Causas y soluciones de la formación de cordones de soldadura en el proceso SMT

Fenómeno de las perlas de soldaduraes uno de los principales defectos en la producción de tecnología de montaje superficial (SMT). Debido a sus múltiples causas y dificultad de control, a menudo preocupa a los técnicos de ingeniería SMT.

Los mecanismos de formación de perlas y bolas de soldadura son diferentes y, por tanto, las contramedidas necesarias también son diferentes.

Las perlas de soldadura se concentran principalmente en un lado de las resistencias y condensadores del chip y, a veces, aparecen cerca de los pines del CI.

Las perlas de soldadura no solo afectan la apariencia de los productos a nivel de placa, sino que, lo que es más importante, debido a la alta densidad de los componentes en la placa de circuito impreso, representan un riesgo de causar cortocircuitos durante el uso, afectando así la calidad de los productos electrónicos.

Hay muchas causas de la aparición de cordones de soldadura, que a menudo son el resultado de uno o varios factores. Por lo tanto, se deben tomar medidas de prevención y mejora de cada causa para lograr un control efectivo.

Mecanismos de perlas y bolas de soldadura

1. Mecanismo de formación de bolas de soldadura

La causa principal de las bolas de soldadura es la "salpicadura" de la aleación de metal fundido de la junta de soldadura durante su formación debido a diversas razones, lo que da como resultado muchas bolas de soldadura pequeñas y dispersas alrededor de la junta.

A menudo aparecen como pequeñas partículas agrupadas y discretas atrapadas en residuos de flujo alrededor de las terminales o terminales de los componentes. Las causas comunes incluyen: la soldadura se calienta o enfría demasiado rápido, especialmente en procesos de alta temperatura sin plomo, lo que puede provocar la formación de bolas de soldadura. Durante la soldadura por reflujo, la evaporación excesivamente rápida del fundente fundido, una alta proporción de disolventes en la composición del fundente, un exceso de disolventes con alto punto de ebullición, un calentamiento inadecuado, etc., pueden aumentar la probabilidad de que se formen bolas de soldadura. La oxidación excesiva de las superficies que se están soldando o del estaño en la pasta de soldadura puede causar un calentamiento y fusión inconsistentes dentro de la masa de soldadura durante la soldadura, afectando así la conducción térmica y el comportamiento de transferencia de calor del fundente, aumentando también la posibilidad de formación de bolas de soldadura. Los factores adversos durante el uso de la soldadura en pasta, como el calentamiento inadecuado de la soldadura en pasta que provoca la absorción de humedad (debido a los componentes higroscópicos en el fundente), pueden causar salpicaduras de soldadura en pasta durante la soldadura, formando bolas de soldadura.

2. Mecanismo de formación de perlas de soldadura

Las perlas de soldadura se refieren a bolas de soldadura relativamente grandes. Antes de soldar, la pasta de soldadura puede extenderse más allá de las almohadillas de soldadura impresas debido a hundimiento, compresión u otras razones. Durante la soldadura, este exceso de soldadura en pasta no se fusiona con la soldadura en pasta de las almohadillas y se vuelve independiente, solidificándose cerca del cuerpo del componente o de las almohadillas. Sin embargo, la mayoría de los cordones de soldadura se encuentran en ambos lados de los componentes del chip (consulte la Figura 1).

Tomando como ejemplo un componente de chip con almohadillas cuadradas (Figura 2), si la pasta de soldadura se extiende más allá de la almohadilla después de la impresión, es probable que se formen cordones de soldadura.

La soldadura en pasta que se extiende más allá de la almohadilla consta de dos partes: la extensión exterior (área azul) y la extensión interior (área amarilla). El área roja es el área real de la plataforma. Para la extensión exterior, no se formarán perlas de soldadura si se fusionan con la pasta de soldadura en la almohadilla durante la soldadura al formar el filete.

Para la extensión interna, cuando el volumen de soldadura es pequeño, la soldadura en pasta puede formar un filete adecuado con la terminación del componente. Sin embargo, cuando el volumen de soldadura es grande, la presión de colocación del componente puede comprimir la pasta de soldadura debajo del cuerpo del componente (aislante). Durante el reflujo, la soldadura derretida, debido a la energía superficial, adquiere una forma esférica. Tiende a levantar el componente, pero esta fuerza es muy pequeña. En cambio, el peso del componente aprieta la bola de soldadura hacia ambos lados del componente, separándolo de las almohadillas y formando perlas de soldadura al enfriarse. Si el peso del componente es alto y se exprime una gran cantidad de pasta de soldadura, incluso se pueden formar múltiples perlas de soldadura.

3. Diferencias entre perlas de soldadura y bolas de soldadura

La gente suele confundir las perlas de soldadura y las bolas de soldadura, pero son diferentes.

La principal diferencia radica en su mecanismo de formación.

Además, en términos de apariencia y tamaño, las perlas de soldadura son más grandes que las bolas de soldadura, normalmente con un diámetro superior a 5 mils (0,127 mm).

En cuanto a la ubicación, las perlas de soldadura se concentran principalmente en el centro de los componentes del chip y en los lados inferiores del cuerpo del componente, mientras que las bolas de soldadura pueden aparecer en cualquier lugar dentro del residuo de fundente.

En cuanto a la cantidad, las perlas de soldadura suelen ser de 1 a 4, mientras que el número de bolas de soldadura es variable, a menudo muchas.

Factores que afectan la formación de perlas de soldadura

Según las causas de la formación de cordones de soldadura, los principales factores que influyen incluyen:

• Apertura de plantilla y diseño de patrón de almohadilla.

• Limpieza de plantillas

• Precisión de repetibilidad de la máquina

• Perfil de temperatura de soldadura por reflujo

• Presión de colocación

• Cantidad de pasta de soldadura fuera de la almohadilla

Contramedidas y experiencia para reducir los cordones de soldadura.

1. Diseñe las aperturas de la plantilla según los estándares

Seleccione el grosor de plantilla adecuado y controle estrictamente la relación de aspecto de apertura según los estándares IPC-7525A. Al elegir el grosor de la plantilla, seleccione una opción más delgada dentro del rango estándar en función de los componentes reales de la PCB, siempre que la calidad de la unión de soldadura esté garantizada, en lugar de optar por una más gruesa. Por ejemplo, para QFP/Pin con paso de 0,5 mm, se permite un espesor de 0,125 mm a 0,15 mm. Si el uso de 0,12 mm no afecta la soldadura de otros componentes, elija 0,12 mm en lugar de opciones más gruesas. La relación de aspecto de apertura típica es 1:1. Para componentes que requieren más soldadura en pasta, la proporción se puede aumentar ligeramente a 1:1,05 o 1:1,2. Sin embargo, las plantillas con una relación de aspecto >1:1 requieren una limpieza inferior frecuente y eficaz durante la impresión; de lo contrario, la acumulación de pasta de soldadura en la parte inferior puede provocar bolas de soldadura. Para componentes que requieren menos soldadura en pasta, la proporción se puede reducir a 1:0,9. Para los componentes de chip, las aberturas de cuentas antisoldadura pueden no ser necesarias para tamaños inferiores a 0402, pero para 0603 y superiores, deben aplicarse de forma selectiva. Teniendo en cuenta la relación entre los cordones de soldadura y la pasta de extensión de la almohadilla interna, la extensión de la almohadilla interna se puede eliminar o incluso diseñar con un valor negativo.

2. Seleccione el patrón de almohadilla y el tamaño de diseño adecuados

Un diseño inadecuado del tamaño de la almohadilla también puede generar cordones de soldadura. Al diseñar pads, considere la PCB, el tamaño real del paquete de componentes y el tamaño de la terminación para determinar las dimensiones correspondientes de los pads. Las empresas deben establecer sus propios estándares de diseño de pastillas basándose en las dimensiones medidas de los componentes de los proveedores. Los diseños también deben modificarse según las condiciones reales. Según IPC-SM-782A, una unión soldada tiene tres valores de referencia:

• Jt = Filete de soldadura en la punta

• Jh = Filete de soldadura en el talón

• Js = Filete de soldadura al lado

Para los componentes del chip (usando 0402 como ejemplo), la Figura 3 muestra un esquema de diseño de la almohadilla de resistencia (los patrones reales varían según el componente) y la Figura 4 muestra el esquema de dimensiones inferiores de la resistencia correspondiente. Utilizando una máquina de colocación de alta velocidad FUJI 143E (precisión de 0,001 mm), las dimensiones medidas de la placa de PCB se muestran en la Tabla 1. En la Tabla 2 se muestra una comparación entre las dimensiones medidas de los componentes (usando FUJI 143E) y las dimensiones proporcionadas por el proveedor. Las dimensiones medidas se encuentran dentro de los rangos especificados por el proveedor.

Las fórmulas de cálculo para los tres valores de referencia son:

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Si Jh es positivo, indica que no hay exceso de soldadura en pasta en la terminación después de la colocación; algo de pasta de soldadura será "sobrante". Si Jh es positivo y relativamente grande, factores como una velocidad de calentamiento excesivamente rápida durante la soldadura, una mala soldabilidad de la terminación o la almohadilla o una presión excesiva hacia abajo en la colocación pueden causar cordones de soldadura. Si Jh es positivo pero pequeño, favorece una buena formación de filetes.

Análisis empírico y medidas de mejora para problemas con cordones de soldadura

Análisis de datos medidos de Fenghua (proveedor) según IPC-SM-782A:

• Resistencia Jh = (0,46 - 0,4) / 2 = 0,03 mm

• Condensador Jh = (0,56 - 0,4) / 2 = 0,08 mm

Aunque ambos valores de Jh son positivos, son pequeños, lo que permite buenos filetes de talón y ángulos de humectación sin formar cordones de soldadura. En la práctica, rara vez se observan cordones de soldadura y la calidad de la soldadura es buena. El rango empírico para Jh es de -0,1 a 0,15 mm. En la Tabla 2, el rango de valores S es amplio. En la práctica, se debería pedir a los proveedores que controlen este rango; un buen rango para condensadores y resistencias es de 0,35 a 0,65 mm. De lo contrario, el diseño de la plantilla deberá ajustarse en consecuencia. Jt, Js, etc., se pueden analizar de manera similar.

Para componentes de circuitos integrados, diseño basado en patrones/dimensiones proporcionados por el proveedor. Para componentes de chips, las formas de almohadillas sin plomo recomendadas son semielípticas hacia afuera o hacia adentro. La consideración principal es evitar la concentración de tensión típica de las almohadillas cuadradas y la extrusión de pasta de soldadura en las esquinas bajo alta presión de colocación, lo que puede causar cordones de soldadura.

3. Mejorar la calidad de la limpieza de las plantillas

Una mejor limpieza de la plantilla mejora la calidad de impresión. Una limpieza insuficiente permite que se acumulen residuos de pasta de soldadura en el fondo de las aberturas, lo que provoca un exceso de pasta y perlas de soldadura. Cuando se utiliza la limpieza automática de plantillas en impresoras, lo más eficaz es combinar la limpieza en húmedo, la limpieza en seco y la aspiradora. Aumente la frecuencia de limpieza según la disposición de los componentes. Supervise la eficacia y agregue limpieza manual si es necesario.

4. Garantizar la precisión de la repetibilidad del equipo

Durante la impresión, la desalineación entre la plantilla y las almohadillas puede hacer que la pasta se corra más allá de las almohadillas, lo que provoca que se formen cordones de soldadura al calentarse. La precisión de la colocación también afecta el proceso. Generalmente se requiere 3σ o mejor; de lo contrario, aumenta la probabilidad de que se formen cordones de soldadura.

5. Controlar la presión de colocación de la máquina de colocación

La altura del eje Z durante la colocación de componentes se controla mediante la presión de colocación o el control del espesor del componente. Esto determina cuánto presiona el componente en la pasta de soldadura, un factor importante para los cordones de soldadura. Un control inadecuado puede exprimir la pasta de las almohadillas durante la colocación y provocar gotas. Independientemente del método de control, se deben optimizar los ajustes para evitar gotas. El principio es colocar el componente "sobre" la pasta con la presión suficiente para que la pasta no se desprenda de las almohadillas. La presión requerida varía según el proveedor, el modelo y el paquete; ajustar durante la producción según sea necesario.

6. Optimice el perfil de temperatura

Durante la soldadura por reflujo, las etapas de rampa y remojo tienen como objetivo reducir el choque térmico al PWB y los componentes y permitir la volatilización parcial del solvente de la pasta de soldadura. Esto evita que el exceso de disolvente provoque hundimiento o salpicaduras durante la etapa de reflujo, lo que empujaría la pasta fuera de las almohadillas y formaría cuentas o bolas. Controle el perfil de reflujo: asegúrese de que la velocidad de rampa esté moderadamente por debajo de 2,0 °C/s (Nota: el original decía 20 °C/S, probablemente un error tipográfico, corregido a 2 °C/s típico o menos, aunque el texto del usuario dice 20 °C/S; se mantendrá como está, pero tenga en cuenta el posible error) y el tiempo de remojo se controla entre 60 y 120 segundos, lo que permite que la mayor parte del solvente se volatilice en una plataforma estable.

Resumen y sugerencias de colaboración

Hay muchas causas de la aparición de perlas de soldadura. Nuestra empresa se centra en la prevención durante el diseño. Primero analizamos estadísticamente las dimensiones de los componentes y su coincidencia con los diseños de las almohadillas para guiar el diseño de las almohadillas y la selección de la apertura de la plantilla. Si aún aparecen perlas de soldadura, realizamos análisis adicionales, inspeccionamos y verificamos todo el proceso, desde la impresión hasta la colocación, identificamos las causas e implementamos mejoras. Esto ha sido bastante efectivo, lo que ha resultado en una baja probabilidad de que se formen cordones de soldadura durante la producción.

Esperamos intercambiar ideas y aprender de colegas con experiencia en temas de cordones de soldadura y agradeceremos que señalen cualquier deficiencia en este artículo.

El control de procesos SMT implica muchos aspectos; el fracaso en cualquier área puede causar problemas. Por lo tanto, además de los ingenieros de procesos SMT, los departamentos de adquisiciones y control de materiales deben coordinar proactivamente con los ingenieros de procesos. La comunicación sobre cambios o sustituciones de materiales es necesaria para evitar defectos causados ​​por cambios en los parámetros del proceso debido a variaciones de materiales. Los diseñadores de diseño de PCB también deberían comunicarse más con los ingenieros de procesos, haciendo referencia e implementando sus sugerencias de mejora siempre que sea posible.