domingo, 13 de marzo de 2011

Montaje de SMD con horno de reflujo

En general montar placas con componentes de SMD es sencillo y no se necesitan herramientas especiales por lo cual este proceso está accesible a cualquier aficionado. Un simple soldador además de estaño, flux de soldadura, y malla de desoldar son los elementos básicos para la mayoría de los trabajos. En algunos casos podría ser necesario disponer de una estación de soldadura de aire caliente, por ejemplo para sustitución de componentes o soldura de componentes con encapsulados sin patillas (tipo QFN por ejemplo).

Sin embargo cuando es necesario fabricar pequeñas series o el diseño incluya muchos componentes o componentes SMD de cierta complejidad, puede ser interesante implementar la técnica de soldadura por reflujo. La primera pregunta que surge es cual sería el equipamiento necesario para realizar esta técnica y si estaría disponible para el limitado presupuesto del aficionado.

Lógicamente los sistemas profesionales de soldadura están fuera del alcance del aficionado, pero afortunadamente para realizar esta técnica se pueden utilizar desde hornos convencionales e incluso tostadoras de pan "tuneadas" con un controlador para implementar el perfil de temperatura deseada, o por medio de una sonda de temperatura controlar manualmente el perfil de temperatura. Hay articulos en Internet que describen técnicas para la preparación del horno.

En mi caso no disponía de tiempo para implementar una solución de este tipo por lo que mi opción ha sido comprarme un horno para SMD, en este caso el modelo T-962 disponible en tiendas en e-Bay que lo proporcionan a un precio muy interesante: $319 (incluyendo gastos de envío). No es poco dinero pero al final no deja de ser una inversión que se le puede sacar rendimiento. Además hay que tener en cuenta que no hace mucho este tipo de hornos no bajaban the $1000 o incluso más.

Horno SMD T-962
El horno es una parte de la solución, pero para realizar la soldadura por reflujo es necesario dispensar la pasta de soldadura en los pad de la placa de circuito impreso antes de posicionar los componentes. Para ello normalmente se utilizan stencil (plantillas) de metal que permiten dispensar de forma óptima la pasta de soldadura proporcionando un control óptimo del volumen de pasta a aplicar. Este tipo de stencil de metal están disponibles por ejemplo en http://www.stencilsunlimited.com/ a precios entre $125 a $185 (más gastos de envío). Este es un precio muy alto sobre todo teniendo en cuenta que hay que realizar un stencil por cada tipo de placa.

Una alternativa es dispensar manualmente por medio de una jeringa la pasta de soldadura. He probado este método pero además de ser laborioso, se hace complicado dispensar la cantidad adecuada a cada pad y si se trabaja con componentes de paso fino acaban apareciendo muchos cortocircuitos. La solución de compromiso que he utilizado es utilizar un stencil de poliéster PET, en el que en mi caso lo he adquirido en http://www.smtstencil.co.uk/ por £14.00 (incluyendo gastos de envío). Lógicamente este tipo de stencil no tiene la duración y la precisión que la de los de metal pero es más que suficiente para el trabajo casero. Hay otros proveedores que trabajan con materiales tipo Mylar o Kapton (http://www.pololu.com/ y http://www.applied-electronics.com/), pero me he decidido por el proveedor británico ya que era el más barato puesto en casa y el envío llega en dos o tres días.

Stencil de poliéster PET
La pasta de soldadura es otro elemento importante para el proceso. He decidido utilizar pasta de soldadura con plomo (Sn63Pb37), ya que el perfil de temperatura necesario es menos exigente que el de una aleación sin plomo. Hay varios proveedores de pasta de soldadura y en mi caso la he comprado en DigiKey:  KE1507-ND (Solderpaste no clean 63/37 35gm), con un precio de 24.5€. Es importante comentar que la pasta de soldadura es necesaria almacenarla en un lugar refrigerado, por ejemplo en un frigorífico.

Pasta de soldadura

Para dispensar la pasta de soldadura será necesario algún tipo de espátula. En mi caso he utilizado unas tarjetas de crédito (sin relieve ya que son un poco más flexibles) con buen resultado. También será conveniente disponer de placas de circuito impreso o algún tìpo de soporte para poder posicionar el stencil sobre la placa de circuito impreso.

Otras herramientas necesarias serán cinta adhesiva, un juego de pinzas para el posicionamiento de los componentes, incluyendo unas de punta extrafina para componentes SMD (ejemplo: SMD JBC 5-SA disponible en e-Merchan), algún tipo de lupa, y unos guantes que serán necesarios para manejar con seguridad la pasta de soldadura (es tóxica).
 
Para posicionar el stencil con precisión he decidido utilizar una placa virgen de circuito impreso y recortarla en el centro siguiendo el contorno de la placa. Lógicamente se pueden seguir otras técnicas, pero lo importante es que el stencil no se desplace de ninguna forma cuando se esté aplicando la pasta.
 
Marco para posicionar el stencil sobre la placa
El stencil habrá que posicionarlo con mucha precisión y para ello será necesario utilizar una lupa que proporcione buena visibilidad. Una vez posicionado se fijará con un trozo más bien largo de cinta adhesiva en uno de los laterales, por ejemplo el izquierdo, y otro más bien corto en en el lado derecho y que permita levantarlo con facilidad.  
Colocación del stencil
Una vez colocado el stencil procederemos a la aplicación de la pasta de soldar. Primeramente es importante que la pasta de soldar esté a temperatura ambiente para que tenga la viscosidad adecuada. Mi procedimiento ha consistido en extraer una cantidad de pasta con otra jeringuilla y llevarlo a la temperatura ambiente calentándola con la mano. Una vez haya tomado la temperatura adecuada se depositará una porción de pasta sobre el stencil en uno de los extremos de la placa tal como se muestra en la figura:

Preparando la pasta de soldar
A continuación se dispensará la pasta utilizando la espátula, en este caso una tarjeta de crédito, con un ángulo de unos 45º primeramente siguiendo una diagonal y a continuación la otra diagonal. Es importante comprobar que se rellenan todos los huecos. Finalmente será necesario retirar la pasta con la espátula hacia los laterales del stencil, manejando la espátula con un ángulo cercano a 90º. Una vez finalizada la aplicación se levantará uno de los laterales del stencil y se retirará la placa.
 
Aplicación de la pasta de soldar
Aplicación de la pasta de soldar
Este es el resultado una vez aplicada la pasta de soldadura. Es importante limpiar a continuación el stencil con alcohol para dejarlo listo para futuras aplicaciones.

Las placas con la pasta de soldadura
A continuación viene la parte más laboriosa y delicada y es el posicionado manual de los componentes. Este diseño tiene un buen número de componentes y la mayoría de los pasivos con el encapsulado en tamaño 0402 por lo que me ha llevado unas cuantas horas. Hay que tener mucho cuidado de no perder los componentes y de tocar involuntariamente las zonas donde está aplicada la pasta. Es conveniente posicionar los componentes con precisión pero también hay que tener en cuenta que durante el proceso de soldadura, los componentes tenderán a posicionarse sobre los pad.

Una recomendación para mejorar la eficiencia del proceso, es de tener preparado varias copias del topográfico y en cada copia señalar con un rotulador de colores los componentes del mismo valor. Esto facilitará la búsqueda de las posiciones de los componentes ya que de lo contrario se perderá mucho tiempo buscándolos.
Topográfico accesible para proceder con el posicionado de componentes

Una vez completado el posicionado se procederá a introducir las placas en el horno, teniendo extremo cuidado para que no se muevan los componentes.

Componentes posicionados

Colocación en el horno
Para la aleación utilizada (Sn63Pb37), el perfil de temperatura adecuado en este horno es el Wave 2. Una vez puesto en marcha el horno controlará automaticamentte el perfil de temperatura y lo irá mostrando en la pantalla.

Horno en funcionamiento
Y voilá, ya tenemos la placa montada:

Placa montada
Los componentes de inserción se montarán manualmente con un soldador.

Placa montada incluyendo componentes de inserción
Resultado final
A continuación será necesario revisar cuidadosamente las soldaduras ya que pueden aparecer cortocircuitos o incluso componentes que se han posicionado incorrectamente. Con esta placa he tenido algunos problemas con unos inductores de tamaño 0402 y algunos cortocircuitos en el microcontrolador (TQFP de 100 pines), por lo que he tenido que repasar algunas soldaduras con ayuda del soldador, flux, y la malla de desoldar.

Para ser mi primera experiencia con esta técnica el resultado no ha estado mal, con la consideración de que este diseño tiene una relativa gran densidad de componentes y de además de pequeño tamaño. Con diferencia, el proceso más crítico y laborioso ha sido el posicionado de componentes y es ahi donde tendré que refinar la técnica para mejorar tanto la eficiencia como la precisión de esta operación.

© EA4FRB - Melchor Varela 2011, Todos los derechos reservados

2 comentarios:

  1. Genial, he aprendido mucho.

    Acabo de montar dos placas con PIC32 TQFP de 100 patillas con soldador de miniola o microola o con punta concava, como lo quieras llamar y flux denso en jeringa y me ha quedado muy bien. El flux evita los cortocircuitos entre patillas y la microola retira el estaño sobrante.

    También he soldado para otra placa TQFP48 y 64 de paso fino con la misma técnica de microola sin problema..

    Gracias Melchor
    Tomo nota para lo siguiente que vaya a probar.
    Saludos
    Manolo
    EA7EE

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