Amigos,
Este artículo es un extracto de The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects de IndiumCorporation .
Introducción
Los problemas de las placas de circuito impreso (PCB) pueden ser un reto, pero no todos ellos pueden enviar su PCB a una tumba prematura como el tombstoning. El "tombstoning" es causado por fuerzas desiguales de tensión superficial creadas durante la fusión de la pasta de soldadura en lados opuestos de un componente pasivo. Estas fuerzas desiguales hacen que el componente pasivo se levante por un extremo y rompa el contacto con el circuito, dando como resultado algo que se parece inquietantemente a una lápida en un cementerio (ver Figura 1).
Figura 1: Componentes de condensadores tumbaos.
Mecanismo de enterramiento
Son varios los factores que contribuyen al tombstoning. Casi siempre es el resultado de fuerzas de humectación desiguales en las terminaciones del componente. Cuando un extremo se "humedece" antes que el otro, la fuerza de humectación desequilibrada de la soldadura "tira" del componente y lo gira, haciendo que se ponga de punta. También nos encontramos con el "tombstoning" tras un calentamiento desigual del conjunto de la placa de circuito impreso. A medida que la placa de circuito impreso (PWB) pasa por el horno de reflujo, la parte delantera del componente pasivo suele calentarse primero (véase el lado izquierdo del pasivo en la figura 2). Este calentamiento desigual hace que el depósito de pasta de soldadura más cercano a la fuente de calor (el lado izquierdo de la Figura 2) se funda primero. A medida que esta soldadura se funde, su tensión superficial hace que el pasivo se mantenga erguido como se ve en las Figuras 1 y 2.
Figura 2: Detalle del mecanismo de tombstoning.
Aleación de soldadura
Una forma de minimizar el tombstoning es utilizar una aleación de soldadura que tenga un amplio rango "pastoso" o "plástico" al fundirse. El intervalo plástico es el intervalo de temperatura en el que la soldadura está fundida y sólida. En el caso de una soldadura eutéctica, como la soldadura Sn63/Pb37, no hay rango plástico, ya que la soldadura es completamente sólida a menos de 183 ºC y completamente líquida a más de 183 ºC. Las aleaciones SnPbAg, como Sn62 o Indalloy®100, se han utilizado ampliamente para eliminar los problemas de tombstoning en los ensamblajes con plomo debido a su mayor rango plástico.
En las soldaduras sin Pb, la SAC3510 (Sn/3,5Ag/1Cu) tiene un rango plástico estrecho, mientras que la SAC305 tiene un rango más amplio. Por lo tanto, cabría esperar que la SAC305 tuviera un mejor rendimiento en términos de minimización del tombstoning, y así es. La figura 3 muestra los resultados de los experimentos para determinar la tasa de tombstoning. Obsérvese que la tasa de tombstoning de SAC3510 es más de seis veces superior a la de SAC305. Dado que la SAC305 es una de las aleaciones sin Pb más comunes, los casos de tombstoning han disminuido considerablemente en la era sin Pb.
Figura 3: Comparación de aleaciones de tombstoning distintas de la SAC305. Las barras verdes son aleaciones sin plomo; las negras, aleaciones con plomo.
Diseño del tablero
Es muy importante que los ingenieros de fabricación colaboren estrechamente con los ingenieros de diseño para eliminar problemas y defectos en la fabricación de placas de circuito impreso. La formación de bultos es un defecto que puede eliminarse con un diseño adecuado. Si el diseño de la placa tiene un disipador de calor (una capa de cobre, por ejemplo) debajo o cerca de un lado de un componente pasivo, y el otro lado está más alejado, el disipador de calor podría afectar al equilibrio térmico del conjunto; la pasta de soldadura del lado sin el disipador de calor podría hacerse líquida primero, lo que podría causar un defecto de tombstoning.
Diseño de plantillas
Minimizar la cantidad de pasta de soldadura impresa en los pads de la PCB también reducirá el tombstoning. Es especialmente útil reducir la cantidad de soldadura impresa directamente detrás de los extremos del pasivo, lo que eliminará casi todas las fuerzas de tombstoning. En la figura 4 se muestra un diseño típico de plantilla para lograr este objetivo. En algunos experimentos, este diseño eliminó completamente el tombstoning.
Figura 4: Diseño de un esténcil para minimizar el "tombstoning" en los pasivos 0402.
Impresión
El proceso de impresión y la eficacia de la transferencia son componentes clave de muchos defectos de final de línea, incluido el tombstoning. Si uno de los lados de un componente pasivo tiene más pasta de soldadura que el otro, el componente puede colocarse en una posición en la que sólo esté en contacto con el depósito más alto. El resultado más probable sería un defecto de tombstone. El uso de equipos de inspección de pasta de soldadura (SPI) puede ayudar a garantizar que los depósitos de pasta de soldadura estén dentro de las especificaciones, y que un depósito no sea más alto que otro. La optimización del tamaño y la forma de la abertura también ayudará a minimizar la variación del volumen de pasta de soldadura entre los pads.
Colocación
La fuerza de colocación y/o una altura Z inadecuada pueden ser a menudo la razón por la que se produce el tombstoning. Es importante asegurarse de que la presión de colocación y la altura Z son adecuadas para el montaje y se optimizan antes de la producción. También es posible que las piezas se desvíen al colocarlas. Aunque la soldadura tiende a autoalinearse, los componentes colocados incorrectamente y desalineados pueden provocar tombstoning.
Reflujo
Una forma de minimizar el tombstoning consiste en reducir la entrada total de calor durante el reflujo aumentando gradualmente la velocidad de rampa; sin embargo, esta condición puede ser difícil de conseguir en un horno de reflujo. Otra opción es utilizar un perfil de reflujo de tipo inmersión para lograr el equilibrio térmico entre los dos depósitos de pasta de soldadura, de modo que ambos depósitos entren en la fase líquida al mismo tiempo.
Además de evitar las soldaduras sin rango plástico, una atmósfera de nitrógeno en el horno de reflujo tiende a exacerbar el tombstoning porque el nitrógeno aumenta las velocidades de humectación y permite que las fuerzas de tensión superficial aparezcan más rápidamente. A menos que haya depósitos de pasta de soldadura de características finas o ensamblajes de paquete sobre paquete (PoP) en la placa, lo más probable es que no haya motivo para utilizar nitrógeno, ya que la mayoría de las pastas de soldadura modernas de primer nivel pueden funcionar bien en una atmósfera de reflujo de aire.
Conclusiones
El tombstoning puede minimizarse siguiendo las directrices que se exponen en este artículo. Una forma fiable de minimizar el tombstoning es utilizar una aleación de soldadura que tenga un amplio rango plástico, como Indalloy®100(con plomo) o SAC305 (sin Pb). También es importante mantener un diálogo abierto con los diseñadores de la placa para minimizar los disipadores de calor cerca o debajo de un lado de los componentes pasivos. Utilice un perfil de temperatura de soldadura por reflujo que pase lentamente de solidus a liquidus, o minimice el desajuste térmico con un remojo. Incorpore SPI para garantizar que los depósitos de soldadura tengan alturas similares y estén dentro de las especificaciones, e imprima un depósito de soldadura que sea pequeño, especialmente en los dos extremos del pasivo. Asegúrese de que la presión de colocación y la altura Z son adecuadas y de que las piezas no se colocan torcidas. Evite utilizar nitrógeno en el horno de reflujo; con una buena pasta de soldadura, es innecesario y agrava el tombstoning.
Salud,
Dr. Ron
