Soldadura

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 tendrá problemas. Las uniones soldadas deben hacer más que simplemente 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 tanto a las superficies metálicas cercanas como a los plásticos. Las soldaduras generalmente se dividen en tres categorías: de consumo, industriales y de alta gama. Este último se utiliza en ámbitos como la automoción o entornos donde la vida o la salud está en juego. Como fabricantes, nos interesa principalmente la soldadura manual para la construcción y el desarrollo de bricolaje.

La soldadura con plomo fue estándar durante muchos años. Tiene buenas características de humectación y fluidez 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 unión de soldadura. El estaño de 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 junta de soldadura bien formada, duradera y con buena resistencia mecánica.

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

En la época de la soldadura con plomo, las uniones de soldadura en frío eran claramente reconocibles debido a su superficie mate opaca, en lugar de la superficie brillante de una buena unión de soldadura. Desafortunadamente, esto ya no es cierto 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 dificultado un poco la soldadura manual. 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 peligrosas. No se permite que las soldaduras sin plomo tengan más del 0,1% de contenido de plomo. El objetivo principal era evitar la inhalación de vapores tóxicos, pero en realidad el riesgo era bastante bajo porque se disponía de sistemas de extracción adecuados (suponiendo que se utilizaran). Durante mucho tiempo, la gente no fue consciente de los peligros de trabajar con plomo. Por ejemplo, en los viejos tiempos, un tipógrafo profesional perdía todos sus dientes en unos pocos años debido al tipo de plomo.

Cualquiera que trabaje por primera vez con soldadura sin plomo se dará cuenta enseguida de que la nueva soldadura necesita una temperatura mucho más alta y tiene características de flujo diferentes. A muchos componentes no les gustan las temperaturas tan altas, por lo que se ha intentado contrarrestarlas mediante fundentes innovadores y tiempos de soldadura más cortos. Todo esto encarece el alambre de soldadura sin plomo (ver más abajo). Esto también significa que debe tener cuidado con los alambres de soldadura sin plomo, especialmente baratos, que a menudo no son lo que dicen 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 todavía pueden usar soldadura de plomo, siempre que no distribuyan su productos con carácter comercial. Esto significa que no está permitido vender una cantidad relativamente grande de cosas que usted fabrica en el laboratorio de su casa.Figura 4muestra que, además de la soldadura que cumple con RoHS, los "fabricantes" todavía utilizan soldadura de plomo.

La mayoría de las aleaciones sin plomo que se utilizan actualmente tienen un contenido de estaño significativamente mayor. Antes era aproximadamente el 63%, pero ahora ronda el 95%, dependiendo del 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 del estaño de 232°C a 183°C. Ahora que hay más estaño en la soldadura, junto con una temperatura de soldadura más alta, hay que prestar un poco más de atención a las herramientas y a la metalización de los componentes. La soldadura no sólo se amalgama más rápido con las superficies de cobre, sino que también elimina el cobre de la superficie más rápidamente.

En las aleaciones estándar sin plomo, la temperatura de fusión mencionada anteriormente de 217°C, una de las más bajas posibles, sólo se puede alcanzar en la composición habitual con una aleación compuesta por 95,5% de estaño, 0,7% de cobre y aproximadamente 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 ligeramente menos del 4% puede fácilmente hacer que el alambre de soldadura sea dos veces más caro. Esta aleación que contiene plata se puede hacer básicamente más económica reduciendo el contenido de plata al 3%. Entonces, la aleación tendrá un rango de temperatura de fusión de 217-223°C, lo que no es especialmente notable para la soldadura o para la esperanza de vida de la unión soldada. Las aleaciones más económicas consisten, por ejemplo, en 99,3% de estaño y 0,7% de cobre. , lo que da como resultado un punto de fusión definido de 227°C. Para ello, no es absolutamente necesario aumentar la temperatura de la punta de soldadura en 10°C en comparación con una aleación que contiene plata (Figura 5).

En teoría, para la última soldadura sin plomo mencionada, la temperatura del soldador debería ajustarse a 350°C. Si necesitas de 10 a 20°C más para aportar una cierta cantidad de calor en poco tiempo, eso es ciertamente posible, pero las temperaturas superiores a 380°C normalmente 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 mucho más rápido y solo puede funcionar durante un tiempo determinado a una temperatura determinada. Cada aumento de 10°C en la temperatura reduce la vida activa del fundente a la mitad; el tiempo disponible para eliminar los óxidos se acorta y, en algún momento, no es suficiente. Las aleaciones antes mencionadas, naturalmente, difieren 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 temperatura mínima determinada. La soldadura debe ser líquida y tener una temperatura determinada por encima del punto de fusión. Esto permite la fusión de las capas metálicas para formar una unión de soldadura fuerte. Todas las aleaciones sin plomo mencionadas anteriormente son suficientemente duraderas. En términos generales, las soldaduras que contienen plata son más adecuadas para aplicaciones con ciclos de temperatura más fuertes, que a menudo van acompañados de tensiones mecánicas o vibraciones persistentes. Esto se aplica, en particular, a la aplicación de alta tecnología mencionada anteriormente en la electrónica del automóvil o en los equipos médicos.

El alambre de soldadura no sólo se compone de una aleación, sino también del fundente mencionado anteriormente. Al principio, no existía alambre de soldadura con núcleo fundente, por lo que la gente se conformaba con pastas de soldadura o incluso fundente casero. Una receta común consistía en tricloroetileno mezclado con colofonia, que recibía el nombre de "miel de soldadura". La tarea de un fundente es eliminar los óxidos de las piezas afectadas: el componente, la placa de circuito y, por supuesto, la soldadura líquida. . Esto debe ocurrir durante el mayor tiempo posible, para brindar el mayor tiempo posible para soldar. Se hace una distinción entre fundente halogenado y no halogenado. Ambos tipos eliminan los óxidos mediante una reacción ácido-óxido metálico. En el caso de 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 delante de la soldadura en cantidad suficiente, eliminar los óxidos, alejar las sales resultantes de la soldadura y dejar la soldadura líquida con una superficie agradable, limpia y puramente metálica. Por otro lado, no debe haber demasiado fundente, para que no sea necesario eliminar posteriormente los residuos excesivos. El fundente solidificado no sólo es poco atractivo sino que (contrariamente a la opinión popular) suele permanecer químicamente activo, por lo que, en cualquier caso, hay que tener cuidado.

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

Seleccionar la punta de soldadura adecuada (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 incrustaciones bajo estrés térmico elevado. 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, aumentar 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 misma. punta de soldadura. Por este motivo, en general es aconsejable utilizar un tiempo de soldadura o 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; es simplemente diferente. En primer lugar, es necesario familiarizarse con las diferentes características de dispersión y humectación de la soldadura sin plomo. También necesitará un tiempo de soldadura un poco más largo para evitar aumentar innecesariamente la temperatura de soldadura. En realidad, no ha cambiado mucho. Es recomendable probar varias soldaduras diferentes hasta encontrar la que más te guste. En general, son preferibles las soldaduras con un contenido relativamente alto de plata, aunque cuesten 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