En mis veinte años en el sector de la fabricación de productos electrónicos, he oído muchas afirmaciones sobre el uso del nitrógeno en los procesos de soldadura en ambiente inerte: muchas de ellas son totalmente erróneas. En este análisis, utilizaré el ejemplo de la soldadura por reflujo en un horno cerrado, aunque gran parte de este análisis puede aplicarse también a la soldadura por ola e incluso a la soldadura al vacío.
Empecemos por la verdadera razón por la que un ingeniero de montaje utiliza nitrógeno en la soldadura inerte: porque es el gas más barato disponible que no reacciona con las superficies metálicas calientes para formar una película que impida la soldadura. Eso es todo. Y punto. Quienes utilizan nitrógeno para la soldadura por reflujo no lo hacen porque tenga propiedades maravillosas, sino porque presenta bajos niveles de oxígeno y humedad, y puede purgar (diluir) el oxígeno hasta un nivel lo suficientemente bajo como para evitar o ralentizar la oxidación de las superficies metálicas durante el calentamiento.
Para comprender cualquier proceso en el que se utilicen gases inertes (no reactivos), hay que conocer la composición del aire, el gas más abundante del que disponemos. El aire está compuesto aproximadamente por un 78 % de nitrógeno, un 20,9 % de oxígeno y un 0,9 % de argón, con pequeñas cantidades de otros gases, como el dióxido de carbono, entre otros, además de cantidades variables de vapor de agua. El vapor de agua puede alcanzar hasta un 4 % aproximadamente y, por supuesto, a este nivel, diluirá las concentraciones de los demás gases en una proporción de (96/100), por si acaso piensas que hay algún error en los cálculos. El nivel de oxígeno (20,9 %) equivale a 209 000 ppm (partes por millón). La unidad ppm resulta mucho más útil cuando se trata de porcentajes bajos; por ejemplo, el 0,01 % equivale a 100 ppm. También es importante señalar que la medida fraccionaria (ppm o %) se corresponde con la cantidad en volumen y, según la ecuación de los gases ideales, también con el porcentaje molar.
Ahora voy a hablar de la mitad de los mitos, y de la otra mitad la próxima vez.
Mito 1: «El nitrógeno elimina los óxidos»
Realidad: El nitrógeno utilizado a temperaturas de reflujo no tiene propiedades fundentes (de eliminación de óxidos) de ningún tipo y no reacciona químicamente con nada a estas temperaturas. El nitrógeno evita o ralentiza la oxidación o (en el caso de una superficie limpia con fundente) la reoxidación, simplemente porque no es un gas oxidante. El gas de conformación (una mezcla de hidrógeno y nitrógeno) es muy diferente, y lo comentaré en una nota posterior.
Mito 2: «El nitrógeno mejora la transferencia de calor»
Realidad: No tiene ningún efecto térmico práctico en el proceso de soldadura. La transferencia de calor en los gases, a la misma presión y temperatura, viene determinada por el peso molecular de los gases: nada más. Dado que el nitrógeno tiene un peso molecular de 28 y el oxígeno casi el mismo, 32, la diferencia en las propiedades de transferencia de calor entre el aire y el nitrógeno es mínima, tanto si se trata de un flujo laminar como turbulento.
Mito 3: «Si mido el nivel de oxígeno en el nitrógeno de entrada, sabré cuál es el nivel en el horno»
Realidad: Incluso un horno de reflujo inerte que parezca estar bien sellado mezcla, en realidad, aire ambiente con el nitrógeno en cierta medida. Esto ocurre mediante simple difusión (impulsada por la diferencia de presión parcial de oxígeno entre el aire exterior y el interior del horno) o por la mezcla turbulenta de nitrógeno con aire cerca de una abertura. Lo que ocurre en un horno real se muestra en la ilustración (arriba). Introducir un caudal bajo de nitrógeno en el horno tendrá poco o ningún efecto (a); a continuación, introducir más reducirá el nivel, pero se observarán grandes variaciones (b); y, finalmente, se alcanzará una meseta (c) en la que se habrá obtenido el nivel mínimo de oxígeno posible, pero la mezcla turbulenta seguirá introduciendo oxígeno del aire exterior. A medida que se aumenta el caudal de nitrógeno, simplemente se aumenta la turbulencia y, por lo tanto, la velocidad de mezcla.
Mito 4: «Un nitrógeno más puro me dará mejores resultados»
Realidad: El nitrógeno estándar de calidad criogénica contiene entre 2 y 5 ppm de oxígeno. Ni siquiera purgando un horno bien sellado se alcanzará exactamente el mismo nivel que el del gas de entrada. No notarás ninguna diferencia si utilizas una fuente de nitrógeno con 10 ppm o 10 ppt (partes por billón) de oxígeno. Como se puede observar en la ilustración superior (c), el efecto del gas de alta pureza queda completamente anulado al mezclarse con el aire.
Mito 5: «El nitrógeno reduce todos los defectos de soldadura»
Realidad: El nitrógeno puede ayudar a solucionar algunos defectos relacionados con la humectación y, a menudo, puede convertir un proceso de soldadura mediocre (marginalmente aceptable) en uno aceptable. Otro dato: No solo puede aumentar la humectación («capilaridad») de forma incontrolada en las estructuras de plomo u otras superficies, sino que también puede provocar salpicaduras de soldadura y contribuir a la inclinación del chip (ensamblaje de semiconductores de potencia) o al efecto «tombstone» ( SMT).
Más en la próxima entrega. La segunda parte de esta entrada se puede consultar aquí.
Salud Andy
