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manual de como soldar componentes con cautin
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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¡No te pierdas las partes importantes!
Tan pronto como el hombre apren- dió a usar los metales para su beneficio, nació en él la necesidad de combinarlos. Muchas de las piezas de joyería, herramientas y armas que conocemos de la Edad de Bronce deben su utilidad al arte de la soldadura.
artesanía, nuestro conocimiento de esta ciencia ha crecido y se ha refinado durante décadas.
Hoy en día, la soldadura blanda en la industria electrónica se ha convertido en una tecnología de producción de pleno derecho que abarca campos como la mecánica, la química, la física y la metalurgia. Ernst Sachs, fundador de Ersa (El nombre de la compañía surge de las iniciales de su nombre y apellido) contribuyó a esta expan- sión. En 1921 desarrolló el primer soldador operado eléctricamente para la industria fabricado en serie. Desde entonces, Ersa ha estado comprometida con pasión y con toda su capacidad de innovación en el desarrollo y perfeccionamien- to de las técnicas de soldadura.
Hoy en día, Ersa dispone de la más extensa gama de productos para la soldadura blanda del mun- do con una experiencia de más de 90 años en la industria ofreciendo su innovación, conocimientos y máxima calidad en todos sus productos.
La gama de productos de solda- dura de Ersa va desde puntas de soldadura ultra finas, herramientas de soldadura para conectar a una red hasta soldadores tipo martillo
descubrirse el estaño como un metal de unión. Y esto fue hace casi ¡4.000 años!
Desde entonces hasta ahora las técnicas de soldadura han ido avanzando. Primero aparece en la zona Mediterránea. Los cretenses enseñaron a los etruscos, estos a los romanos, tunecinos, españo- les y otros muchos, incluyendo culturas menos desarrolladas en ese tiempo – suecos, húngaros, teutones y escandinavos. De cul- tura en cultura, de generación en generación, el arte de la soldadura fue extendiéndose, mejorando y refinándose.
Ya los antiguos romanos cons- truyeron y soldaron 400 km de tuberías de plomo para canalizar el agua, crearon estufas y baños con láminas de cobre, por no hablar del excelente trabajo realizado en armaduras y orfebrería. Pero además de la soldadura como
Hoy en día, es difícil decir quién fue el primero en descubrir como "pegar" los metales. Pero si que hay una cosa cierta, hace ya 5000 años, en el antiguo Egipto ya sabían como unir el oro y la plata. También en la Antigua Troya fueron maestros en este arte mucho antes de que los Teutones hubieran so- ñado siquiera con esta artesanía. La soldadura nació realmente al
Imaginar el mundo actual sin solda- dura blanda es imposible. Es funda- mental para fabricar conexiones eléctricas de forma segura. No importa si hablamos de tecnologías de la energía, de su conducción, telecomunicaciones, automoción o control electrónico – En todos estos campos las uniones de soldadura suponen una parte decisiva para que cada dispositivo funcione tal y como ha sido planeado y desarrollado por el creador e inventor del producto.
Hoy en día la soldadura blanda se ha convertido en algo tan común que nadie pierde tiempo en pensar en ella. A diario utilizamos nuestros ordenadores, teléfonos móviles, y consolas sin pensar, los modernos equipamientos electrónicos que encontramos en los automóviles se dan por supuesto y podemos volar a cualquier parte del mundo en los aviones mejores equipados.
La consecuencia de los daños causados por el fallo de una unión de soldadura en un iPod es relativa- mente limitada. Pero es diferente si pensamos en un fallo de la electró- nica de un avión lleno de pasajeros, una lanzadera espacial o un marcapasos.
Todos estos fallos ponen en grave riesgo la vida de las personas. Pero no hay que preocuparse, para estas aplicaciones se exigen las más altas calidades ¡Y con razón!
Además de en la electrónica de consumo, la soldadura se encuentra en otras aplicaciones como en equipos turbinas o paneles solares para energía alternativa, departa- mentos de I+D y trabajos más artesanales como electricistas o fontaneros. Si olvidar aquellos que desarrollan su creatividad e imagi- nación en actividades de ocio o artísticas utilizando un soldador.
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En un proceso de soldadura dos partes metálicas se unen gracias a un agente de enlace metálico (soldadu- ra), para lo cual el punto de fusión del agente de enlace es siempre menor que el de las partes metálicas a unirse. Si el punto de fusión está por debajo de 450 ºC, entonces hablamos de un proceso de soldadura blanda. Si está por encima se llama soldadura dura. La soldadura, por otra parte, es el proceso por el que dos metales se calientan hasta su punto de fusión, momento en el que
junto al material de aporte, formará un baño de materiales fundidos creando una unión. En soldadura blanda, la grieta entre los metales a unirse se llena con una aleación de estaño. Es importante que la aleación no solo cubra la superficie de los metales
Se calientan las partes a soldar y el soldador
La soldadura líquida penetra en la grieta y cubre
La soldadura solidifica y une las partes
Punta de Soldador soldadura
Punta de soldadura
Flux Capa de óxido
Dirección de soldadura
Soldadura líquida Soldadura solidificada
Conductor^ Material base
después de enfriarse sino que se una con el metal. Por esto una pequeña cantidad de metales ajenos deben disolverse y unirse con la aleación de estaño formando una mezcla de cris- tales – denominada zona de difusión. Una unión de soldadura consta de las siguientes capas:
Metal base Zona de difusión Soldadura solidificada Zona de difusión Metal base
Reacción del flux durante la soldadura manual de una PCB usando hilo de soldadura con flux
Para alcanzar la máxima estabili- dad mecánica p.e. para asegurar la durabilidad de la unión de soldadura, la zona de difusión no debe ser ni muy fina ni muy ancha.
Lo ideal es 0.5 μm. La formación de la zona de difusión dependerá de la temperatura, el tiempo de soldadura y la aleación utilizada. Si la zona de difusión es muy estrecha la unión
de soldadura será frágil y porosa, además la formación de una zona que sea muy fina indica que se ha creado una conexión insuficiente o no mecánica.
Sección transversal de una union de soldadura
La punta de soldadura es el "cora- zón" de la herramienta de soldadura y la responsable de transferir el calor desde la resistencia a la unión de soldadura. Hay diferentes puntas disponibles dependiendo del soldador y la aplicación. Para una buena soldadura, es necesario disponer de una punta en perfecto estado, una perfecta transmisión de temperatura y un perfecto control del tiempo. Además la punta de soldadura debe de enviar la información adecuada al operario mientras realiza su tarea.
Las puntas de soldadura tradiciona- les están fabricadas de cobre que es un buen conductor de calor y además es barato, pero la punta se oxida muy rápido cuando se calienta y caen partículas de cobre sobre la soldadura hasta llegar a corroerse completamente. Para mantener la punta en buenas condiciones, se re- quiere un cuidado intensivo. Hoy en día, la industria electrónica – la que mayor uso hace de soldadura blanda
perfecta conductividad térmica prote- ge a la resistencia de sobrecalenta- mientos y desgaste prematuro. Ersa ofrece una amplia gama de puntas de soldadura para los más diversos requerimientos. Los cuidados correctos de la punta incrementan el tiempo de vida de la misma de forma considerable:
compuesto regenerador. Además, la punta caliente debe ser limpiada re- gularmente con una esponja viscosa antes de la soldadura. Como alterna- tiva, también puede utilizar la esponja de limpieza en seco de Ersa, una esponja de malla metálica especial. La limpieza en seco ha demostrado ser muy útil en la soldadura sin plomo pues las puntas de soldadura no se enfrían de forma repentina y se elimina la posibilidad de contaminar la punta con esponjas sucias.
El material básico en cobre electrolítico muy conductor evita la transferencia de calor desde la resistencia al revestimiento ERSADUR LF
El revestimiento ERSADUR LF (de hasta 600 micras)ferreteado( dependiendo de la punta) está preestañado de fábrica con soldadura
Ferreteado
El cromado evita la corrosión y que se acumule soldadura en puntos no deseados
Sección transversal de un punta de soldadura ERSADUR, escala no representativa.
Niquelado
Recuperador de puntas de Ersa. Dispone de una amplia gama de accesorios en www.ersa.com
Los agentes metálicos de unión (soldadura) se presentan normal- mente en forma de hilo o barra con diferentes aleaciones.
Los soldadores blandos consisten en su mayoría en una mezcla de estaño (Sn) y plomo (Pb). Desde la implementación de la directiva RoHS el 01 de Julio de 2006 se prohíbe el uso de soldadura que contenga plomo y se sustituye por aleaciones de plata (Ag) y cobre (Cu).
La composición de la aleación determina la temperatura de fusión así como las propiedades físicas de la unión. Los criterios de elección para una aleación son: el proceso de producción, especifi- caciones del producto, campo de aplicación o costes de la aleación
El flux se usa para conseguir la mejor unión posible entre soldador y metal. Limpia las superficies metálicas para soldarse, elimina óxidos y otros contaminantes además de prevenir la oxidación durante el proceso de soldadura. La diferencia está en utilizar pro- ductos ácidos (como en fontanería)
y sin ácidos (como los usados en electricidad y electrónica).
Lo habitual es utilizar hilo de sol- dadura con uno o más núcleos de flux en producción de electrónica, mientras que la barra se utiliza en fontanería y otros trabajos más duros.
Hilo de soldadura con uno o múltiples núcleos de flux.
Aleación Tipo de flux Temp. de fusión L-Sn60Pb40 EN 29454/1.1.2 (F-SW 26/DIN 8511) 183 °C – 190 °C L-Sn60Pb38Cu2 EN 29454/1.1.2 (F-SW 26/DIN 8511) 183 °C – 190 °C L-Sn63Pb37 EN 29454/1.1.3 (F-SW 32/DIN 8511), sin halógenos 183 °C eutético L-Sn62Pb36Ag2 EN 29454/1.1.3 (F-SW 32/DIN 8511), sin halógenos 178 °C – 190 °C
Aleación – sin plomo/cumpliendo RoHS-WEEE L-Sn95,5Ag3,8Cu0,7 EN 29454/1.1.2 (F-SW 26/DIN 8511) 217 °C eutético L-Sn96,5/Ag3,5 EN 29454/1.2.3 (F-SW 33/DIN 8511), sin halógenos 221 °C eutético L-Sn99,3Cu0,7 EN 29454/1.2.3 (F-SW 33/DIN 8511), sin halógenos 227 °C eutético
Soldador adecuado Fluxes adecuados Una superficie limpia donde soldar Adecuada aleación Punta de soldadura adecuada Tiempo de soldadura adecuado
Preparación
El requisito más importante para una buena unión de soldadura es la limpieza absoluta. Tanto el conductor como el componente deben estar libres de suciedad, aceites u óxidos. Estos pueden retirarse con flux o disolventes.
Antes de empezar a soldar, las puntas ERSADUR deben limpiarse en caliente con una esponja húmeda o bien con la esponja metálica para limpieza en seco. No cubra las pun- tas como haría con las de cobre ya que esto dañaría la capa protectora y reducir la vida útil de la punta.
Proceso de soldadura
El proceso de soldadura tiene tres fases: mojado, refusión y unión donde la temperatura de trabajo es el criterio más importante. Lo mejor es trabajar a la menor temperatura que permita lle- var a cabo las tres fases suavemente.
Esto requiere algo de experiencia. Una estación con control de temperatura facilita mucho este trabajo. Coloque la punta en la unión a soldar después de limpiar y precalentar la unión. Después coloque el hilo con núcleo de flux entre la punta y la zona a soldar y fúndalo
hasta que cubra completamente la zona a soldar. Retire el hilo de solda- dura primero y justo después la punta para evitar un sobrecalentamiento de la soldadura. Deje que la soldadura solidifique, evitando vibraciones sacu- didoras durante ese tiempo.
Humedecido de la punta de soldadura Soldando un punto
La elección de la punta de soldadura correcta es decisiva para obtener un buen resultado
25°
Calidad de la soldadura
Cuando la unión de los compo- nentes montados en la tarjeta se ondula, tendremos una buena soldadura si el contorno de la soldadura es aún visible. Este no será el caso si se ha aplicado una cantidad excesiva de soldadura para conseguir la unión. Otro atributo de la calidad es el án- gulo de mojado. Esto se basa en el hecho de que un buen mojado del pad, discernible a través de un pe- queño angulo de mojado, ha dado lugar a la formación de una zona de difusión (zona intermetálica). Ángulos de mojado de hasta 25º identifican a una buena soldadura, ángulos de hasta 50º todavía son
¡Correcto! ¡Incorrecto!
tolerables según los manuales de soldadura. Otro indicador de la calidad es el aspecto de la superficie de la soldadura. Esta debe ser suave y brillante, sin áreas porosas visibles. Las superficies granulosas indican un sobrecalentamiento o un excesivo tiempo de soldadura. Cuando se usan aleaciones sin plomo, espe- cialmente las que llevan plata, se pueden formar superficies mate.
El único indicador absoluto de la calidad de una soldadura fuerte y correcta es la formación de la zona de difusión en la zona intermetálica compuesta de cobre y estaño, cuya presencia es la prueba final de la calidad (mezcla de cristales, ver pág.
5). Desgraciadamente la única forma de hacer esta zona visible es a tra- vés de test destructivos (seccionan- do la unión). Si la zona de difusión es muy fina, la unión de soldadura no tendrá fuerza de tensión y se romperá. Cuanto más temperatura y mayor tiempo dure la soldadura la zona de difusión será más fina. Por esto, la unión debe realizarse a la menor temperatura posible y en el menor tiempo.
Tan pronto como se haya realizado la última unión de soldadura, coloque la herramienta de forma segura en su soporte. En ese momento, no debemos limpiar la punta ya que los restos de soldadura previenen su oxidación.
Tiempo de la soldadura
El proceso de soldadura debe completarse en no menos de 2 y un máximo de 5 segundos si utilizamos una punta de soldadura adecuada. Al soldar componentes electrónicos con soldadura sin
plomo, la experiencia dice que se necesita más tiempo. Pero incluso en ese caso, no se necesitarán más de 5 segundos, si ocurriera, sería indicativo de que o bien la tempe- ratura seleccionada es muy baja o el soldador no tiene la potencia adecuada.
Cobre Estaño (^) Componente
Cobre Estaño (^) Componente
C.CAPAC./MELF
SOT&DPAK
TSOP/SOIC
PLCC/LCCC
BQFP/PQFP
Tecnología Ersa PowerWell para soldar componentes fine pitch en segundos
Algunos ejemplos de componentes SMD
Soldadura de SMD
La tecnología SMD (Surface Mount Device Technology) es actualmente el proceso estándar en la fabri- cación electrónica. La aparición de componentes cada vez más pequeños y más integrados hace crecer la demanda de equipos de
soldadura de SMD. Las soldaduras simples, por ejemplo de resisten- cias, se hacen con puntas de larga duración ERSADUR con diámetro a partir de 0.2 mm. Las conexiones Fine-pitch y las de pines grandes, p. e. IC’s, se sueldan mejor, de co- rrido, con las puntas de soldadura Ersa PowerWell.
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i-TOOL
Buena soldadura, sufi- ciente estaño y buena aplicación
Mal: estaño insuficiente
Mal: demasiado estaño
A primera vista, la soldadura de componentes Fine-pitch de forma manual parece un trabajo compli- cado, pero con el equipo adecuado es muy sencillo:
Coloque una punta Ersa PowerWe- ll i-TIP (1) en el soldador i-TOOL (2) y ajuste la temperatura de 285 ºC a 360 ºC (dependiendo de la aleación usada – estaño/plomo o sin plomo).
Después posicione el componente (3) y fije las dos esquinas.
Añada el flux (ver también pág. 30) a los pines en los 4 lados. Limpie la parte frontal y cóncava de la punta con una esponja húmeda o la esponja seca de Ersa.
Rellene la concavidad de la punta fundiendo un poco del hilo estaño para soldadura hasta que
tengamos una pequeña gota (4). Tenga cuidado de no añadir dema- siada soldadura.
Coloque a herramienta i-TOOL lige- ramente ladeada sobre la sección de pines (5), y deslice la punta por los pines (6) sin hacer excesiva pre- sión, y más bien lento que rápido.
Repita los pasos (4) a (6) para soldar el resto de los lados.
D
B
C
Dynamic IR - Top
Dynamic IR - Bottom
IRS
MIC AccuTCs
Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Zone 5
IRSoft
RPC
B
C
A
2. Retirada de soldadura residual, limpieza La soldadura residual de los pads se retira con un lápiz soldador. Para ello se cubre la soldadura residual con fl ux. Luego, usando una punta de soldadura plana (p.e. 0102ADLF40 o 0102ZDLF150) se pasa por los pads sin aplicar presión. La soldadura se adherirá a la punta dejando los pads libres de soldadura residual. Por último se retiran los restos de fl ux (p.e. usan- do un limpiador de fl ux de Ersa). 3. Rebolado – Reutilizar un BGA Los BGA’s desoldados pueden reutilizarse reponiendo nuevas bolas de soldadura y recolocándolo en la tarjeta. Este proceso se denomina reballing o rebolado. La soldadura residual se retira del BGA con una estación de soldadura. Apoyando
el componente con las bolas hacia arriba, cubrimos el componente en primer lugar con Flux. Luego se co- locan las nuevas bolas de soldadura, por ejemplo mediante una stencil. Estas bolas de soldadura se calien- tan hasta su punto de fusión con la estación de rework para que queden unidas al cuerpo del BGA. Ahora en BGA está listo para ser recolocado
4. Aplicación de flux o pasta de soldadura El componente o los pads están ahora cubiertos de flux o, puede ser el caso, con pasta de soldadura que se aplica a través de una stencil. El tipo o técnica aplicada dependerá de la aplicación, componentes y habilidades del operario. Para los PBGA’s más usuales, en la mayoría de los casos es sufi ciente con la aplicación de fl ux.
Se denomina Rework o Retrabajo a la reparación o retoque de componentes electrónicos tipo Ball Grid Arrays (BGAs) o SMTs. Este capítulo describe los pasos de retrabajo de un BGA:
1. Desoldadura de un BGA La estación de rework calienta la tarjeta PCB desde abajo al tiempo que el cuerpo del BGA se calienta desde arriba. La temperatura del componente en tiempo real controla la curva de temperatura prestablecida de forma que todas las uniones de soldadura funden al mismo tiempo. Luego la vento- sa de vacío se coloca sobre el componente y, una vez que todas las uniones se han fundido, retira el componente.
A: Componente para retrabajo B: PCB C: Componente adyacente (cara superior) D: Componente adyacente (cara inferior) AccuTCs: Termopares (4 de cada uno) IntelligentIRS: Sensor infrarrojo sin contacto DynamicIR Top: Radiador IR superior (4 zonas) DynamicIR Bottom: Radiador IR inferior (5 zonas) RPC: Cámara de proceso de refusión IRSoft: Software de control y documentación MIC: Microprocesador de control del sistema de calentamiento DynamicIR
Partes principales de una estación de retrabajo
Retrabajo – Reparación de terminales IC’s de gran tamaño Para reparar correctamente ensamblajes SMT hay que tener en cuenta algunos puntos importantes:
El tamaño y propiedades del ensamblaje influyen en la temperatura necesaria. Los soportes y apoyos para PCB mantienen el ensamblaje plano y evitan pandeo. Un proceso de calentamiento generoso y controlado, con monitorización continua previene daños en los componentes de la tarjeta. La precisión en el posicionado del componente es fundamental para una buena soldadura. Un operario bien entrenado entenderá el proceso y asegurará buenos resultados.
1. Retire el BGA 2. Retire la soldadura residual de los pads 3. Reballing – aplicación de nuevas _bolas
Pasos del proceso de retrabajo
5. Posicionado del componente Una vez que el pad ha sido preparado, debemos posicionar el componente. Como en los compo- nentes BGA´s todas las uniones de soldadura están ocultas bajo el cuerpo del componente es necesa- rio utilizar un sistema de posicio- nado. Para un posicionado manual, se requeriría del operario una experiencia y habilidad especial. Si el componente se coloca sobre algún depósito de soldadura existe la posibilidad de que se produzca un cortocircuito después de la soldadura. 6. Resoldadura de un BGA El componente se calienta hasta la temperatura de fusión de la alea- ción de soldadura usada mediante una curva de temperatura controla- da. El calentamiento continua hasta
que las uniones se han fundido y se mantiene algunos segundos. Durante este tiempo se forman las uniones de soldadura. Después de la resoldadura la tarjeta se enfría de la misma forma que como se ha
hecho en la desoldadura. Este paso del proceso se aplica generalmente a todos los componentes super- ficiales. Dependiendo del tipo de conexión (hilo, oculta) puede haber ligeras variaciones.
El ERSA 30 S, disponible en 30 W o 40 W es un soldador robusto y duradero. Su reconocida ergonomía se incrementa con una práctica zona de apoyo de goma en forma de disco. Este soldador universal está diseñado para múltiples usos en sectores como artesanía, servicios o hobby.
El MULTI-PRO es un soldador vá- lido para casi todas las aplicaciones de soldadura convencionales. Su cable resistente al calor lo convierte en un equipo flexible que puede utilizarse con una gran cantidad de puntas diferentes.
El cautín soldador universal ERSA 15+ es la herramienta ideal si buscamos la mejor relación coste-eficiencia. La puntas de soldadura con resistencia interna garantizan un funcionamiento óp- timo. El ERSA 25+ puede ser utilizado con diversas puntas finas de las series 832 y 842. Su manilla ergonómica asiste en el proceso seguro de las uniones de soldadura.
El ERSA 25+ es ideal para aplica- ciones de soldadura que requieran un aporte adicional de calor. Su calefactor interno y las puntas de larga duración de las series 832 y 842 garantizan una buena transmisión térmica. El mango ergonómico proporciona un agarre seguro para cualquier aplicación de soldadura.
Soldadores universals de Ersa – para casi todas las aplicaciones
ERSA 30 S, 30/40 WErsa MULTI-PRO, 20 WERSA 15+, 15 W ERSA 25+, 25 W
El Ersa MULTI-SPRINT es un soldador tipo pistola de diseño ergonómico y sumamente ligero con potencia de hasta 150 W que no requiere transformador.
Su resistencia PTC, junto con las puntas de soldadura ERSADUR, garantiza una eficiencia excepcio- nal. Gracias a su rápido tiempo de recuperación, es ideal para solda- duras rápidas. El MULTI-SPRINT solo se activa al presionar el botón. Dependiendo de la temperatura necesaria para la soldadura podremos aumentar la potencia presionando el pulsador de forma periódica.
La gran varidad de puntas de las series 832 / 842 hacen al MUL- TI-SPRINT válido para más aplicaciones que sólo la reparación. Ersa MULTI-SPRINT, 150/75 W
Las series ERSA 50 S/80 S o 150 S están diseñadas para apli- caciones donde es necesario una gran capacidad calorífica, como por ejemplo conductores de cobre con secciones de 2.5 mm a 6 mm.
Las series de soldadores martillos ERSA 200, 300 y 550 están particularmente diseñadas para trabajar con planchas de metal, y la instalación y soldadura de conmutadores y barras de cobre. Los soldadores martillo han demostrado también su capacidad para trabajos con carrocerías y trabajos en vidrio. ERSA 50 S, 80 S, 150 S, 50 / 80 / 150 W ERSA 200 / 300, 200 / 300 WERSA 550, 550 W