Serie de precalentamiento

Introducción

En muchas de mis entradas he hablado de los diferentes tipos de fluxadores para soldadura por ola: sus capacidades y sus limitaciones. Esta serie seguirá una línea similar, salvo que en este caso se tratarán los precalentadores . Pero primero, una breve introducción.

La definición de precalentamiento es la práctica de aplicar calor a una placa de circuito impreso tras la aplicación del fundente y justo antes la soldadura. La soldadura por ola se puede realizar sin precalentamiento, pero la velocidad de soldadura será lenta. El viejo dicho de que «el tiempo es dinero» subraya la necesidad del precalentamiento. En *The Handbook of Machine Soldering SMT and TH*, Woodgate menciona: «Durante algunos trabajos experimentales con precalentamiento, se soldó una placa a 12 pies por minuto con el precalentamiento habitual. Sin precalentamiento, no se pudo soldar a más de 2,5 pies por minuto». El hecho de que se pueda formar una unión sin este proceso no significa que se deba hacer así.

Las razones que se aducen para el precalentamiento son casi siempre:

• Para «activar» el fundente calentándolo
• Para evitar la formación de bolas de soldadura mediante el secado del disolvente del fundente, que, de otro modo, salpicaría si entrara en contacto únicamente con la ola de soldadura
• Para reducir el choque térmico que sufre la placa de circuito impreso debido a la ola de soldadura, disminuyendo así la deformación y otros defectos asociados a un aumento brusco de la temperatura

La razón más importante para utilizar el precalentamiento es «calentar la placa, los componentes, las conexiones y otras partes de la unión, de modo que el calentamiento y la soldadura finales puedan realizarse con mayor rapidez». Al reducir al mínimo la exposición a la soldadura fundida, también se minimizan los daños en los componentes.

Tipos de precalentadores

En la parte anterior mencioné que el precalentamiento es necesario para reducir el coste del soldado por ola. Con el objetivo de reducir el coste del proceso de soldado por ola, se han desarrollado muchos tipos diferentes de precalentadores, cada uno con sus ventajas e inconvenientes. Los tipos de precalentadores más utilizados son:

1. ​La placa calefactora eléctrica o la placa de calentamiento
2. Eléctrico tubular (Cal Rod)
3. Palabras vacías
4. Plato de cuarzo
5. Varilla de cuarzo
6. Cerámica
7. Infrarrojos
8. Radiación solar ocular concentrada
   • *Nota* Solo hay una persona capaz de hacer esto y es algo extremadamente raro. Además, es «¡más rápido que una bala! ¡Más fuerte que una locomotora! ¡Capaz de saltar edificios altos de un solo salto!». Me refiero, por supuesto, al hombre de acero, Superman. Uno de sus poderes es la visión calorífica. Este sería un método ideal para precalentar las placas, ya que solo requiere la presencia del hombre de acero. ​

Todos estos temas se tratarán en las próximas semanas (excepto el kriptoniano).

Estas son las preguntas que un operador debe plantearse a la hora de elegir el precalentador adecuado para su proceso:

• ¿Te preocupa el coste de la electricidad y la eficiencia energética?
• ¿Necesitas calentar y enfriar muy rápido? Si es así, lo ideal sería una masa térmica pequeña.
• ¿Cómo se limpiará? ¿Te parece interesante que tenga una función de autolimpieza?
• ¿Durante cuánto tiempo vas a utilizar el mismo precalentador? No querrás que su rendimiento térmico disminuya con el paso del tiempo.

Por desgracia, no existe ningún precalentador que resuelva todas las cuestiones mencionadas anteriormente no existe. Todos esperamos con impaciencia a que se invente uno. La mayoría de los precalentadores mencionados solo contarán con una o dos de las características enumeradas. En las próximas semanas os mostraré las características de cada uno de estos precalentadores.

Placa calefactora o placa de presión

En la sección anterior se han presentado todos los diferentes tipos de precalentadores. El precalentador de placa caliente o de placa plana será el primer tipo que voy a tratar.

Si buscas una opción económica para precalentar, la placa calefactora o placa de calentamiento es la mejor opción. El precalentador consiste en una placa de hierro con resistencias en forma de tira atornilladas en la parte inferior, protegidas por una cubierta metálica. A continuación se puede ver un esquema.

Los calentadores de banda suelen colocarse en paralelo al movimiento de la placa en la cinta transportadora. En este caso, la placa se desplazaría en perpendicular a la pantalla. La ventaja de esto es que algunos de los calentadores pueden encenderse o apagarse en función de la anchura y el tamaño de la placa que se esté soldando. Esto permite ahorrar energía cuando es necesario y calentar de forma más eficaz en otros casos. La placa de acero debe tener el grosor suficiente para proporcionar un calentamiento uniforme. Por lo tanto, el ahorro energético es, en el mejor de los casos, marginal.

Ventajas

• Prácticamente se limpia solo: cualquier acumulación de residuos se quemará y no afectará a la capacidad de calentamiento.
• No se ve afectado por pequeños cambios ambientales (como abrir las puertas de la máquina)
• Alta masa térmica
• Bajo coste

Desventajas

• Uso ineficiente de la energía eléctrica
• Se necesita bastante tiempo para alcanzar una temperatura estable

Este tipo de precalentador es ideal si los parámetros de soldadura no varían mucho durante la producción. Esperar a que las placas alcancen el equilibrio puede suponer un problema en el proceso de montaje, ya que, cuando una máquina no está en funcionamiento, la línea se detiene. Una forma de mitigar este problema es ajustar la velocidad de la cinta transportadora en función del tamaño de las placas. Sin embargo, esto dará lugar a una situación en la que habrá que encontrar un equilibrio entre la velocidad de producción y la temperatura de precalentamiento. Este equilibrio será la opción ideal en comparación con esperar a que los precalentadores cambien de temperatura, a menos que los conjuntos estén muy compactos o que los montadores utilicen placas multicapa.

Calrod®: Soldadura por ola

La última sección trataba sobre las ventajas y desventajas de utilizar un precalentador de placa o de placa calefactora en la soldadura por ola. Existen muchos tipos diferentes de precalentamiento. El precalentamiento^{con Calrod®} tiene un tiempo de respuesta mucho más rápido que el de sus homólogos de placa o platina. La estructura física de un Calrod consiste en elementos tubulares que funcionan a temperaturas cercanas al rojo vivo, lo que significa que los elementos pueden brillar en rojo cuando se utilizan en determinadas condiciones. Es la misma tecnología que se emplea en las cocinas eléctricas. Estos elementos se utilizan para calentar indirectamente la placa de circuito impreso mediante un reflector que suele estar integrado en el bastidor al que van atornillados los elementos. A continuación se puede ver un diagrama de los elementos. Las ventajas de utilizar un precalentador Calrod son:

• Son muy resistentes y no se rompen al mover o ajustar el equipo en el que están instalados.
• Pueden durar mucho tiempo.
• Se calientan rápidamente y su temperatura se puede regular sin necesidad de maquinaria costosa ni compleja.
• Están diseñados para utilizarse en un gran número de aplicaciones.

La eficacia de este tipo de precalentador depende de su limpieza, lo que significa que las varillas y el reflector deben mantenerse limpios para que funcionen correctamente. Si cae fundente sobre los elementos o el reflector, este se carbonizará y podría provocar un calentamiento insuficiente, lo que a su vez podría dar lugar a una soldadura defectuosa. Según el Manual de soldadura mecánica SMT y TH, de Ralph Woodgate, existe una «práctica habitual que consiste en recubrir el reflector con papel de aluminio de cocina. Cuando este se decolora, se sustituye por una hoja nueva». Esto garantiza un calentamiento uniforme del conjunto. Si las varillas calefactoras funcionan a una temperatura lo suficientemente alta, pueden autolimpiarse.

El precalentador Calrod puede funcionar a una temperatura más alta que la placa calefactora y no requiere una sección de precalentamiento larga para alcanzar la misma temperatura en la placa. Asegúrate siempre de que, al utilizar componentes SMT, sigas las especificaciones y recomendaciones del fabricante de los componentes.

Palabras vacías

Es lógico pensar que esta fuera, muy probablemente, la primera forma de precalentamiento que se habría utilizado para secar los fundentes a base de colofonia, tan habituales en el pasado. El aire caliente eliminaba los disolventes (principalmente alcohol), pero no calentaba muy bien la propia placa de circuito impreso. La eficiencia de la transferencia de calor entre el aire y la placa era baja al estar expuesta al ambiente y, por lo tanto, el precalentamiento resultaba deficiente.

El resultado es diferente si se coloca este mismo sistema dentro de una cámara. La energía es capaz de calentar la placa. Si se aplica correctamente, esta forma de precalentamiento puede producir un calentamiento más uniforme que la mayoría de los sistemas de radiación directa por sí solos. Por lo tanto, es habitual combinar el precalentador de aire caliente con otro método de calentamiento.

Placa de cuarzo

Continuamos con nuestro análisis de los métodos de reflujo de soldadura.

Como su nombre indica, los precalentadores de placa de cuarzo cuentan con placas gruesas de cuarzo en las que los elementos calefactores están integrados mediante cavidades o ranuras. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son muy rápidas en comparación con otros precalentadores: hasta 93 °C por minuto. Dado que estos elementos alcanzan temperaturas muy altas con gran rapidez, no requieren una etapa de limpieza secundaria. Cualquier fundente que gotee sobre la placa se quemará. Al igual que los precalentadores de placa caliente, la placa de cuarzo puede disponerse en secciones paralelas a la cinta transportadora, de modo que se adapte a una gran variedad de diseños de placas.

Las rápidas velocidades de calentamiento y enfriamiento requieren un sofisticado sistema de control, lo que lo hace más caro que las alternativas. Una advertencia: si se deja esta placa sin vigilancia, puede sobrecalentarse y provocar daños irreparables en el precalentador. La placa de cuarzo también es sensible a un uso indebido, como la caída de una placa de circuito impreso sobre su superficie o una manipulación descuidada. Los ensamblajes más complejos (multicapa, con alta masa térmica) necesitan un calentamiento adecuado, lo que en otros sistemas requeriría un precalentamiento muy prolongado. Es poco probable que se incorpore un sistema de este tipo en una máquina de soldadura por ola.

Tubo de cuarzo

A raíz de lo dicho sobre los precalentadores de placa de cuarzo para la soldadura por ola, esta sección está dedicada al precalentador de tubo de cuarzo, muy similar a ellas. Como recordarás, una de las ventajas de utilizar una placa de cuarzo era que tenía uno de los tiempos de respuesta más rápidos; sin embargo, los tubos de cuarzo tienen tiempos de respuestaaún más rápidos.​

Los elementos calefactores se colocan dentro de los tubos de cuarzo junto con los termopares. Los tubos pueden ser bastante frágiles y, si se les caen objetos encima, es probable que se agrieten o se rompan. Sin embargo, una ventaja es que cada tubo se puede encender o apagar de forma individual. Esto resulta beneficioso si están instalados en paralelo a la cinta transportadora, ya que proporcionarán un calor uniforme independientemente de la anchura de la placa. Si el sistema transportador tiene un ancho fijo, pueden montarse perpendicularmente a los raíles y encenderse o apagarse individualmente para proporcionar la cantidad necesaria de precalentamiento. Si tu máquina de soldadura por ola cuenta con la opción de un sistema automatizado y controlado por ordenador, o tiene un ancho fijo, entonces estos versátiles precalentadores son lo que te conviene utilizar. Es habitual combinar los tubos de cuarzo con aire caliente , ya sea haciendo pasar aire caliente o aire ambiente a través de los tubos. Esta es una de las opciones más atractivas para los técnicos que no disponen de espacio suficiente para colocar un precalentador.

Placa cerámica e infrarroja tipo lámpara

Los precalentadores de tipo lámpara tienen el tiempo de respuesta más rápido de todos los precalentadores mencionados anteriormente en otras publicaciones. El filamento de la lámpara es prácticamente la única masa térmica; es tan rápido que el tiempo de respuesta se mide en segundos en lugar de minutos, como ocurre con los demás modelos. Este tipo de precalentador puede alcanzar temperaturas máximas excepcionalmente altas siempre que se disponga de un sistema de control avanzado. Si no se dispone de dicho sistema de control, podría producirse un daño en la placa.

Por desgracia, estas lámparas pueden resultar un poco caras, ya que suelen tener un acabado dorado-reflector chapado que puede requerir refrigeración por agua. Además, estas unidades son muy frágiles y deben mantenerse impecablemente limpias. Si entra suciedad o fundente en las lámparas, Existe un alto riesgo de rayarlas durante el proceso de limpieza, lo que provocaría daños permanentes.

Los calentadores de placa cerámicos tampoco se utilizan habitualmente. Las velocidades de calentamiento y el diseño son casi idénticos a los los precalentadores de placa de cuarzo . El tiempo de respuesta es rápido, ya que los elementos eléctricos, junto con los termopares, están integrados en la superficie de la placa. Esto garantiza una superficie lisa y fácil de limpiar. Además, son resistentes y pueden soportar posibles daños causados por la caída de tablas.

Calor, longitud de onda e infrarrojos

Como mencioné en la sección anterior, el objetivo del precalentamiento, independientemente del método utilizado, es elevar la estructura metálica de la unión a una temperatura específica. Lo ideal sería que el laminado de la placa y el componente se mantuvieran a temperatura ambiente; sin embargo, esto requeriría que el metal absorbiera la energía térmica mientras que el material aislante la reflejara. Por desgracia, esto rara vez ocurre, ya que la mayoría de las uniones formadas son superficies metálicas brillantes o reflectantes. Para garantizar un calentamiento adecuado, el calor se transfiere desde el cuerpo del componente o desde el laminado base, en lugar de calentar directamente los metales que se van a unir.

Los precalentadores tipo lámpara suelen presentar el peor de los casos debido a sus emisiones de longitud de onda corta. Su superficie de vidrio epoxi puede quemarse, pero no hay tiempo suficiente para que el cobre o los metales recubiertos de soldadura alcancen la misma temperatura. No obstante, la aplicación de los parámetros correctos puede solucionar este problema.

A medida que aumenta la longitud de onda, la base aislante y los circuitos metálicos disponen de más tiempo para alcanzar una temperatura uniforme, pero se pierde la capacidad de concentrar la energía y de lograr un tiempo de respuesta rápido. La capacidad de cualquier superficie para absorber o irradiar la energía de una longitud de onda concreta depende de factores como el color, la textura y la naturaleza del material. La cuestión principal es que un material no puede evaluarse adecuadamente basándose únicamente en criterios visuales.

Automatización y control

Como se ha comentado anteriormente, la temperatura del precalentador no guarda mucha relación con la temperatura real de la placa de circuito impreso. Al implementar un sistema de precalentador doble, en el que hay un sensor de calor por infrarrojos situado entre los dos precalentadores, se puede garantizar un calentamiento más uniforme en todo el conjunto. El funcionamiento consiste en ajustar el primer precalentador a aproximadamente el 70 % de la temperatura deseada. Una vez que la placa ha pasado por esta fase, el detector de infrarrojos mide su temperatura. Este detector envía los datos al ordenador, que ajusta el punto de consigna del segundo precalentador para garantizar que todo el conjunto esté adecuadamente calentado antes de entrar en contacto con la ola de soldadura. A continuación se muestra un esquema. Este sistema elimina gran parte de la variación en la temperatura del conjunto, incluidos los errores del operario en el proceso de soldadura por ola.

Selección del sistema de precalentamiento óptimo

Salvo el sistema automatizado mencionado en mi última publicación, hay pocas diferencias en el rendimiento real de los distintos tipos de precalentadores. La elección se basa en la comodidad y en la capacidad de proporcionar el calor adecuado para elevar el conjunto a la temperatura requerida, al tiempo que se utiliza la velocidad máxima de la cinta transportadora. Además, en las máquinas más pequeñas, el tamaño geométrico es un factor limitante.

En el sector del montaje de componentes electrónicos (SMT), hay muchos fabricantes de componentes que imponen límites a la velocidad de precalentamiento. A la hora de comprobar el rendimiento de los precalentadores, prueba con los conjuntos que tengan mayor masa térmica, los componentes más pesados, los disipadores de calor y los planos de tierra o de tensión para comprobar si se puede alcanzar la temperatura deseada. Además, debes plantearte si será necesario ajustar la temperatura con frecuencia a lo largo de la jornada laboral. Un precalentador de respuesta más rápida sería más adecuado si necesitas aumentar el rendimiento y la eficiencia. De lo contrario, quizá te convenga elegir el precalentador más sencillo que cumpla su función con el mínimo esfuerzo de limpieza y mantenimiento. Recuerda que es inevitable que el rendimiento disminuya a medida que el precalentador envejece o cuando disminuye la tensión de alimentación.