Soldadura

Nov 21, 2023

La mayoría de la gente no se da cuenta de que soldar componentes electrónicos es una actividad muy compleja con complicados procesos térmicos y químicos que tienen lugar en un espacio muy pequeño. Sin embargo, si sigue algunas reglas básicas, no se encontrará con problemas. Las juntas de soldadura deben hacer algo más que hacer un buen contacto: también deben ser mecánicamente fuertes y no deben oxidarse. Además, deben estar libres de residuos químicos, como fundente, ya que el fundente puede atacar las superficies metálicas cercanas, así como los plásticos. Las soldaduras generalmente se dividen en tres categorías: de consumo, industriales y de gama alta. Este último se utiliza en ámbitos como la automoción o entornos donde está en juego la vida o la salud. Como fabricantes, estamos interesados ​​principalmente en la soldadura manual para la construcción y el desarrollo de bricolaje.

La soldadura de plomo fue estándar durante muchos años. Tiene buenas características de humectación y flujo y un punto de fusión relativamente bajo de alrededor de 183°C. Siguiendo la regla general de que la temperatura de trabajo en la punta de soldadura es igual al punto de fusión de la aleación más 120 °C, esto corresponde a una temperatura de soldadura de aproximadamente 300 °C. El fundente en el alambre de soldadura está destinado a disolver los óxidos. en la junta de soldadura. El estaño en la soldadura se amalgama con el cobre (u otra capa metálica) para producir una zona de difusión intermetálica que consiste en una aleación de los dos metales. Esto normalmente da como resultado una unión de soldadura bien formada, duradera y con buena resistencia mecánica.

Desafortunadamente, este no es siempre el caso: a veces se obtiene una junta de soldadura fría (Figura 1 ). Las uniones de soldadura fría son causadas por capas metálicas altamente oxidadas, suciedad, temperatura incorrecta o solidificación temprana durante el proceso de fusión. Las uniones de soldadura en frío tienen una resistencia de unión excesiva e incluso pueden provocar el desprendimiento de componentes. Las imágenes del microscopio electrónico enFigura 2mostrar las deficiencias de una junta de soldadura fría en comparación con una buena junta de soldadura.

En los días de la soldadura con plomo, las juntas de soldadura en frío eran claramente reconocibles debido a su superficie mate opaca, en lugar de la superficie brillante de una buena junta de soldadura. Desafortunadamente, esto ya no es así con las soldaduras sin plomo. Con las nuevas aleaciones, las uniones de soldadura suelen tener una superficie mate dependiendo de la composición específica, ya sean frías o buenas (verfigura 3).

La introducción de la soldadura sin plomo en 2006 ha hecho que la soldadura manual sea un poco más difícil. Las nuevas soldaduras están designadas como compatibles con RoHS, lo que significa que cumplen con la Directiva de la UE sobre la restricción de ciertas sustancias peligrosassi. Las soldaduras sin plomo no pueden tener más del 0,1 % de contenido de plomo. Esto está destinado principalmente a evitar la inhalación de vapores tóxicos, pero el riesgo de que esto sucediera era bastante bajo porque había sistemas de extracción adecuados disponibles (suponiendo que se usaran). Durante mucho tiempo, la gente no estaba al tanto de los peligros de trabajar con plomo. Por ejemplo, en los viejos tiempos, un tipógrafo profesional perdería todos sus dientes en unos pocos años debido al tipo de plomo.

Cualquiera que trabaje con soldadura sin plomo por primera vez nota de inmediato que la nueva soldadura necesita una temperatura significativamente más alta y tiene características de flujo diferentes. A muchos componentes no les gustan las temperaturas tan altas, por lo que se han hecho esfuerzos para contrarrestarlas mediante fundentes innovadores y tiempos de soldadura más cortos. Todo esto hace que el alambre de soldadura sin plomo sea más caro (ver más abajo). Esto también significa que debe estar en guardia contra el alambre de soldadura sin plomo especialmente barato, que a menudo no es lo que dice ser. Si trabaja con una temperatura demasiado alta, puede dañar fácilmente un componente sensible o, lo que es peor, desconectar rápidamente una almohadilla de soldadura de la PCB. Los desarrolladores y fabricantes aficionados aún pueden usar soldadura de plomo, siempre que no distribuyan su productos sobre una base comercial. Esto significa que no está permitido vender cantidades relativamente grandes de cosas que haces en el laboratorio de tu casa.Figura 4muestra que junto con la soldadura compatible con RoHS, los 'fabricantes' todavía usan soldadura de plomo.

La mayoría de las aleaciones sin plomo comúnmente utilizadas ahora tienen un contenido de estaño significativamente mayor. Anteriormente rondaba el 63%, pero ahora ronda el 95%, según el fabricante. Esto eleva el punto de fusión de la aleación al rango de 217°C a 227°C. Anteriormente, el estaño en la soldadura era el componente que formaba la zona intermetálica y podía amalgamarse con las superficies metálicas soldables. El plomo siempre fue el componente inactivo de la aleación, con la ventaja de que abarataba el alambre de soldadura y reducía la fusión. punto de la lata de 232°C a 183°C. Con más estaño en la soldadura ahora, junto con una temperatura de soldadura más alta, debe prestar un poco más de atención a sus herramientas y a la metalización de los componentes. La soldadura no solo se amalgama más rápido con las superficies de cobre, sino que también quita el cobre de la superficie más rápido.

Con las aleaciones estándar sin plomo, la temperatura de fusión mencionada anteriormente de 217 °C, una de las temperaturas de fusión más bajas posibles, solo se puede lograr en la composición habitual con una aleación que consta de 95,5 % de estaño, 0,7 % de cobre y alrededor de 3,8 % plata. Esta aleación tiene la ventaja de un punto de fusión relativamente bajo, pero la desventaja es que el contenido de plata de un poco menos del 4% puede hacer que el alambre de soldadura sea dos veces más caro. Esta aleación que contiene plata básicamente se puede hacer más económica al reducir el contenido de plata al 3%. Entonces, la aleación tendrá un rango de temperatura de fusión de 217 a 223 °C, que no es especialmente notable para la soldadura o para la vida útil esperada de la junta de soldadura. Las aleaciones más económicas consisten, por ejemplo, en un 99,3 % de estaño y un 0,7 % de cobre. , lo que da como resultado un punto de fusión definido de 227°C. Para esto, no es absolutamente necesario elevar la temperatura de la punta de soldadura en 10°C en comparación con una aleación que contiene plata (Figura 5).

En teoría, la temperatura del soldador tendría que ajustarse a 350°C para la soldadura sin plomo mencionada en último lugar. Si necesita de 10 a 20 °C más para generar cierta cantidad de calor en poco tiempo, eso es ciertamente posible, pero las temperaturas superiores a 380 °C generalmente dañan la placa y los componentes más de lo que ayudan con la soldadura. El fundente en el núcleo del alambre de soldadura también se quema significativamente más rápido y solo puede hacer su trabajo durante un tiempo determinado a una temperatura determinada. Cada aumento de temperatura de 10 °C reduce a la mitad la vida activa del fundente; el tiempo disponible para eliminar los óxidos se acorta y, en algún momento, no es suficiente. Las aleaciones mencionadas anteriormente difieren naturalmente de un fabricante a otro, y ciertamente pueden contener componentes adicionales. Por motivos relacionados con las patentes, los fabricantes no suelen revelar esa información. La soldadura blanda siempre implica introducir la cantidad de energía necesaria y alcanzar una determinada temperatura mínima. La soldadura debe ser líquida y tener una cierta temperatura por encima del punto de fusión. Esto permite la amalgama de las capas metálicas para formar una fuerte junta de soldadura. Todas las aleaciones sin plomo mencionadas anteriormente son lo suficientemente duraderas. En términos generales, las soldaduras que contienen plata se adaptan mejor a aplicaciones con ciclos de temperatura más fuertes, que a menudo van acompañados de tensión mecánica o vibración persistentes. Esto se aplica, en particular, al despliegue de alta tecnología mencionado anteriormente en electrónica automotriz o equipos médicos.

El alambre de soldadura consiste no solo en una aleación sino también en el fundente mencionado anteriormente. En los primeros días, no había alambre de soldadura con núcleo de fundente, por lo que la gente se las arreglaba con pastas de soldadura o incluso con fundente casero. Una receta común consistía en tricloroetileno mezclado con colofonia, que recibió el nombre de "miel de soldadura". La tarea de un fundente es eliminar los óxidos de las partes involucradas: el componente, la placa de circuito y, por supuesto, la soldadura líquida. . Esto debería ocurrir durante el mayor tiempo posible, para dar la ventana de tiempo más larga posible para soldar. Se hace una distinción entre fundente halogenado y no halogenado. Ambos tipos eliminan los óxidos por medio de una reacción ácido-óxido de metal. Con soldaduras sin plomo, esta reacción debe tener lugar a temperaturas más altas y debe permanecer activa durante más tiempo a temperaturas de soldadura más altas. El fundente debe poder fluir por delante de la soldadura en cantidad suficiente, eliminar los óxidos, llevar las sales resultantes fuera de la soldadura y dejar la soldadura líquida con una superficie puramente metálica limpia y agradable. Por otro lado, no debe haber demasiado fundente presente, de modo que los residuos excesivos no tengan que ser eliminados posteriormente. El fundente solidificado no solo es poco atractivo, sino que (contrariamente a la opinión popular) suele permanecer químicamente activo, por lo que, en cualquier caso, debe tener cuidado.

Se necesita más energía para una junta de soldadura sin plomo que para una junta de soldadura de plomo convencional. Como la cantidad de energía requerida es mayor, debe considerar la transferencia de calor a la junta de soldadura como un aspecto importante de la soldadura. Cada tarea de soldadura requiere una punta de soldadura con una superficie de transferencia de calor adecuada para que la mayor energía necesaria para fundir la soldadura sin plomo no tenga que lograrse únicamente elevando la temperatura de trabajo.

Selección de la punta de soldadura correcta (Figura 6 ) es, por lo tanto, una consideración importante, al igual que la limpieza continua de la punta, ya que también se oxida y se cubre de escamas bajo un alto estrés térmico. La superficie de contacto de una punta de soldadura también tiende a ahuecarse después de un uso prolongado. Esto reduce significativamente la transferencia de calor efectiva. Los estudios han demostrado que cuando se utilizan aleaciones sin plomo, el aumento de la temperatura (por ejemplo, de 360 ​​°C a 410 °C) tiene un efecto casi exponencial en el desgaste de la punta de soldadura y acorta significativamente la vida útil de la soldadura. punta de soldadura Por esta razón, generalmente se recomienda utilizar un tiempo de soldadura o tiempo de contacto ligeramente mayor en lugar de aumentar la temperatura de trabajo. Una estación de soldadura de 80 W o más sería la elección correcta.

La soldadura sin plomo no es más complicada; simplemente es diferente. En primer lugar, debe familiarizarse con las diferentes características de dispersión y humectación de la soldadura sin plomo. También necesita un tiempo de soldadura un poco más largo, para evitar aumentar la temperatura de soldadura innecesariamente. En realidad, no ha cambiado mucho. Es recomendable probar varias soldaduras diferentes hasta encontrar la que más te guste. En términos generales, son preferibles las soldaduras con un contenido de plata relativamente alto, incluso si cuestan más.

Ahora ya no estamos expuestos a los vapores de plomo, pero los vapores reales provienen del fundente y nadie sabe exactamente qué hay en el fundente. Por lo tanto, una unidad de extracción de vapor de soldadura (incluso una pequeña) sigue siendo una buena inversión.

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Traducción: Kenneth Cox