Proceso de impresión de soldadura en pasta

El proceso de impresión de pasta de soldar es de vital importancia en un proceso SMT ya que de el depende en gran manera la tasa de error que puede tener nuestro proceso de fabricación si no es bien atendido.

La Pasta de Soldar: Se compone básicamente de una aleación mayoritariamente de estaño microgranulado, formando esferas que pueden ir de los 20 mm a los 75mm de diámetro.

Este polvo viene mezclado con "flux", así conocido habitualmente el agente químico que actúa como decapante y que ayuda a la formación de una buena soldadura. Este puede ser de base acuosa u al solvente. Juntos forman la pasta o crema de soldar que debemos depositar sobre los PAD´s o islas de soldadura de la PCB previo a la colocación de componentes SMD.

Una vez colocado el componente SMD con sus terminales sobre la pasta el conjunto será sometido a un ciclo de temperatura en un horno continuo siguiendo una curva tal que hará que el estaño se fusione, fluya y forme al enfriarse la necesaria soldadura que será la unión eléctrica y mecánica del componente con el circuito impreso.

Las pastas de soldar requieren almacenamiento refrigerado, pero previo a su utilización deben tomar la temperatura ambiente sin ser abierto para evitar la condensación de humedad lo cual es causa de posibles fallas en la soldadura. En todos los casos se recomienda observar las indicaciones del fabricante ya que estos productos son tóxicos.

El stencil: El depósito de pasta de soldar sobre los PAD´s o islas de la PCB se logra mayormente mediante un proceso serigráfico y como tal requiere de un stencil también conocido como clisé.

El stencil consiste en una hoja metálica de acero inoxidable o latón a la cual mediante un proceso de corte láser, electroerosión o por ataque químico se le han practicado aberturas de tamaño y forma adecuadas a los PAD´s de la PCB y en las mismas coordenadas.

Existen también los llamados screen o bastidor, que están formados por una malla tramada porosa sobre la cual se ha depositado, por medios fotosensibles, una emulsión en un espesor conveniente pero dejando libre las aberturas para los PAD´s.

Para el uso del stencil o screen en las máquinas de serigrafía los mismos deben ser tensados y pegados a un marco metálico que les sirve de soporte.

En ambos casos, stencil o screen, a la hora de serigrafiar la pasta de soldar estos serán alineados sobre la PCB de modo que coincidan sus coordenadas y las aberturas queden centradas sobre los PAD´s. Luego mediante una espátula la pasta de soldar será esparcida sobre el stencil pasando por las aberturas y quedando depositada sobre los PAD´s al separarse el stencil de la PCB.

Las espátulas: También llamadas "squeegee" las más usadas son las de goma o poliuretano y las de metal.

Las de goma son menos usadas ya que si la presión aplicada es excesiva se puede filtrar pasta bajo el stencil ocasionando fallas en el proceso (puentes de soldadura) y requiriendo mayor frecuencia de limpieza de la cara inferior del stencil que hace contacto con las PCB´s. Las de metal son mas indicadas sobre todo para "fine pitch" y están hechas de flejes de acero inoxidable o latón y usadas en un ángulo de incidencia sobre el stencil de 30º a 45º. Requieren menos presión, no necesitan ser afiladas y no se desgastan fácilmente, pero son más costosas que las de goma y pueden causar desgaste del stencil.

Máquinas de serigrafía: Para desarrollos o pequeñas producciones que a su vez no requieran mucha precisión no es extremadamente necesario contar con una máquina serigrafiadora, sino que teniendo la pasta y el stencil solo será necesario adquirir o construir un dispositivo de banco que permita fijar la PCB, superponer el stencil, alinearlo a la PCB y mediante una espátula manual hacer correr la pasta por sobre los orificios de modo de forzar el paso a través de los mismos y conseguir así un depósito de pasta en cada PAD al levantar el stencil.

Dado lo delicado de este proceso y la gran tasa de fallas que nos puede ocasionar, en una fabricación seriada es absolutamente recomendable contar con una máquina serigrafiadora para SMD. En la jerga SMT también se las conoce como "empastadoras".

Las hay en diferentes grados de automatización y combinaciones varias. Las más avanzadas son computarizadas y cuentan con un sistema de transporte que permite tomar las placas desde un cargador automático, transportarlas hasta la zona de serigrafiado y una vez impresa la pasta transportarlas hasta la siguiente estación de la línea.

En las menos automatizadas las placas se colocan y quitan una a una en forma manual.

El sistema de fijación de la PCB puede ser por pernos posicionadores que coincidan con agujeros de la PCB diseñados para tal fin, por abrochado lateral mediante flejes muy finos que toman las PCB´s por los bordes o por vacío, succionando la PCB contra una placa base metálica perforada.

Para la alineación stencil-PCB las más avanzadas cuentan con un sistema de visión con cámaras que visualizan las marcas de posicionamiento (fiduciales) que se hallan tanto en la PCB como en el stencil. Esta información es procesada, el error de alineación es determinado y la posición del stencil es corregida mediante servomotores.

En las más sencillas el stencil es centrado visualmente contra una PCB que se halla fija por medio de pernos posicionadores.

La limpieza del stencil según la sofisticación del equipamiento va desde la forma manual, mediante alcohol y papel absorbente (libre de pelusas) o paños especiales hasta los sistemas de limpieza automáticos que poseen un rollo de paño de limpieza y un contenedor con alcohol. En estos la frecuencia de limpieza se establece por SW y según la aplicación.

Al actuar el paño se embebe en alcohol, limpia el stencil, lo seca, y va enrollando el paño sucio. Por medio del SW se informa si es necesario recargar alcohol o reemplazar el paño.

Una buena impresión: A tal punto algunos consideran que una buena impresión de pasta de soldar es la clave del éxito en un proceso SMT que se han desarrollado sistemas ópticos automáticos o AOI (Automated Optical Inspection) los cuales se emplean para verificar la correcta impresión de pasta y se montan en línea a continuación de la serigrafiadora. Estos sistemas dan alarma al detectar falta u exceso de pasta y evitan así que placas con impresión de pasta defectuosa continúen en el proceso así como alertan de fallas en la serigrafiadora.

La necesidad de un sistema AOI así como el de una serigrafiadora totalmente automatizada depende de la aplicación específica en que se empleará y a un conveniente análisis de costo-beneficio.

Mientras tanto hay ciertos parámetros que, automatizados o no, son la clave de un proceso limpio y eficaz:

Presión de espátula: Con una presión óptima no deben quedar restos de pasta sobre el stencil, lo cual provocaría que en algunos PAD´s quedase demasiado espesor de pasta aumentando el riesgo de puentes de soldadura. Es preferible presión de más que de menos.

La presión óptima dependerá entre otras cosas del estado de la espátula, la velocidad, la viscosidad de la pasta, frecuencia de las impresiones y tamaño de la placa. Como punto de partida podemos considerar razonable para baja velocidad una presión de 0,75Kg a 1,25Kg por cada 100mm de largo de placa.

Velocidad de impresión: Típicamente va de 20 a 80mm por segundo, pero lo que se debe cuidar es que la pasta vaya formando un rollo frente de la espátula mientras esta avanza. Del tipo de pasta usada dependerá la máxima velocidad que le podremos dar sin comprometer la calidad.

Snap Off: Así se denomina la distancia entre la PCB y la cara inferior del stencil en la posición de impresión pero sin la presión de la espátula. Para stencils metálicos debe ser "cero", lo que se denomina "contact printing" o impresión de contacto.

Para los screen de malla debe ser de 0,5 a 3mm y en este caso el snap off influye en la cantidad de pasta depositada.

Velocidad de separación: Una separación muy lenta aumenta el tiempo de ciclo, pero una muy rápida podría dejar bordes altos en la pasta depositada sobre los PAD´s. La velocidad ideal depende del tipo de pasta y de la calidad del clisé.

Area de impresión: Para asegurarnos que la pasta vaya rodando correctamente frente a la espátula ésta debe comenzar a avanzar 80 a 100mm antes de alcanzar las aberturas. Hacia los costados del área de impresión la espátula debe sobresalir como mínimo 20mm.

Factores ambientales: La presencia de polvo o suciedad en el ambiente puede producir defectos como ser puentes de soldadura entre islas fine pitch. La temperatura del ambiente debe ser baja y relativamente constante a fin de que la pasta no presente cambios de viscosidad a lo largo del día, lo cual dificultaría un control de proceso efectivo.

Asimismo no deben haber corrientes de aire ya que esto acelera la evaporación del flux.