Existen muchos tipos de máquinas de soldadura por ola, cada una con sus propias peculiaridades, características y particularidades. La buena noticia es que todas comparten los mismos elementos fundamentales del proceso, lo que facilita (aunque quizá no sea fácil) la comparación entre los distintos modelos:
- Fundición
- Precalentamiento
- Soldadura
- Transporte
A lo largo de esta serie, analizaré todos estos elementos en detalle. Al desglosar las máquinas de soldadura por ola en estos elementos, es posible comparar un gran número de máquinas basándose en determinadas características del proceso de los distintos tipos de aplicadores de fundente, precalentadores, etc.
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Fluxers: una introducción
El fundente es un componente esencial en la creación de una unión soldada. A efectos de esta entrada, me referiré al fundente tal y como se utiliza en las máquinas de soldadura por ola. Pero, si quieres conocer otros usos, echa un vistazo al blog de mi colega, Jim Hisert: Especificación de preformas de soldadura: fundente.
Cuando se desarrolló por primera vez el soldado por ola, el fundente se aplicaba habitualmente mediante un método con pincel, en el que un técnico aplicaba el fundente utilizando, como habrás adivinado, un pincel de pintura. Como puedes imaginar, no se trataba de una operación muy controlada. Se necesitaba la automatización para aumentar la productividad, la precisión y la uniformidad a la hora de aplicar el fundente. Los diferentes métodos creados y analizados en esta serie son:
- Fluxers de espuma
- Wave Fluxers
- Aplicadores de fundente por pulverización
- Fluxificadores de cepillo
Cuando se pone en marcha la automatización, es necesario aplicar determinadas normas, como las reglas de funcionamiento de los aplicadores de fundente, junto con la adición de fundente y el control de la densidad del mismo. También se aplican ciertas estrategias, como el sistema de pérdida total, que se analizará en paralelo con el aplicador de fundente por pulverización.
Fluxer de espuma
El generador de espuma de fundente es un dispositivo en el que se hace pasar aire comprimido a través de un tubo poroso (conocido comúnmente como «piedra», ya que esta pieza solía fabricarse con porcelana sin esmaltar) que está sumergido en fundente espumante. La piedra está cubierta por una chimenea que ayuda a producir una cascada de espuma de fundente. En el dibujo se puede ver un esquema básico del sistema de espumado de fundente.
No todos los fundentes funcionan bien en este caso. El fundente debe tener la propiedad de formar espuma, ya sea de por sí o mediante la adición de un agente espumante. Si se utiliza el fundente adecuado, este saldrá burbujeando por la tolva y formará una capa de espuma. Es necesario mantenerla adecuadamente para garantizar una deposición precisa del fundente sobre la placa.
Normalmente hay una cuchilla de aire o un cepillo situado justo detrás de la cabeza de la ola para eliminar cualquier exceso de la placa de circuito impreso. Si la placa de circuito impreso gotea flujo sobrante, este puede caer sobre los precalentadores. El flujo quemado es extremadamente difícil de eliminar. Además, algunos flujos son volátiles e inflamables. Los riesgos de seguridad asociados a este tipo de flujos son elevados.
El mantenimiento de la capa de espuma resulta complicado; puede suponer un auténtico reto para los operarios. Para solucionarlo, el suministro de aire del fluxer debe ajustarse lentamente si se quiere lograr una consistencia precisa de la capa. Si se introduce una gran cantidad de aire sin una acumulación adecuada, pueden formarse burbujas grandes. Cuando estas burbujas llegan a la superficie de la espuma, estallan. La espuma es muy sensible al calor. Si un palé, un accesorio o una placa calientes entran en contacto con la espuma, la capa de espuma podría colapsarse. La capa de espuma puede recuperarse, pero necesita tiempo para volver a formarse. Si el operario no se da cuenta del colapso, es muy probable que haya algunos conjuntos de placas de circuito impreso que no tengan suficiente fundente, o ninguno, lo que provocaría una soldadura deficiente.
Los poros de la piedra son finos y pueden obstruirse fácilmente con fundente seco; este puede resultar muy difícil, si no imposible, de eliminar. Si se va a parar la máquina (por cualquier motivo, incluido el mantenimiento rutinario), se debe vaciar el dosificador de fundente y limpiarlo a fondo para evitar este problema. Además, si el aire comprimido de la piedra está contaminado con aceite o agua, el fundente se verá afectado y no funcionará correctamente. Si resulta difícil conseguir una espuma de buena calidad, la contaminación debe ser la primera causa a tener en cuenta.
Wave Fluxers
Cuando se desarrolló la máquina de soldadura por ola , el método inicial de aplicación del fundente era el mismo que el de la soldadura: una ola. Aunque esta técnica ya no es habitual hoy en día, todavía se utiliza en algunos casos. Así pues, vamos a hablar de ella.
En primer lugar, cómo funciona: el mecanismo consta de un recipiente, una bomba y una boquilla (para crear el efecto de onda de fundente), igual que un mecanismo de ola de soldadura. La parte inferior de la placa de circuito impreso se pasa por encima de la ola y se recubre con una fina capa de fundente. Esto garantiza que los componentes de la parte superior permanezcan libres de fundente. Esta imagen muestra una vista superior de un aplicador de fundente por ola, con una cuchilla de aire acoplada.
En este diseño, la cuchilla de aire es esencial, ya que el aplicador de fundente por onda emite una gran cantidad de fundente. La cuchilla de aire ayuda a contener el exceso de fundente. Si el exceso de fundente gotease desde los PCB tratados hacia el interior de la máquina, se produciría una suciedad difícil de limpiar. Además, la cuchilla de aire evita que el exceso de fundente gotee sobre los precalentadores. Algunos fundentes son volátiles y podrían provocar incendios en el interior de la máquina. Una malla situada sobre el aplicador de fundente reduce la probabilidad de que se produzcan defectos en la onda, como ondulaciones, y garantiza una distribución uniforme del fundente.
Las ventajas de contar con un «wave fluxer» son:
- El fundente no necesita ningún agente espumante
- Es posible aplicar fundente a placas que tengan cables o pines largos (de orificio pasante)
- La parte inferior de la placa se recubrirá con una capa continua de fundente.
- Puede generar una columna de vapor considerablemente más profunda que la de un difusor de espuma
- La contaminación del fundente no afectará a la cantidad de fundente aplicada en la parte inferior de la placa.
Cuando el fluxer de espuma presenta un fallo, resulta relativamente fácil detectarlo gracias al estado de la espuma. Sin embargo, en el caso de un fluxer de onda, es casi imposible determinar a simple vista si las condiciones se salen de los límites de tolerancia especificados. Es necesario realizar un seguimiento constante.
Aplicadores de fundente por pulverización
La aplicación de fundente por pulverización es el método más habitual hoy en día para aplicar fundente a una placa de circuito impreso. Cuando se desarrollaron por primera vez las máquinas de pulverización de fundente, eran aparatos torpes e ineficaces. Eran sucias y requerían mucho mantenimiento. Además, estas máquinas requieren una ventilación independiente de la parte principal de la máquina de soldadura por ola y se utiliza un sistema de «pérdida total», especialmente cuando se emplea fundente sin limpieza. El libro de Ralph Woodgate The Handbook of Machine Soldering SMT and TH menciona que «los principales sistemas se clasifican en las siguientes categorías:
- El sistema de pulverización por aire comprimido de pérdida total.
- El sistema de pulverización ultrasónica de pérdida total.
- El sistema de pulverización sin aire de pérdida total.
- «El sistema de recirculación con pulverización por tambor y cuchilla de aire».
Algunas de las ventajas de utilizar un aplicador de fundente por pulverización son:
- El pulverizador de fundente puede programarse para cubrir zonas concretas de la placa de circuito impreso. Esto resulta útil cuando se desea realizar una soldadura selectiva.
- La cantidad de fundente puede modificarse en función de las características específicas del proceso.
Los pulverizadores de fundente se desplazan perpendicularmente al movimiento de la cinta transportadora. Esto, junto con el objetivo de aplicar la cantidad mínima eficaz de fundente, garantiza un humedecimiento uniforme y adecuado. Esto resulta beneficioso por muchas razones, entre ellas:
- Permite ahorrar en costes operativos.
- Se consigue una mejor humectación cuando hay menos residuos de fundente.
- Los cables más largos de los componentes se soldan fácilmente.
El sistema de pérdida total y el fluxado por pulverización
El sistema de pérdida total es un método de aplicación de fundente pulverizado que utiliza la mínima cantidad de material necesaria para crear correctamente una unión de soldadura satisfactoria. En este proceso, el fundente se pulveriza directamente sobre la placa de circuito impreso desde un recipiente sellado. Se utiliza todo el fundente del recipiente, ya sea aplicándolo a la placa o perdiéndolo por exceso de pulverización. Esta es la razón principal por la que es necesario disponer de un sistema de ventilación independiente para la eliminación del fundente perdido.
Los sistemas abiertos para la aplicación de fundente presentaban problemas que el sistema de pulverización de fundente de pérdida total resolvió. Las ventajas de utilizar pulverizadores de fundente y el sistema de pérdida total son:
- Se puede utilizar con fundentes que no hacen mucha espuma
- No es necesario controlar la densidad
- No es necesario realizar una titulación ni mediciones químicas del contenido en ácido
Todos los métodos mencionados resultaban costosos de poner en práctica. Al no recircular el fundente, se eliminaron los costes y el trabajo asociados a las pruebas. Si el proceso se configura correctamente, todo el fundente pulverizado sobre la placa tendrá las mismas características que el del envase sin abrir.
Todos los sistemas pueden variar cuando los utilizan distintos usuarios, ya que estos tienen diferentes deseos y necesidades en función de sus aplicaciones y procesos.
Existen dos variantes distintas en el sistema de pérdida total. Se utiliza una boquilla para producir un patrón de pulverización en forma de abanico a alta presión que cubre todo el ancho de la placa y se aplica mediante pulsos rápidos. Esto garantiza una capa uniforme de fundente. La otra boquilla se desplaza de un lado a otro para cubrir la superficie de la placa. En la sección anterior se puede ver un esquema. Son similares en el sentido de que el fundente nuevo se pulveriza a través de una boquilla o se rocía sobre la parte inferior de la placa de circuito impreso. Algunos pulverizadores de fundente mezclan un poco de aire para ayudar a formar la niebla, mientras que otros utilizan aire comprimido para dirigir el chorro. Algunos aplican presión al fundente en lugar de aire comprimido.
También existen pulverizadores de fundente por ultrasonidos que utilizan un enfoque totalmente diferente al mencionado anteriormente para dispersar el fundente. La boquilla utiliza energía ultrasónica para descomponer el fundente en un patrón de pulverización, en el que el aire comprimido impulsa las gotas formando un abanico para lograr una distribución uniforme. Elimina la mecánica necesaria para mover la boquilla de fundente mediante el uso de determinados sensores. Por lo tanto, la pulverización solo se activa cuando la placa se encuentra en el lugar adecuado en el momento adecuado. En cualquier otro momento, se desactiva; esto minimiza el desperdicio de fundente y las pérdidas asociadas al sistema de pérdida total.
Ventilación del sistema de pulverización Fluxer
Por muy preciso que sea el pulverizador de fundente, siempre habrá al menos una parte del fundente que no se deposite en la placa y que deba eliminarse del sistema. En la sección anterior mencioné que todas las instalaciones de pulverizadores de fundente deben contar con su propio sistema de ventilación, independiente del sistema de ventilación de la estación de soldadura.
El diagrama que he creado aquí muestra un esquema sencillo de cómo podría ser el sistema de ventilación. Las placas horizontales, que son los primeros filtros del conducto de ventilación, son extraíbles y se pueden limpiar para eliminar los residuos de fundente. Algunos de los sistemas más sofisticados pueden tener tres o más placas. Es posible que parte del fundente consiga eludir las placas y penetre en los conductos. Por eso es importante contar con un sistema que se pueda desmontar fácilmente y limpiar a fondo. Si no se elimina el fundente, puede suponer un riesgo de incendio y para la seguridad. En caso de incendio, los conductos deberían contar con un enlace fusible que apague los ventiladores de extracción. Además, dado que el fundente puede ser muy corrosivo, se debe elegir adecuadamente el material que se utilice para el sistema de ventilación y los conductos.
Limpiador de cepillos
Las dos últimas secciones han tratado sobre las diferentes facetas de la aplicación de fundente por pulverización y los sistemas que se utilizan. En esta entrada, dejamos a un lado el fundente por pulverización y abordamos el último tipo de aplicador de fundente de esta miniserie: el aplicador de fundente con pincel. Se trata, posiblemente, de la forma más antigua de aplicar fundente y, hoy en día, apenas se utiliza.
En los primeros tiempos del montaje de placas de circuitos, el fundente se aplicaba utilizando, básicamente, un pincel. El sistema del que voy a hablar es algo más sofisticado que eso. Puedes echar un vistazo a este sistema desde el esquema que ves aquí.
Me gusta pensar en él como un rodillo de pintura automatizado. La brocha cilíndrica está medio sumergida en un baño de fundente y gira sobre su eje central. La placa entra en contacto con la brocha en el vértice y se desplaza en sentido contrario al de rotación de la brocha en el punto de tangencia. La deposición de fundente puede variar considerablemente. Esta imprevisibilidad es una de las razones por las que no se utiliza hoy en día.
Este sistema es un sistema de recirculación con los mismos problemas que se asocian a otros sistemas abiertos, como la formación de espuma o la ondulación. Además, la brocha tiene que lavarse muy a fondo. ¿Alguna vez ha dejado una brocha o un rodillo fuera después de pintar, para volver horas más tarde sin poder utilizarlo? Los fundentes de brocha siguen una lógica similar. Para las modernas placas de circuito diseñadas para SMT de hoy en día, este sistema es arcaico e inadecuado. Sin embargo, se utiliza en circunstancias especiales que necesitan un método de aplicación de bajo coste para ensamblajes de productos sencillos, o cuando no se pueden utilizar los métodos más modernos.
Esto completará la sección fluxer de mi blog.
