Minimizar el efecto de racimo

Amigos, 

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

Introducción 

El crecimiento de los dispositivos electrónicos personales sigue impulsando la necesidad de componentes eléctricos activos y pasivos cada vez más pequeños. Esta tendencia a la miniaturización, junto con las demandas de ensamblaje sin Pb que cumpla con la RoHS, ha creado más desafíos, que incluyen el efecto de racimo.

A medida que disminuye el tamaño del depósito de pasta de soldadura, el área de la superficie relativa de las partículas de soldadura expuestas aumenta y la cantidad de fundente disponible para eliminar los óxidos superficiales disminuye. Si a esto se suma el calor adicional que es necesario para refluir la mayoría de las soldaduras sin Pb, resulta en una fórmula propicia para producir el fenómeno del efecto de racimo. Durante el proceso de calentamiento, a medida que la viscosidad del fundente disminuye y comienza a extenderse hacia abajo y hacia afuera, empiezan a exponerse las partículas de soldadura de la parte superior del depósito. Si no hay fundente cerca, estas partículas de soldadura pueden oxidarse cuando la pasta de soldadura entre en la rampa o en el remojo de la etapa de reflujo. Estos óxidos inhibirán la coalescencia completa de las partículas para formar una unión de soldadura uniforme una vez alcance el punto liquidus. Las partículas no refluidas a menudo exhiben la apariencia de un racimo de uvas, como puede verse en la Figura 1.

Figura 1. El efecto de racimo.

Impresión de esténcil

La proporción de área (AR) es una estadística crítica para imprimir exitosamente los esténciles. Se define como el área de la abertura del esténcil dividida entre el área de las paredes laterales de la abertura. La figura 2 muestra un esquema para aberturas cuadradas o rectangulares y circulares. Un cálculo simple muestra que la AR se simplifica al diámetro (D) del círculo dividido entre cuatro por el grosor del esténcil (t) o AR = D/4t. Sorprendentemente, el resultado es el mismo para las aberturas cuadradas, con D ahora igual a los lados del cuadrado. Para la AR de una abertura rectangular, la fórmula es un poco más complicada: ab/2(a+b)t, en donde a y b son los lados del rectángulo.

Figura 2. Esquemas de abertura en casos rectangulares y circulares.

En la industria se acepta generalmente que, para obtener una buena impresión de esténcil, la AR debe ser mayor a 0,66. La experiencia ha demostrado que, si la AR es mayor a 0,66, la eficiencia de transferencia podría ser baja y errática, aunque esto ha mejorado con los avances en la tecnología de las pastas de soldadura.

Eficiencia de transferencia

La eficiencia de transferencia, es otra estadística importante en la impresión de esténciles, se define como el volumen del depósito de pasta de soldadura dividido entre el volumen de la abertura. Para darle espacio a la impresión de esténciles de características pequeñas, no es extraño buscar pastas de soldadura que incorporen polvo más fino para así optimizar el proceso de impresión. Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño de las partículas de polvo de pasta de soldadura, aumenta el área relativa de superficie expuesta. Con este aumento en el área de la superficie, también se genera un aumento en el total de óxido superficial. Este aumento en los óxidos superficiales requiere que los productos químicos del fundente tengan que trabajar aún más duramente para eliminar los óxidos y proteger la superficie del polvo, de los componentes y de la placa durante todo el proceso de reflujo.

En un esténcil de 3 mil de espesor, la AR para una abertura cuadrada de 6 mil es el mismo que la AR para una abertura circular de 6 mil: 0,50. Sin embargo, al comparar los dos, el volumen del depósito de pasta de soldadura de la abertura cuadrada es mayor (~ 108 mil cúbicos) que el depósito de la abertura circular (85 mil cúbicos). El volumen adicional de pasta de soldadura que brinda la abertura cuadrada puede ayudar a reducir el efecto de racimo. De mayor importancia, sin embargo, es la mayor eficiencia de transferencia que brinda una abertura cuadrada. El diseño de abertura cuadrada brinda una eficiencia de transferencia más consistente, reduciendo aún más el potencial de aparición del efecto de racimo, ya que los depósitos inconsistentes podrían representar volúmenes menores.

Almohadillas SMD vs. NSMD

Los resultados experimentales de enmascarar la soldadura han demostrado que el efecto de racimo es menos frecuente en las almohadillas definidas por máscara de soldadura (SMD). Se cree que enmascarar la soldadura brinda una barrera (un dique), que restringe la propagación del fundente durante el proceso de calentamiento y aumenta la disponibilidad potencial del fundente para la eliminación y protección frente a los óxidos. Enmascarar la soldadura también puede actuar como una barrera para proteger las partículas de polvo de pasta de soldadura que estén cerca de una mayor oxidación.

Soluble en agua vs. No limpio

Los químicos de fundentes no limpios son generalmente fórmulas a base de colofonia o resina (en lo sucesivo denominadas solo resina). Debido a que las resinas no son muy solubles en los solventes utilizados en los químicos de fundentes solubles en agua, generalmente se reemplazan con compuestos moleculares grandes, como polímeros, en el caso de los fundentes solubles en agua. Los activadores dentro de los químicos del fundente eliminan los óxidos presentes en las superficies de unión, así como también las partículas de polvo de pasta de soldadura dentro de la misma pasta de soldadura. Se produce una mayor oxidación o reoxidación durante la etapa de calentamiento. Mientras que las resinas en fundentes no limpios son excelentes barreras frente a la oxidación y protegen contra la reoxidación, la falta de resinas en los productos químicos solubles en agua hace que se queden cortas en términos de brindar resistencia a la oxidación.

Por tanto, para los mismos perfiles de reflujo, aunque los químicos solubles en agua son generalmente más activos, su menor resistencia a la oxidación los hace más sensibles en perfiles largos o calientes, lo que aumenta el potencial de aparición defectos por el efecto de racimo.

De rampa a pico vs. de remojo

Durante muchos años, el perfil de reflujo de "tipo remojo" fue bastante frecuente. Con el tiempo, sin embargo, el foco del perfil de reflujo favorito ha cambiado hacia el de rampa a pico (RTP). A este cambio contribuyen las temperaturas más altas del proceso de reflujo que se asocian con las soldaduras sin Pb, además de la necesidad de disminuir la exposición total al calor de los depósitos de pasta más pequeños, los componentes sensibles a la temperatura y al laminado de la placa. Otro beneficio del perfil de remojo es que se utiliza para reducir la formación de vacíos. Sin embargo, no es tan efectivo con soldaduras sin Pb, debido al aumento de la tensión superficial de las soldaduras sin Pb y la mayor temperatura que se utiliza para refluirlas.

Para minimizar el efecto de racimo, es mejor reducir el tiempo en el horno, siempre que utilice el mismo tiempo por encima del punto liquidus (TAL) y la temperatura máxima, consulte la Figura 3. El perfil de remojo normalmente produce más efecto de racimo que un perfil RTP. El efecto de racimo se exacerba a medida que aumenta el tiempo total en el horno. Disminuir el calor total disminuye drásticamente el efecto de racimo. Comúnmente se recomienda una velocidad de rampa (de ambiente al pico) de 1°C por segundo, lo que equivale a aproximadamente 3 minutos, 40 segundos a una temperatura máxima de 245°C.

Figura 3. Perfiles típicos de reflujo en soldaduras sin Pb.

Conclusiones

Para reducir el efecto de racimo, es vital garantizar un proceso óptimo de impresión y reflujo. El uso de las pautas proporcionadas para la relación de área y una buena configuración del proceso y del equipo garantizará una buena eficiencia de transferencia. Aunque la relación de área para diseños de abertura circular y cuadrada puede ser igual, el potencial de aparición del efecto de racimo aumenta con los diseños de abertura circular debido a que disminuye del volumen de pasta y la eficiencia de transferencia.

Desde el punto de vista del reflujo, disminuir el ingreso total de calor disminuirá la probabilidad de aparición del efecto. Se sugiere utilizar un perfil de tipo RTP con una velocidad de rampa de ~ 1°C por segundo.

Los factores materiales también influyen en el resultado. La aparición del efecto de racimo aumenta a medida que disminuye el tamaño de partícula de la pasta de soldadura y aumenta el área de la superficie oxidada. Los productos químicos de pasta de soldadura solubles en agua no brindan la barrera de oxidación que las resinas brindan para los productos químicos no limpios y son más propensos al efecto de racimo.

Saludos,

Dr. Ron