Perfilado térmico

En la soldadura , un perfil térmico es un conjunto complejo de valores de tiempo-temperatura para diversas dimensiones del proceso, como la pendiente, el tiempo de inmersión, el TAL y el pico. ^{[ 8 ]} La pasta de soldadura contiene una mezcla de metal, fundente y disolventes que facilitan el cambio de fase de la pasta de semisólido a líquido y luego a vapor; y del metal de sólido a líquido. Para un proceso de soldadura eficaz, este debe realizarse en condiciones cuidadosamente calibradas en un horno de reflujo . Descripción detallada del horno de reflujo por convección

En la actualidad se utilizan dos tipos principales de perfiles en soldadura:

1. El pico de rampa-remojo (RSS)
2. Rampa a pico (RTS)

Rampa-Remojo-Pico

La rampa se define como la tasa de cambio de temperatura en el tiempo, expresada en grados por segundo. ^{[ 9 ] : 14} El límite de proceso más comúnmente utilizado es de 4  °C/s, aunque muchos fabricantes de componentes y pastas de soldadura especifican el valor en 2  °C/s. Muchos componentes tienen una especificación donde el aumento de temperatura no debe exceder una temperatura específica por segundo, como 2  °C/s. La evaporación rápida del fundente contenido en la pasta de soldadura puede provocar defectos, como levantamiento de terminales, formación de lápidas y bolas de soldadura. Además, el calor rápido puede generar vapor dentro del componente si el contenido de humedad es alto, lo que resulta en la formación de microfisuras. ^{[ 9 ] : 16}

En la fase de remojo del perfil, la pasta de soldadura se aproxima a un cambio de fase. La cantidad de energía introducida tanto en el componente como en la PCB se aproxima al equilibrio. En esta etapa, la mayor parte del fundente se evapora de la pasta de soldadura. La duración del remojo varía según la pasta. La masa de la PCB es otro factor que debe considerarse para la duración del remojo. Una transferencia de calor demasiado rápida puede causar salpicaduras de soldadura y la formación de bolas de soldadura, puentes y otros defectos. Si la transferencia de calor es demasiado lenta, la concentración de fundente puede permanecer alta y dar lugar a uniones de soldadura frías, huecos y reflujo incompleto. ^{[ 9 ] : 16}

Tras el segmento de remojo, el perfil entra en el segmento de rampa hasta el pico, que corresponde a un rango de temperatura y un tiempo determinados que superan la temperatura de fusión de la aleación. Los perfiles exitosos abarcan temperaturas hasta 30  °C superiores al liquidus , que es de aproximadamente 183  °C para el eutéctico y de aproximadamente 217  °C para el libre de plomo. ^{[ 9 ] : 16–17}

^{La zona final de este perfil es la sección de} enfriamiento. Una especificación típica para el enfriamiento suele ser inferior a −6  °C/s (pendiente descendente). ^[ 9 ^{] : 17}

Rampa a pico

El perfil Rampa a Pico (RTS) es casi una gráfica lineal, que comienza en la entrada del proceso y termina en el segmento pico, con un Δt (cambio de temperatura) mayor en el segmento de enfriamiento. Mientras que el Rampa-Mantenimiento-Pico (RSS) permite aproximadamente 4  °C/s, los requisitos del RTS son de aproximadamente 1 a 2  °C/s. Estos valores dependen de las especificaciones de la pasta de soldadura. El período de mantenimiento del RTS forma parte de la rampa y no es tan fácilmente distinguible como en el RSS. El mantenimiento se controla principalmente mediante la velocidad de la cinta transportadora . El pico del perfil RTS es el punto final de la rampa lineal hasta el segmento pico del perfil. Las mismas consideraciones sobre defectos en un perfil RSS también se aplican a un perfil RTS. ^{[ 9 ] : 18}

Cuando la PCB entra en el segmento de refrigeración, la pendiente negativa suele ser más pronunciada que la pendiente ascendente. ^{[ 9 ] : 18}

Los termopares (TC) constan de dos metales diferentes unidos por un cordón de soldadura. Para que un termopar mida la temperatura en un punto determinado, el cordón de soldadura debe entrar en contacto directo con el objeto cuya temperatura se desea medir. Los dos cables diferentes deben permanecer separados, unidos únicamente por el cordón; de lo contrario, la lectura ya no se tomará en el cordón de soldadura, sino en el punto donde los metales entran en contacto por primera vez, lo que invalida la lectura. ^{[ 9 ] : 20}

Una lectura de termopar en zigzag en un gráfico de perfil indica termopares mal sujetos. Para obtener lecturas precisas, los termopares se colocan en áreas que difieren en masa, ubicación y puntos problemáticos conocidos. Además, deben estar aislados de las corrientes de aire. Finalmente, la colocación de varios termopares debe variar desde áreas con mayor densidad de población hasta áreas con menor densidad de población en la PCB para obtener las mejores condiciones de muestreo. ^{[ 9 ] : 20}

Se utilizan varios métodos de fijación, entre ellos epoxi , soldadura de alta temperatura, Kapton y cinta de aluminio, cada uno con distintos niveles de éxito. ^{[ 10 ]}

Las resinas epoxi son eficaces para fijar los conductores TC a la placa de perfilado y evitar que se enreden en el horno durante el proceso. Existen resinas epoxi en formulaciones aislantes y conductoras. Es necesario verificar las especificaciones, ya que un aislante puede afectar negativamente la recopilación de datos de perfilado. La capacidad de aplicar este adhesivo en cantidades y espesores similares es difícil de medir cuantitativamente, lo que reduce la reproducibilidad. Si se utiliza resina epoxi, deben verificarse sus propiedades y especificaciones. La resina epoxi funciona dentro de un amplio rango de tolerancias de temperatura.

Las propiedades de la soldadura utilizada para la fijación de termopares difieren de las de la soldadura de conexión eléctrica. La soldadura de alta temperatura no es la mejor opción para la fijación de termopares por varias razones. En primer lugar, presenta los mismos inconvenientes que la resina epoxi : la cantidad de soldadura necesaria para adherir el termopar al sustrato varía según la ubicación. En segundo lugar, la soldadura es conductora y puede provocar cortocircuitos en los termopares. Generalmente, un pequeño tramo de conductor queda expuesto al gradiente de temperatura. Esta área expuesta, junto con la soldadura, genera una fuerza electromotriz (FEM) . Los conductores y la soldadura se colocan en un entorno homogéneo dentro del gradiente de temperatura para minimizar los efectos de la FEM.

La cinta Kapton es una de las cintas y métodos más utilizados para la fijación de termopares y conductores. Al aplicar varias capas, cada una tiene un efecto aditivo sobre el aislamiento y puede afectar negativamente el perfil. Una desventaja de esta cinta es que la placa de circuito impreso debe estar muy limpia y lisa para lograr un sellado hermético sobre la soldadura del termopar y los conductores. Otra desventaja de la cinta Kapton es que, a temperaturas superiores a 200  °C, se vuelve elástica y, por lo tanto, los termopares tienden a despegarse de la superficie del sustrato. El resultado son lecturas erróneas caracterizadas por líneas irregulares en el perfil.

La cinta de aluminio se presenta en diversos grosores y densidades. Las cintas de aluminio más gruesas pueden atenuar la transferencia de calor y actuar como aislante. Las cintas de aluminio de baja densidad permiten la transferencia de calor a la zona del termopar que genera el campo electromagnético (CEM). La conductividad térmica de la cinta de aluminio permite una conducción uniforme cuando su grosor es relativamente constante en la zona del termopar que genera el CEM.