Perfil de reflujo sin plomo con la hoja de datos de la pasta

El primer lote sin plomo sale del horno y algo está mal. Una fila de resistencias 0402 quedó parada de canto, un QFN tiene un filete opaco y granulado de un lado, y las placas que pasaron al final se ven distintas de las que pasaron primero. El horno estaba configurado con el perfil impreso en el frasco de pasta, así que el perfil «debería estar bien».

El perfil del frasco no es el perfil que vio la placa. Es la guía del fabricante para la pasta, medida en su placa de prueba, y no dice nada sobre el cobre de tu placa, la masa térmica de tu conector ni cómo se comportan realmente las zonas de tu horno con dos placas adentro en lugar de una banda llena. Pasar de esa hoja de datos a un perfil que funcione es un trabajo de ingeniería pequeño, y la mayoría de los defectos que ve una línea chica se remontan a uno de unos pocos puntos de esa curva.

Lo que realmente te dice la hoja de datos de la pasta

Una hoja de datos de pasta sin plomo te da cuatro o cinco números, y cada uno protege contra una falla distinta. Leerlos como una lista de compras, y no como una forma única que hay que copiar, es lo que hace útil la hoja.

La velocidad de rampa y la pendiente máxima son dos límites distintos. La nota de proceso de Indium sobre cómo leer la especificación de una pasta lo deja claro: la pendiente máxima es la velocidad de calentamiento instantánea más alta, normalmente en la primera zona, y su propósito es proteger los componentes del choque térmico. La velocidad de rampa promedio desde temperatura ambiente hasta el pico es otro número, que protege la pasta misma. Define qué tan rápido salen los volátiles del fundente, y una rampa demasiado rápida es la causa habitual de bolitas de soldadura, beading y tombstoning. La nota da como límite superior de pendiente recomendado comúnmente 3 °C por segundo, y una rampa promedio en el rango de 1 a 2 °C por segundo (Indium, pendiente máxima vs. velocidad de rampa). Un horno que cumple el promedio pero tiene un pico a la entrada puede pasar el primer número y fallar el segundo.

El soak es opcional, y la hoja suele decirlo. La mayoría de las pastas modernas están escritas para un perfil de rampa al pico, un ascenso casi lineal hasta la zona de reflujo, y ofrecen un soak como alternativa. La propia guía de Indium dice que el soak existe para que las masas térmicas más grandes alcancen a las más pequeñas antes de que algo se funda, y que solo debe usarse cuando no se puede lograr uniformidad térmica de otra manera (Indium, rampa al pico). Un soak que la placa no necesita mantiene el fundente activo más tiempo del necesario, y los expertos de proceso de Circuitnet agregan el otro costo: el laminado pasa más tiempo por encima de su temperatura de transición vítrea (Circuitnet, rampa vs. soak). Los perfiles con soak eran el estándar cuando los hornos infrarrojos producían grandes gradientes a lo largo de una placa. La convección forzada cambió eso, y por eso los fabricantes de pasta ahora empiezan por la rampa al pico.

El tiempo sobre el liquidus y el pico son una ventana, no un punto. El SAC305 se funde cerca de 217 °C. La hoja da una banda para cuánto tiempo debe permanecer la unión por encima de esa temperatura y otra banda para el pico. Ambas bandas deben cumplirse en la unión más fría de la placa, y el borde superior de la banda del pico debe cumplirse en el componente más caliente. En una placa con un inductor blindado grande y un campo de 0201, esas dos restricciones tiran en direcciones opuestas. Ese es todo el problema, y es la razón por la que no puedes definir un perfil sin medir la placa.

La velocidad de enfriamiento también importa. Un enfriamiento rápido y controlado da una estructura de grano más fina y un filete más brillante. La mayoría de las hojas especifican un máximo, y un horno chico con una zona de enfriamiento corta puede incumplirlo si la placa se queda en la última zona caliente mientras la banda se detiene.

Perfilar una placa de la que tienes dos

Perfilar significa fijar termopares a la placa, pasarla por el horno y leer lo que vio cada unión. Una línea chica se salta esto porque parece un paso de fábrica. Es el único paso que convierte la hoja de datos en un perfil real, y requiere una placa sacrificable, un perfilador o un termómetro con registro que sobreviva al horno, y una hora.

Dónde van los termopares decide si los datos significan algo. La práctica estándar es un mínimo de cuatro: uno en el aire frente a la placa, uno en el punto más caliente, uno en el punto más frío y uno en cualquier componente sensible a la temperatura. Los puntos más calientes son las almohadillas de cobre desnudo y los pasivos pequeños. Los más fríos están bajo los encapsulados de cuerpo plástico y en las terminales de bobinas, transformadores y conectores (I-Connect007, perfilado térmico práctico). Si hay un BGA, la unión que importa está bajo el centro del encapsulado, y la forma honesta de medirla es perforar desde la parte trasera hasta una almohadilla y fijar el termopar ahí.

La forma de fijarlos importa casi igual. La soldadura de alta temperatura es el método preferido. Un termopar pegado con cinta de poliimida lee la cinta, no la unión, porque la cinta es un aislante, y la guía de perfilado de Indium dice claramente que no se recomienda por esa razón. El epóxico térmicamente conductor o la cinta de aluminio son la alternativa cuando no se puede soldar, usando la menor cantidad de material posible para que la fijación misma no agregue masa térmica (Indium, fijación de termopares). Mantén el cuerpo del perfilador bien atrás de la placa para que su propia masa no altere las lecturas.

El primer número que hay que mirar es la diferencia entre el termopar más caliente y el más frío en el pico. La guía de perfilado citada arriba considera como meta una diferencia de unos 10 °C o menos en el pico en una placa grande. Si la diferencia es mayor que el margen entre el pico mínimo de la pasta y el máximo del componente más sensible, no existe un perfil que satisfaga ambos, y la solución está en el layout o en la lista de materiales, no en el horno. Vale la pena saberlo antes de fabricar las placas, y es una de las razones por las que revisamos la distribución de masa térmica durante la revisión del layout y no solo en la etapa de ensamblaje.

Leer los defectos de vuelta sobre la curva

Cada defecto común del proceso sin plomo corresponde a una región del perfil. La correspondencia no es perfecta, pero te dice dónde mirar primero.

Defecto	Mira primero	Por qué
Tombstoning	Rampa durante la fusión	Mojado desigual en los dos extremos; un calentamiento más lento y uniforme a través del liquidus lo equilibra
Bolitas de soldadura, beading	Rampa inicial	Los volátiles expulsados demasiado rápido salpican la pasta fuera de la almohadilla
Filetes granulados u opacos, mojado deficiente	Pico y tiempo sobre el liquidus en la unión más fría	La unión no se calentó lo suficiente durante el tiempo necesario
Huecos (voids) bajo QFN y almohadillas de potencia	Pico, tiempo sobre el liquidus y momento en que se activa el fundente	Gases del fundente atrapados en la unión fundida
Laminado decolorado, capacitores reventados	Pico en el punto más caliente, tiempo total en caliente	El componente más caliente superó su límite

Los huecos merecen una frase más, porque es donde la hoja de datos y la placa más a menudo no coinciden. El documento técnico de KIC sobre huecos los atribuye a la liberación de gases del fundente mientras la soldadura está fundida, y nombra el pico de temperatura, el tiempo sobre el liquidus, la velocidad de rampa y el soak como las palancas del perfil. Su consejo práctico es más acotado: usa rampa al pico en lugar de un soak cuando busques reducir huecos, y señala que el mayor consenso favorece un pico más alto, y que un tiempo más largo sobre el liquidus ayuda al mojado y reduce el atrapamiento de fundente. La velocidad de rampa importa porque define cuándo se activa el fundente y salen los volátiles, pero el documento no dice que una rampa más lenta reduzca los huecos por sí sola. Su ventana de ejemplo mueve una ventana común sin plomo de 45 a 75 segundos sobre el liquidus y un pico de 235 a 255 °C a 60 a 90 segundos y 245 a 265 °C, y advierte que esto está cerca de las temperaturas máximas de algunos componentes (KIC, perfilado de reflujo para minimizar huecos). Subir el pico y el tiempo sobre el liquidus para reducir huecos solo es legítimo si el termopar más caliente indica que el componente más sensible lo soporta. Las hojas de datos de los componentes citan una temperatura de clasificación pico del estándar JEDEC de sensibilidad a la humedad y al reflujo, y ese número es el límite al que la parte sobrevivió la calificación, no una temperatura de proceso recomendada.

Hay dos cosas que parecen problemas de perfil y no lo son. La pasta que estaba fría cuando se imprimió, o que quedó abierta sobre el esténcil más allá de su vida útil, imprime mal y se refluye peor, y ningún ajuste del horno la recupera. La guía de manejo de AIM es representativa: deja que el recipiente llegue solo a temperatura ambiente antes de abrirlo, de preferencia varias horas, y mete la placa impresa al horno pronto en lugar de dejar que el depósito se seque (AIM, manejo de pasta de soldadura). La temperatura de almacenamiento y la vida útil varían según la pasta, así que lee la hoja de la que tienes en tu mesa. La humedad en los componentes es el otro impostor. Una parte que reventó o se delaminó en el horno normalmente necesitaba hornearse, tema que cubrimos en Cuándo hay que hornear los componentes SMT que quedaron expuestos antes del reflujo.

Conservar el perfil una vez que lo tienes

Un perfil está atado a una placa, un horno y una carga. Si cambias cualquiera de los tres, vuelve a revisarlo. Lo que lo cambia sin que te des cuenta en una línea chica:

• Carga. Una placa en un horno por lotes ve una masa de aire distinta que cuatro. Un perfil definido con la primera placa del día puede quedar caliente con una charola llena.
• Panel contra placa individual. Una corrida en panel tiene más cobre y rieles que las placas individuales usadas para perfilar. Perfila el panel.
• Cambio de lote o de proveedor de pasta. Incluso la misma aleación de otro proveedor trae un fundente distinto con necesidades de rampa distintas. Vuelve a leer la hoja de datos.
• Revisión del layout. Agregar un plano de tierra o un inductor blindado mueve la unión más fría.

Guarda el registro del perfil con la revisión de la placa, no con el horno. Cuando una placa vuelve para una segunda producción un año después, el perfil y las posiciones de los termopares son parte de su documentación de fabricación, igual que el archivo del esténcil.

Para las placas que ensamblamos, perfilamos contra la hoja de datos real de la pasta y los límites de los componentes, y guardamos ese registro con la revisión; con que nos envíes la pasta que especificas, el dibujo de ensamblaje y cualquier parte con un límite de reflujo por debajo de lo habitual, nos basta para empezar.