soldadura impresa directamente detrás de los extremos del componente pasivo, eso eliminará las fuerzas causantes del tombstoning. En la Figura 4 se muestra un diseño de esténcil típico para ayudar a alcanzar este objetivo. En algunos experimentos, este diseño eliminó por completo el tombstoning.

Figura 4: Un diseño de esténcil para minimizar el tombstoning en los componentes pasivos 0402.

Impresión

El proceso de impresión y la eficiencia de transferencia son componentes clave de muchos defectos de final de línea, incluido el tombstoning. Si un lado de un componente pasivo tiene más pasta de soldadura que el otro, el componente puede colocarse en una posición en la que esté en contacto solo con el depósito superior. Lo más probable es que esto resulte en un defecto de tombstoning. El uso de equipos de inspección de pasta de soldadura (SPI) puede ayudar a garantizar que los depósitos de pasta de soldadura estén dentro de las especificaciones y que uno no sea más alto que el otro. La optimización del tamaño y la forma de la abertura también ayudará a minimizar la variación del volumen de soldadura en pasta entre almohadillas.

Colocación

La fuerza de colocación o una altura Z incorrecta, a menudo puede ser la razón por la que se produce el tombstoning. Es importante asegurar que la presión de colocación y la altura Z sean adecuadas para el conjunto y estén optimizadas antes de la producción. También es posible que las piezas se tuerzan al colocarlas. Aunque la soldadura tiende a autoalinearse, los componentes colocados incorrectamente o desalineados pueden resultar en tombstoning.

Reflujo

Un enfoque para minimizar el tombstoning es disminuir la cantidad total de calor durante el reflujo al aumentar gradualmente el gradiente de rampa. Sin embargo, esta condición puede ser difícil de lograr en un horno de reflujo. Otra opción es usar un perfil de reflujo de tipo remojo para lograr el equilibrio térmico entre los dos depósitos de pasta de soldadura de modo que ambos depósitos entren en la fase liquidus al mismo tiempo.

Además de evitar las soldaduras sin rango plástico, una atmósfera de nitrógeno en el horno de reflujo tiende a exacerbar el tombstoning ya que el nitrógeno aumenta la velocidad de humectación y permite que las fuerzas de tensión superficial aparezcan más rápidamente. A menos que haya depósitos de pasta de soldadura de características finas o conjuntos de paquete sobre paquete (PoP) en la placa, lo más probable es que no haya una razón para usar nitrógeno, ya que la mayor parte de las pastas de soldadura modernas de primer nivel pueden funcionar bien en un reflujo con atmósfera de aire.

Conclusiones

El tombstoning puede minimizarse si se siguen las pautas establecidas en este artículo. Una forma confiable de minimizar el efecto tombstoning es usar una aleación de soldadura que tenga rango amplio en estado plástico, como Indalloy®100 (con plomo) o SAC305 (sin plomo). También es importante mantener un diálogo abierto con los diseñadores de la placa para minimizar los disipadores de calor cerca o debajo de uno de los lados de los componentes pasivos. Use un perfil de temperatura de reflujo de soldadura que pase lentamente de solidus a liquidus, o minimice el desajuste térmico con un remojo. Incorpore SPI para asegurar que los depósitos de soldadura tengan alturas similares y estén dentro de las especificaciones, e imprima un depósito de soldadura que sea pequeño, especialmente en las dos terminales del componente pasivo. Verifique que la presión de colocación y la altura Z sean adecuadas y que las piezas no se coloquen torcidas. Evite usar nitrógeno en el horno de reflujo; con una buena pasta de soldadura, es innecesario y exacerba el tombstoning.

Saludos,

Dr. Ron