Durante toda mi vida he hecho diferentes reparaciones caseras en electrónica sin mayores complicaciones.
Pero hoy en día los elementos son tan disminutos y las placas de varias capas que hacen que la soldadura tradicional ya no sirva.
Eso me pasó a mi hace unos días intentando reemplazar un elemento en una placa base de un PC. Tarea que se volvió super complicada al carecer de los nuevos materiales aplicados en la electrónica
Hoy quiero compartir con ustedes un material de cuyo autor no figura pero me parece muy bueno para aquellos que se inician en este mundillo y quieren saber las diferentes técnicas que se aplican en las soldaduras. También para aquellos jóvenes que se inician y necesitan material donde estudiar.
TIPOS DE SOLDADURAS
Se clasificar los diferentes tipos de soldadura usados en electrónica de
la siguiente forma:
1. Soldadura por fusión (soldering) o refusión (reflow):
i. Soldadura blanda:
a) Por conducción del calor:
· Soldador manual.
· Por ola simple.
· Por doble ola.
· Por inmersión (baño muerto).
· Por placa caliente fija o móvil.
· Electrodos.
· Horno de túnel continuo.
[b) Por convección:
· Chorro de aire caliente.
c) Por radiación:
· Rayo láser con aporte de material.
· Rayos infrarrojos.
· Rayos ultravioleta.
ii. Soldadura dura o fuerte.
iii. Soldadura eutéctica.
2. Soldadura sin fusión (welding):
i. Ultrasonidos.
ii. Termosónica.
iii. Termocompresión.
3. Unión mediante adhesivos conductores (collage conductor):
i. Colas epoxídicas.
ii. Colas de silicona.
Soldadura por fusión o refusión:
Existe un metal o aleación metálica que se funde para realizar la soldadura. Una vez realizada ésta, el metal fundido se enfría solidificándose en el proceso.
Soldadura blanda: Como material de aporte se usa una aleación metálica con bajo punto de fusión (<450ºC). Los metales a unir no llegan a la fusión. Tiene como objetivo la unión de dos partes metálicas por medio de una
aleación no férrica produciendo un buen contacto eléctrico y una fijación mecánica suficientemente fuerte para sujetar los componentes a la placa de PCB o a la regleta de conexión.
Soldadura dura o fuerte: Como material de aporte se usan metales puros y aleaciones metálicas con altos puntos de fusión. Los metales usados, puros o en aleación , son el oro y la plata. Es usada en microelectrónica.
Soldadura eutéctica: Como material de aporte se usa una aleación metálica deoro-silicio u oro-estaño. Es la más usada en microelectrónica
Soldadura por fusión o refusión
Soldadura blanda
Por conducción: El calor pasa de la fuente al punto de soldadura por contacto directo entre
materiales.
Por convección: El calor se transporta desde la fuente al punto de soldadura por medio del movimiento de un fluido gaseoso.
Por radiación: La energía parte de la fuente en forma de radiación electromagnética.
En el punto de soldadura se transforma en calor.
Soldadura sin fusión:
No utiliza material de aportación. La unión se produce por interpenetración molecular de las dospartes a unir. Muy usada en las uniones con hilos de oro entre los chip y las patillas del encapsulado
Ultrasonidos: Se usa un emisor ultrasónico
(sonotrodo) trabajando a una frecuencia entre 20kHz y 50kHz. Puede producir uniones entre metales diferentes.
Termosónica: Usada para soldar hilos de oro en aquellos casos en los que
la temperatura no pueda exceder de los 130ºC. Es una mezcla del sistema ultrasónico y el sistema térmico.
Termocompresión: Usada para hilos de oro. La temperatura de soldadura es de 310ºC. Para la interpenetración molecular se emplea, además, la aplicación de una presión sobre el hilo a soldar.
Unión mediante adhesivos conductores:
No es realmente una soldadura, pero present excelente cualidades mecánicas y eléctricas. Sólo se emplea con componentes SMD (componentes de montaje superficial).
Se diferencian en dos tipos diferentes
Colas epoxídicas: Colas a base de epóxido. Se les añade gran cantidad de partículas
metálicas (Ag, Au, Pt,...)
Colas de silicona: Igual que las colas epoxídicas pero basadas en la silicona.
También se les añade partículas metálicas
SOLDADORES
Soldador manual: El método usado fuera del ámbito industrial. Se realiza con un soldador y el aporte de material (aleación de estaño y plomo en relación 60/40). Más adelante se describirá con todo detalle la técnica de soldadura.
Soldadura por ola simple y doble ola: Un tanque contiene la aleación metálica de soldadura en estado líquido (fundida). Mediante un sistema de bomba o de rodillo giratorio se consigue crear una ola o protuberancia en la superficie del metal fundido. Con un sistema de guiado se hace pasar la placa de circuito impreso (PCB) precalentada, con los componentes sin soldar, por la ola. Tras pasar por ella los componentes quedan soldados.
Soldadura por inmersión o baño muerto: La placa, una vez precalentada y con sus componentes insertados, desciende hasta entrar en contacto con la superficie líquida de la aleación de estaño
contenida en un crisol. El tiempo de inmersión es crítico para efectuar soldaduras correctas. Este método queda limitado a tecnologías de fabricación mayores o iguales a 1,27mm de paso.
Soldadura por placa caliente fija: En este sistema de soldadura la placa de circuito impreso se suelda mediante el empleo de pastas de soldadura. Sólo es válido para componentes SMD. La soldadura se
efectúa colocando sobre una placa calefactada la placa de circuito impreso. Por el calor que de la placa calefactada se transmite a la PCB se produce la fusión de la pasta de soldadura.
Seguidamente se retira la PCB de la placa caliente y se deja enfriar.
Soldadura por placa caliente móvil: Similar al método anterior, se diferencia de él en que la PCB no reposa estática sobre la placa caliente, sino que es trasladada durante todo el proceso mediante un
mecanismo de transporte:
Soldadura por electrodos: Usada para soldar componentes SMD con gran número de patillas. Se usan unas cabezas de soldadura que presentan una serie de salientes (electrodos) dispuestos de tal
forma que coincidan con las patillas del componente a soldar en forma y número. Por calentamiento de los electrodos se produce la soldadura al fusionarse la aleación de soldadura previamente dispuesta sobre los pads.
Soldadura en horno de túnel continuo: Se realiza introduciendo la placa de circuito impreso en un horno que posee cinco zonas a diferente temperatura. La placa va pasando por las diferentes zonas
del horno gracias a un sistema de transporte. Las zonas del horno son las siguientes:
Zona 1: 80ºC.
Zona 2: 175ºC.
Zona 3: 240ºC.
Zona 4: 160ºC.
Zona 5: 75ºC.
Este método reduce las tensiones mecánicas en la PCB debidas a cambios bruscos de temperatura, ya que tanto el calentamiento como el enfriamiento de la placa de circuito impreso se hace de forma gradual.
Soldadura por chorro de aire caliente: Empleada en componentes SMD. Una bomba de aire impulsa a este a través de unos calefactores calentándolo hasta la temperatura de soldadura. El aire caliente
se encauza hasta unas boquillas o toberas que tienen la forma adecuada para soldar el componente que se trate. Aplicando sobre las patillas de éste el chorro de aire caliente se producirá la soldadura del citado componente. En este sistema es necesario un ajuste adecuado del caudal de aire.
Soldadura por rayo láser con aporte de material: Se emplea un rayo láser de tipo YAG (rayo láser que se genera a partir de un cristal especial, Ytrium Aluminium Garnet, granate de itrio y aluminio) de
potencia moderada (en torno a los 20W). Para la soldadura se hace incidir el láser sobre el punto de soldadura produciéndose en éste una elevación de la temperatura por efecto del aporte de energía del láser. La elevación de la temperatura es lo suficientemente alta como para producir la soldadura por fusión de la aleación de soldadura.
Soldadura por rayos infrarrojos o por rayos UVA: La elevación de la temperatura necesaria para la soldadura se consigue por medio de rayos infrarrojos generados en un horno de soldadura gracias a lámparas infrarrojas o a lámparas de rayos UVA
Aleaciones de estaño usadas en electrónica
Las aleaciones usadas en electrónica se pueden encontrar comercializadas en carretes de diferente tamaño (250g, 500g, 1kg, 2kg) y con diferentes diámetros de hilo (0,5mm, 0,7mm, 0,8mm, 1mm, 1,2mm). Suelen incluir una o varias almas de resina (flux) para facilitar la soldadura.
Aleación de Sn/Pb 60/40: Es la aleación más usada. Muy cercana a la del punto eutéctico
proporciona una transición de sólido a líquido lo suficientemente rápida. Empieza a fundir a 183ºC y está totalmente fundida a 188ºC.
Aleación de Sn/Pb/Ag 62/36/2: Aleación trimetálica correspondiente al punto eutéctico. Funde a 179ºC. Evita la lixiviación (disolución) cuando se suelda en superficies chapadas en plata u oro. El riesgo de fracturas en la soldadura al enfriarse ésta es menor que con otras aleaciones.
Aleación de Sn/Pb/Ag 5/93,5/1,5: Presenta un alto punto de fusión. Empieza a fundir a 296ºC. Está totalmente
fundido a 301ºC.
Se emplea en soldaduras que puedan soportar temperaturas elevadas. Proporciona uniones mecánicamente más resistentes que las aleaciones normales de estaño y plomo y soporta menores temperaturas que éstas sin volverse frágiles. Aleación de Sn/Pb/Ag 18/80/2: Permite soldar aluminio, latón, níquel, acero inoxidable y, por
supuesto, cobre. Empieza a fundir a 178ºC y está totalmente fundido a 270ºC.
Aleación de Sn/Cu 99/1: Aleación sin contenido en plomo. Actualmente se trata de eliminar el plomo de componentes y procesos en electrónica por cuestiones de salud y medio-ambientales. Empieza
a fundir a 227ºC y está totalmente fundido a 240ºC. Proporciona gran calidad.
Las pastas de soldadura
Una forma diferente de presentación de las aleaciones de estaño para la soldadura blanda son las pastas de soldadura. Compuestas básicamente por resinas, que actúan como decapantes facilitando la soldadura, y por una alta concentración de partículas metálicas de la aleación de soldadura, en suspensión en las resinas. Las pastas de soldadura pueden comercializarse en botes sin dispensador o en contenedores que incluyen alguna forma de aplicador. Así, podemos encontrar recipientes en forma de jeringa o incluso rotulador
Las pastas de soldadura están pensadas para ser empleadas con dispositivos SMD.
Las pastas de soldadura
Las pastas de soldadura se usan en la soldadura de componentes SMD. Industrialmente, la pasta de soldadura se aplica a la PCB antes de colocar los componentes mediante un proceso serigráfico. En este proceso se pueden dar muchos fallos. Para minimizarlos se deberá tener en cuenta lo siguiente:
La pasta de soldar se debe almacenar correctamente antes de su uso a una temperatura entre -5ºC y 19ºC.
En el momento de usar la pasta de soldar debe estar a la temperatura ambiente del recinto de serigrafía, que debe ser de 22ºC a 26ºC.
Remover la pasta de forma minuciosa pero no enérgica, para conseguir una mezcla correcta de todos sus componentes. No remover más de dos o tres minutos. La humedad relativa en la sala de serigrafía debe estar comprendida entre el 40% y el 50%.
Deben evitarse las corrientes de aire sobre la pantalla serigráfica.
La pasta sobrante de un proceso serigráfico debe ser guardada a parte de la no usada para evitar posibles contaminaciones de la pasta no usada.
En el empleo de pastas de soldadura a nivel no industrial se deben usar aquellas que se comercializan en botes con algún tipo de aplicador, ya que la técnica de aplicación de la pasta es totalmente manual.
El flux
El flux es una mezcla de sustancias químicas (resinas) que tienen por objeto facilitar el proceso de soldadura blanda. Ello lo consigue de tres formas diferentes:
1. Limpiando las zonas a soldar de restos de óxidos, aceites y grasas.
2. Evitando que se forme nuevo óxido debido al calor de la soldadura.
3. Facilitando que el material de aporte fundido moje las superficies a unir.
Para soldaduras manuales de componentes THD debe usarse una aleación de estaño en forma de hilo que incorpore uno o varios núcleos de flux. Este tipo de estaño se presenta en carretes
Para componentes SMD se recomienda también el hilo de estaño con almas de flux pero, además, suele ser necesario el empleo de flux líquido en procesos manuales de soldadura
Para que el flux sea efectivo ha de alcanzar una temperatura mínima llamada temperatura de activación. Dicha temperatura dependerá de la composición concreta de cada tipo de flux.
Los tipos de flux son los siguientes:
Ï R – Resina, fue el primer flux utilizado en la electrónica y aun se emplea. Esta hecho de la savia que emana de algunos arboles (no contiene haluros -grupo formado por un átomo de C y otro de F, Cl, Br, I o At- ni ácidos orgánicos). Adecuado para limpieza con solvente/detergente. El flux sobrante debe de ser retirado mediante lavado.
Ï RMA – Resina Media Activada (bajo contenido en haluros y ácidos orgánicos débiles).
Adecuado para limpieza con solvente/detergente.
Ï RA – Resina Activada (contiene haluros y ácidos orgánicos débiles). Usado por algunos como no-clean (ver más abajo), usualmente con solvente/detergente.
Ï RSA – Resina Super Activada (alto nivel de haluros y ácidos orgánicos). Limpieza con
solvente/detergente.
Ï OA – Orgánico Activado (alto nivel de haluros, alto nivel de ácidos orgánicos fuertes). Debe de ser lavado con agua o con detergente.
Ï NO-CLEAN – Los residuos no se lavan, no degradan la Resistencia al Aislamiento de la
Superficie (SIR).
Ï VOC-FREE – Ácidos orgánicos débiles usualmente libres de resinas. El alcohol es reemplazado
por agua.
Se recomienda el uso de flux para reparar soldaduras defectuosas. De este modo se evita la retirada del estaño en mal estado y el posterior aporte de nuevo fundente.
Los pads de la PCB
Los elementos visto hasta ahora pueden soldarse entre sí o bien hacerlo en una placa de circuito impreso (PCB). Si este es el caso, en la PCB se dispondrá de zonas específicas para ello. Estas zonas se llaman pads o nodos de soldadura:
Los pads deberán adaptarse adecuadamente al componente que se soldará en él. Así, si se trata de un componente THD deberá incluir un agujero pasante. En todo caso, deberá tener el tamaño adecuado para poder realizar la soldadura por el método manual
Clasificaciones de los soldadores usados en electrónica
Podemos hacer diferentes clasificaciones:
· Eléctrico a red: se alimenta directamente de la red eléctrica.
· Eléctrico a baterías: se alimenta de unas baterías incluidas en el cuerpo del soldador. El cargador puede venir o no incluido al adquirir un soldador de este tipo.
· A gas: su funcionamiento es parecido al de un mechero. Llevan un depósito de gas que puede ser llenado por el usuario.
· Atendiendo a su potencia:
· De pequeña potencia: aquellos menores de 20W.
· De mediana potencia : con potencias comprendidas entre los 20W y los 40W.
· De gran potencia: aquellos con una potencia de más de 40W.
· Especiales:
· De calentamiento rápido o tipo pistola: la punta del soldador adquiere la temperatura adecuada en pocos segundos. Muy usado por técnicos de reparaciones.
· Eléctricos con temperatura ajustable: incorporan un mando ajustable en forma de tornillo mediante el cual se puede regular la temperatura del soldador.
· Eléctricos termostáticos: simplificación de los anteriores, son capaces de mantener la
temperatura del soldador a un valor más o menos constante, unos 370ºC.
El soldador eléctrico alimentado directamente de la red
Es el soldador más habitual y usado de los enumerados hasta ahora. El despiece de un modelo típico de la marca JBC sería el siguiente:
Las partes de un soldador eléctrico alimentado directamente desde la red eléctricas son las
siguientes:
Los modelos modernos incluyen una clavija de enchufe con toma de tierra (tipo Schuko).
Esta toma de tierra está conectada a la punta del soldador evitando así la acumulación de cargas electrostáticas en ésta. De esta forma sem evita la destrucción de dispositivos sensibles durante el proceso de soldadura
El principio de funcionamiento de este soldador es muy simple. Al conectarlo a la red eléctrica circulará corriente por la resistencia del soldador, produciéndose su calentamiento por efecto Joule ( Q = 0.24 I2 R t, en calorías ). El calor producido en la resistencia pasa a la punta del soldador, por conducción térmica, calentándola hasta
que se llega a la temperatura de equilibrio (a una temperatura ambiente dada, la necesaria para que la cantidad de calor suministrada a la punta sea igual a la cantidad de calor que la punta pierde, principalmente por convección). La temperatura que alcanza la punta de un soldador es de más de 350ºC y tarda en ser alcanzada unos 2 ó 3 minutos.
Podemos encontrar soldadores de este tipo que incluyan un termostato para mantener la temperatura de la punta estable e incluso algunos modelos permiten el ajuste de la temperatura de la punta del soldador, mediante un mando en forma de tornillo, entre valores que suelen ser de 200ºC a 450ºC
Existe un modelo de soldador de los de este tipo que es usado mucho por técnicos de reparación en los desplazamientos a los domicilios. Se trata del soldador de calentamiento rápido o de tipo pistola:
Tras pulsar el “gatillo” el soldador se calienta en pocos segundos. En la fotografía se puede apreciar que la punta difiere de la de los soldadores clásicos. Esto es así debido a que la punta es al mismo tiempo la resistencia del soldador. ¿Cómo se consigue el calentamiento rápido? Haciendo pasar una corriente de varios amperios por la punta, con lo que ésta alcanza rápidamente la temperatura de operación (recordemos que el calor generado por una resistencia depende cuadráticamente de la corriente que la atraviesa). Ayuda además el hecho de que el calor se genera directamente en la punta, y por tanto no debe fluir hacia ella desde una resistencia externa. Estos modelos de soldador suelen incluir una pequeña bombilla de incandescencia a modo de linterna para iluminar la zona de trabajo.
El soldador eléctrico alimentado por baterías: Este tipo de soldador no se alimenta directamente de la red eléctrica, sino de unas baterías que se alojan en el cuerpo del soldador. Por tanto, el principio de funcionamiento es el de un soldador eléctrico, al igual que los anteriores. Un modelo de este soldador
sería el siguiente:
La principal utilidad de estos soldadores es la de poder realizar soldaduras en lugares en que no se disponga de la posibilidad de usar la red eléctrica, por ejemplo, el interior de un vehículo. La punta de estos soldadores alcanza temperaturas de unos 350º en un tiempo menor que los soldadores eléctricos convencionales, típicamente unos 10s
El soldador a gas: La forma de conseguir el calentamiento de la punta del soldador es, en este caso, por combustión de gas sin llama, normalmente butano, en una cámara de combustión que el soldador dispone a tal efecto. Esta cámara de combustión está rodeada por una especie de malla metálica que por efecto de la combustión pasa a ponerse al rojo vivo, calentando la cámara de combustión y ésta a la punta del soldador con la que se encuentra en contacto térmico. El gas que se quema en el soldador se almacena en éste en un depósito similar al que posee cualquier mechero. A continuación se muestran las fotografías de dos modelos de soldador a gas:
Al igual que ocurría con el soldador eléctrico a baterías, el soldador a gas permite realizar soldaduras allí donde no es posible realizarlas con un solador convencional (eléctrico alimentado directamente
de la red) por falta de suministro eléctrico. Los soldadores a gas incorporan un regulador que controla la cantidad de gas que se quema en cada instante. Con ello se consigue regular la temperatura de la punta: a más cantidad de gas quemado por unidad de tiempo mayor temperatura de la punta y viceversa. Estos soldadores, gracias a su
regulación de combustión, pueden desarrollar potencias desde unos 20W hasta más de 100W, lo que en el caso de potencia máxima equivale a una temperatura de la punta de más de 550ºC.
Otra característica notable de estos soldadores es la facilidad con la que es posible intercambiar sus puntas. Suelen incluir, además, una tobera que les permite convertirse en minisopletes. Por último, y como característica sobresaliente, se les puede colocar una punta especial con la que pasan a comportarse como un soldador de aire caliente, muy útil en la soldadura de componentes SMD
Las estaciones de soldadura
Son equipos destinados a la realización de soldaduras de forma continua, no esporádica. Consisten en una unidad base (fuente de alimentación) a la que se conecta un soldador específico para trabajar con estaciones de este tipo. La estación suele alimentar al soldador con una tensión que ronda los 20V. Desde la unidad base se puede controlar la temperatura de la punta del soldador de forma más o menos precisa desde unos 150ºC hasta unos 450ºC.
Existen unidades que incluyen una bomba de vacío para la aspiración de los humos propios de la soldadura.
Los modelos más elaborados suelen realizar el control de la temperatura de forma digital e incluir un visualizador en la que se muestra su valor.
Desoldadores
Los desoldadores son herramientas que permiten desoldar de la PCB los componentes soldados a ella. Esto suele ser necesario en las reparaciones de equipos electrónicos.
Existen varios tipos de desoldadores:
· De émbolo: se construyen a partir de un cilindro hueco de aluminio. Poseen una boquilla capaz de succionar el estaño fundido en uno de los extremos del cilindro. En el otro extremo del cilindro poseen
un actuador que permite desplazar un émbolo hasta su posición de uso. El émbolo queda fijado en dicha posición a la vez que comprime un muelle. Para liberar el émbolo el desoldador incluye un botón que permite realizar tal acción. Al liberarse el émbolo éste retrocede hasta su posición de reposo produciendo un vacío en el interior del cilindro, vacío que succiona el estaño derretido
· De perilla: sobre el cuerpo de un soldador se monta un sistema, sustituyendo a la punta del
soldador, formado por una punta de soldador hueca y una perilla de goma.
Estaciones de desoldaduras
Son aparatos específicos para realizar la desoldadura de los componentes electrónicos de la PCB. En el caso de estaciones de desoldadura para componentes THD consisten en una base que permite conectar un desoldador de bomba de vacío. La base es corriente que incorpore mandos para el control de la temperatura de la punta del desoldador y de la fuerza con la que se succiona el estaño fundido.
Para componentes SMD podemos encontrar dos tipos de bases. En uno de ellos la base es la encargada de
suministrar la corriente para alimentar al elemento calefactor del desoldador. Este elemento puede de tipo pinza o bien un soldador al que se le acoplan puntas especiales para la desoldadura de componentes SMD, sobre todo para circuitos integrados
En el otro tipo la base incluye además un compresor de aire. El desoldador consiste en este caso en un “soplete”
de aire caliente. Con la ayuda de unas “cazoletas” que impiden el deterioro de componentes adyacentes, los
componentes SMD se desueldan mediante la fusión del estaño por el aire caliente.