SOLDADURA EN PASTA SOLUBLE EN AGUA ¿UNA PRINCIPIANTE O LA … · El ambiente afecta y cambia, con...

SOLDADURA EN PASTA SOLUBLE EN AGUA ¿UNA

PRINCIPIANTE O LA OLA DEL FUTURO?

Tony Lentz

FCT Assembly

Greeley, CO, USA

ABSTRACTO

La soldadura en pasta lead-free soluble en agua es ampliamente usada en los procesos SMT de hoy día, pero la industria se

esta alejando lentamente de las soldaduras en pasta solubles en agua para favorecer a las soldaduras en pasta sin necesidad de

limpieza. Este cambio en el uso de soldadura en pasta es conducido por un esfuerzo de eliminar el proceso de lavado con

agua. Algunos componentes no pueden tolerar el lavado con agua y eliminarlo agiliza el proceso de SMT. A pesar de este

cambio, algunas aplicaciones se prestan para el uso de soldadura en pasta soluble en agua. Las aplicaciones de alta

confiabilidad requieren la eliminación de residuos del flux y es mucho más fácil remover residuos de flux soluble en agua

que los residuos del flux sin necesidad de limpieza. Debido a esta realidad, las soldaduras en pasta solubles en agua se usarán

para un futuro previsible.

Debido a que la industria se aleja de las soldaduras en pasta solubles en agua, las fuentes de investigación y desarrollo se han

concentrado en las tecnologías no-clean. Algunas de las soldaduras en pasta solubles en agua que siguen en uso fueron

desarrolladas muchos años atrás, posiblemente antes de la época de la soldadura lead-free. Debido a la tendencia

prevaleciente por los esfuerzos de formulación no-clean, la tecnología de soldadura en pasta soluble en agua ha quedado atrás

de la tecnología no-clean, especialmente para el uso con aleaciones de soldadura lead-free. Sin embargo, para cumplir con los

requerimientos actuales para algunas aplicaciones, son necesarias las soldaduras en pasta solubles en agua de alto

rendimiento.

Este document detalla la investigación y desarrollo de una nueva soldadura en pasta lead-free soluble en agua que mejora en

las características de rendimiento de tecnologías existentes. Los atributos clave de esta soldadura en pasta son los siguientes:

• Ambientalmente estable en una amplia gama de condiciones

• Larga duración del stencil

• Excelentes características de impresión

• Humectación nominal especialmente en uperficies difícles de humectar

• Muy baja formación de bolas de soldadura y graping

• Fácil de eliminar residuos del flux

Se usaron desafiantes métodos de prueba para desarrollar esta soldadura en pasta y los resultados se detallan en este

documento. Las pruebas hechas en esta nueva soldadura en pasta soluble en agua se compararon y contrastaron con productos

de soldadura en pasta existentes. Este trabajo de desarrollo creo una nueva soldadura en pasta soluble lead-free soluble en

agua que cumple las necesidades actuales y futuras de la industria.

Palabras clave: soldadura en pasta soluble en agua, estabilidad ambiental, duración del stencil, impresión, humectación, bola

de soldadura, graping, capacidad de lavado con agua

INTRODUCCIÓN

Se le puede considerar como “principiante” a una soldadura en pasta soluble en gua completamente nueva hasta que hay

alguna historia de éxito en el campo. Antes de que una soldadura en pasta sea lanzada al mercado, se llevan a cabo pruebas en

un laboratorio para similar procesos de la vida real y validar el rendimiento. Tal fue el caso con la formulación de esta nueva

soldadura en pasta lead-free soluble en agua. Los detalles del proceso de desarrollo se explican en este documento. Los

resultados de probar la nueva soldadura en pasta soluble en agua son comparados y contrastados a los resultados de productos

existentes que han sido usados por varios años en el mercado. El objetivo del Proyecto de investigación y desarrollo fue el de

entregar una nueva soldadura en pasta lead-free soluble en agua que cumpla con los requerimientos actuales pero que cumpla

con las necesidades futuras de rendimiento para las aplicaciones de alta confiabilidad. Esta nueva soldadura en pasta lead-free

soluble en agua se puede convertir en “la ola del futuro”.

METODOLOGÍA

El proceso de investigación y desarrollo para una soldadura en pasta es bastante sencillo y el proceso básico de desarrollo se

lista a continuación:

1. Establecer objetivos de proceso y rendimiento para el material.

2. Desarrollar formulaciones para la evaluación.

3. Producir pequeños grupos para multiples formulaciones.

4. Conducir pruebas para medir los objetivos del rendimiento para el material.

5. Comparar los resultados a productos existentes bien comercializados.

6. Repetir los pasos del 2 al 5 hasta que la nueva soldadura en pasta cumpla con los objetivos deseados.

Los objetivos de proceso y rendimiento para la nueva soldadura en pasta lead-free soluble en agua de alto rendimiento se

muestran a continuación (Tabla 1).

Tabla 1 – Objetivos y metas detalladas para una soldadura en pasta soluble en agua de alto rendimiento

Objetivos para una nueva

soldadura en pasta

soluble en agua

Metas

detalladas

Ambientalmente estable en una

amplia gama de condiciones

• En ambientes altamente humedos, la soldadura en pasta no debe absorber

humedad o volverse “espesa” durante su uso en un horario de trebajo de

8hrs.

• En ambientes de poca humedad, la soldadura en pasta no debe secarse

durante su uso en un horario de trabajo de 8hrs.

• El almacenamiento en un cuarto a temperatura ambiente no debe causar

espesor o perdida de actividad de la soldadura en pasta.

Larga duración del stencil • La soldadura en pasta debe ser imprimible en el stencil por al menos 8hrs,

y responder bien a las pausas en la impresión.

Excelentes características de impression • La soldadura en pasta debe ser imprimible durante un rango de

velocidades de impresión y brindar buena eficiencia de transferencia y

definición de “brick” impreso.

Humectación nominal especialmente

en superficies difíciles de humectar

• La soldadura en pasta debe generar excelente humectación en las

superficies fáciles de humectar como los acabados superficiales de niquel

químico de immersión en oro (ENIG).

• La humectación en superficies difíciles de humectar como el acabado de

solderabilidad orgánica preservativa (OSP) debe ser comparado con

productos existentes.

Muy baja formación de bolas de

soldadura y graping

• La soldadura en pasta debe generar muy baja formación de bolas de

soldadura y graping.

Fácil de eliminar residuos del flux • La soldadura en pasta debe generar residuos de flux que sean fáciles de

lavar con agua destilada.

Los métodos de prueba usados en este Proyecto para medir el rendimiento se detallan por objetivo a continuación. Muchos de

estos métodos fueron tomados de trabajos previos [1]. En algunos casos, los métodos existentes no desafiaron a las

soldaduras en pasta y se crearon métodos nuevos.

Estabilidad ambiental

Los ambientes en los cuales se usan las soldaduras en pasta varían ampliamente. La temperatura y humedad relative varían de

acuerdo a la ubicación geografía y cambian por temporada. En un proceso SMT típico, un rango común de temperature es de

18 – 24 ºC (65 – 75 ºF) y un rango común de humedad relative es de 15 – 55 %RH. El ambiente afecta y cambia, con el

tiempo la soldadura en pasta, especialmente cuando el material esta expuesto al aire el cual puede producir alteraciones no

deseadas. En ambientes relativamente bajos de humedad, los solventes se pueden evaporar de la soldadura en pasta causando

un efecto de sequedad. En ambientes de alta humedad, las soldaduras en pasta pueden absorber agua del aire que puede

causar un efecto diluyente. Pueden ocurrir reacciones en la soldadura en pasta causando una pérdida de actividad y en

algunas ocasiones un efecto diluyente, especialmente cuando hay oxigeno presente. Mientras la temperatura aumenta estas

tazas de reacción aumentan, lo cual disminuye la vida útil de una soldadura en pasta.

Se usaron algunos métodos para medir la estabilidad ambiental de la nueva soldadura en pasta soluble en agua. Las

soldaduras en pasta solubles en agua tienden a ser higroscópicas (absorben agua) y bastante reactivas. Idealmente una

soldadura en pasta puede tolerar un amplio rango de condiciones ambientales y mantener una larga duración del stencil y

tiempo de almacenamiento. Estos métodos de prueba ambiental muestran diferencias significativas en el rendimiento de

soldaduras en pasta solubles en agua.

El primer método es una simple medida de cambio de masa cuando la soldadura en pasta se almacena con exposición al aire

por un tiempo. Para este análisis, la soldadura en pasta es pesada inicialmente y después se pesa periodicamente en diferentes

intervalos de tiempo y se calcula el porcentaje de cambio de masa. Esta prueba se conduce tanto en ambientes de alta

humedad como en ambientes de baja humedad. Con este método de prueba, comunmente las soldaduras en pasta solubles en

agua ganan masa a una taza bastante alta

El segundo método es una medida de fuerza de adhesión según cambia con el tiempo. La fuerza de adhesión se mide

inicialmente y una vez más después de ser almacenada con exposición al aire por alguas horas. La fuerza de adhesión de las

soldaduras en pasta solubles en agua tiende disminuir significativamente con el tiempo y en algunos casos la superficie de la

soldadura en pasta se endurece causando una pérdida total de fuerza de adhesión [2].

Finalmente, una evaluación para la estabilidad ambiental mide la reactividad de la soldadura en pasta. Esta prueba involucre

mezclar la soldadura en pasta continuamente por 6 horas mientras es expuesta al aire. La pasta es entonces sellada en un

contenedor y almacenada durante la noche,

Tras lo cual la viscocidad es medida y comparada con la viscocidad inicial. Un aumento significativo en la viscocidad indica

que ha ocurrido algún tipo de reacción. Los rendimientos de impresión y reflujo también pueden ser evaluados antes y

después de la prueba. La degradación en las características de impresión y reflujo indicant reactividad / inestabilidad en la

soldadura en pasta.

Duración del Stencil

Algunas soldaduras en pasta solubles en agua tienen una duración de stencil relativamente corta y su rendimiento de

impresión se puede degrader significativamente dentro de un period normal de un turno de trabajo de 8hrs. Si los niveles de

humedad relative en torno a la impresora son altos entonces algunas soldaduras en pasta solubles en agua pueden ser usadas

unicamente por un par de horas. La major manera de probar la duración del stencil es correr pruebas de largo plazo en la

impresora [3, 4]. Este método involucre una combinación de probar el tiempo de aperture de la soldadura en pasta y la

respuesta a las pausas en la impresora. La soldadura en pasta es impresa a travez de pequeñas aperturas con un área ratio de

0.50 y el volúmen es medido usando un sistema de inspección de soldadura en pasta (SPI). La soldadura en pasta se asienta

en reposo en la impresora por un periodo de tiempo y después se imprime y se vuelve a medir el volúmen impreso de

soldadura en pasta. Esto se repite por un period de tiempo de 8hrs. El proceso para probar la duración del stencil se detalla a

continuación (Figura 1).

Figura 1 – Proceso de 8hrs para la prueba de duración del stencil

Traducción figura 1

Inglés Español

Print 2 circuit boards & measure solder

paste volume (time = 0)

Imprimir 2 circuitos impresos y medir el

volúmen impreso de soldadura en pasta

(tiempo = 0)


paste volume (time = 1hr)



(tiempo = 1hr)





(tiempo = 2hr)





(tiempo = 4hr)





(tiempo = 8hr)

Los datos del volúmen se usan para calcular el medio y la desviación estándar de la eficiencia de transferencia que es

comparada para cada periodo transcurrido. Normalmente, con el tiempo, hay una disminución en el medio de eficiencia de

transferencia y esto le ocurre más rapidamente a algunas soldaduras en pasta que a otras. Idealmente una soldadura en pasta

debe mantener una eficiencia de transfetencia por un periodo de tiempo de 8 hrs.

Características de Impresión

Una soldadura en pasta de alto rendimiento puede ser usada con un amplio rango de velocidades de impresión (20 mm/seg a

100 mm/seg), y no es para sorprenderse que algunas soldaduras en pasta imprimen mejor a mayores velocidades que otras.

Según aumenta o disminuye la velocidad de impresión, la definición de depósito de las soldadura en pasta (la cual debe ser

tipo brick) no debe degradarse. Esta prueba es simplemente una medida del medio y la desviación estándar de la eficiencia de

transferencia a varias velocidades de impresión, las cuales varían comúnmente a velocidades bajas, medianas y altas. La

definición de la soldadura en pasta brick se evalúa para cada velocidad pero, generalmente es analizada por inspección visual

cualitativa.

Humectación

Para producir uniones firmes de soldadura, las soldaduras en pasta deben humedecerse y esparsirse por completo a los bordes

del pad y humectar los pins del componente. Este no siempre es el caso ya que algunos acabados de circuito impreso son más

difíciles de humectar que otros. En general, la soldadura en pasta se esparce de mejor manera durante el reflujo con el

acabado de níquel químico de immersion en oro (ENIG) que con el acabado de solderabilidad orgánica preservativa (OSP).

Los pins de los componentes también pueden ser difíciles de humectar dependiendo del acabado, formación de óxido, edad

del componente y las condiciones de almacenaje. Este método para la evaluación de humectación utiliza un patrón designado

de circuito impreso [5] como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 – Circuito impreso de prueba de reflujo F2A [5]

Este circuito impreso tiene un patrón de humectación formado por 12 líneas de citcuito verticales y 12 horizontales. 15

depósitos de soldadura en pasta (“bricks”) se imprimen a lo largo de cada línea con un pitch que varía de 0.4 mm en los

bordes a 0.1 mm cerca del centro (Figura 3). Este patrón de prueba es similar al usado por Guene [6].

Figura 3 – Patrón de humectación F2A antes del reflujo

Durante el reflujo, la soldadura en pasta fluye a lo largo de la línea (Figura 4) y posteriormente se calcula el porcentaje (%)

de disperción / humectación.

Figura 4 – Patrón de huectación F2A antes del reflujo para los acabados ENIG y OSP

Inglés Español

Poor wetting on ENIG (76%) Humectación pobre en ENIG (76%)

Ideal wetting on ENIG (100%) Humectación ideal en ENIG (100%)

Poor wetting on OSP (7%) Pobre humectación en OSP (7%)

Good wetting on OSP (36%) Buena humectación en OSP (36%)

Esta prueba se corre tanto en el acabado superficial ENIG como en el OSP. En general, la humectación en el acabado ENIG

es comúnente mayor del 90% y en la superficie OSP comúnmente oscila del 15% al 30%.

Formación de bolas de soldadura y graping

Las soldaduras en pasta bien formuladas no producen bolas de soldadura o graping. Las soldaduras en pasta lead-free

solubles en agua en el mercado actual tienden a producir más bolas de soldadura y graping que sus contrapartes sin neceisdad

de limpieza. El mismo circuito impreso F2A para reflujo (Figura 2) se usa para evaluar los atributos de la formación de bolas

de soldadura y graping. El patrón de retroceso tiene un rango de áreas de sobreimpresión (Figura 5) que se usa para medir el

potencial de formación de bolas de soldadura. La información se resume como el porcentaje (%) mayor de sobreimpresión

con menos de 5 bolas de soldadura, y el porcentaje (%) mayor con menos de 10 bolas de soldadura.

Figura 5 – F2A Formación de bolas de soldadura antes y después del reflujo

El potencial de graping de una soldadura en pasta se mide usando un patrón especialmente diseñado (Figura 6). Se cuenta el

graping como el número de depósitos de soldadura que muestran graping de un posible total y se resume como porcentaje de

graping.

Figura 6 – F2A Graping antes y después del reflujo

La formación de bolas de soldadura y graping se puede medir para diferentes tipos de reflujo y aleaciones. Una soldadura en

pasta de alto rendimiento debe contar con una baja producción de bolas de soldadura y graping con una variedad de

condiciones de perfil de reflujo.

Lavado con agua

Las soldaduras en pasta solubles en agua son, a menudo, mal nombradas. Muchas soldaduras en pasta solubles en agua

generan residuos de flux que no son realmente solubles (Figura 7). El recipiente de la izquierda contiene residuos de flux que

no son completamente solubles en agua mientras que el recipiente de la derecho contiene un residuo de flux que es

completamente soluble.

Figure 7 – lavable en agua (Izquierda) vs. Soluble en agua (Derecha)

Los residuos de flux que no son realmente solubles en agua pueden ser removidos del circuito impreso pero es más fácil

remover residuos que son completamente solubles en agua. Idealmente los residuos de flux de la soldadura en pasta se

pueden dissolver fácilmente en agua destilada sin la necesidad de usara productos de limpieza. La posibilidad de lavado se

evalúa desués de usar un proceso de lavado a baja presión con agua del grifo, seguido de una inpección para buscar residuos.

Este es el tipo de lavado para el peor de los casos que, si existen, mostrará probelamas con la posibilidad de lavado.

Información del perfil de reflujo

El perfil de reflujo es usado en estos métodos fue un perfil linear estándar tipo rampa para una aleación SAC305. Los detalles

del perfil de reflujo se muestran a continuación (Tabla 2).

Tabla 2 – Perfil de reflujo para la aleación SAC305 (Rampa Linear)

Longitud del perfil (45 ºC a temperatura máxima) 4.0 a 4.5 minutos

Taza de rampa 1.0 a 1.5 ºC/segundo

Tiempo sobre Liquidus (217 ºC) 50 a 70 segundos

(60 segundos nominal)

Temperatura máxima 240 a 250 ºC

(245 ºC nominal)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados del trabajo de desarrollo para la nueva soldadura en pasta estan separados por objetivo a continuación. La

nueva soldadura en pasta fue comparada con dos productos existentes que se llaman soldadura en pasta A y soldadura en

pasta B. Las soldaduras en pasta A y B son ambas lead-free y solubles en agua que han estado presents en el mercado por

muchos años. La nueva soldadura en pasta es llamada Nueva SP en los resultados siguientes. Todas las soldaduras en pasta

fueron hechas con polvo de soldadura SAC305 IPC Tipo 3 (25 a 45 µm). Los resultados de probar cada una de estas

soldauras en pasta fueron comparados y contrastados.

Estabilidad ambiental

El cambio de masa de la soldadura en pasta fue evaluado por más de 24 horas a 20% RH y 55% RH. Los resultados de

cambio de masa se muestran a continuación (Tabla 3).

Tabla 3 – Mass Change with 24-Hour Storage Open to Air

Humedad

relativa

Soldadura en

pasta A

Soldadura en

pasta B

Nueva SP

20% Pérdida de 0.01% wt

Pérdida de 0.03% wt

Ganancia de 0.05% wt

55% Ganancia de 0.22% wt



Después de lacenarse a 20% RH las tres soldaduras en pasta mostraron un cambo de masa insignificante. Un cambio de masa

menor a 0.1% por peso, en un periodo mayor a 24 hrs indica una buena estabilidad ambiental. Después de almacenarse a 55%

RH las tres soldaduras en pasta ganaron una cantidad significativa de masa. La soldadura en pasta B ganó aproximadamente

el doble de masa de la soldadura en pasta A. Esto indica que la soldadura en pasta B es mucho más higroscópica (que absorbe

agua) que la soldadura en pasta A. la nueva soldadura en pasta mejoró tras el rendimiento de la soldaura en pasta B a 55%

RH.

Se midió la fuerza de adhesión de cada soldadura en pasta con el tiempo muentras se almacenaron con exposición al aire. Los

cupones de fuerza de adhesión se almacenaron a temperature ambiente y 55% RH en un periodo de tiempo de 72 hrs y la

fuerza de adhesión se midió después de cada 24 hrs (Figura 8).

Figura 8 – Cambio de fuerza de adhesión con un almacenamiento de 72hrs expuesto al aire

La soldadura en pasta A (azul) fue la más estable en esta prueba mostrando el menor cambio de fuerza de adhesión. La

soldadura en pasta B (roja) mostró una gran caída en la fuerza de adhesión después de 24 hrs y una caída más después de 48

hrs. La nueva soldadura en pasta (verde) mostró la mayor caída después de 24 hrs y prácticamente se quedó sin fuerza de

adhesión después de 48 hrs. La soldadura en pasta A mostró la mejor estabilidad ambiental en esta prueba.

Esta prueba de fuerza de adhesión se repitió en un periodo de tiempo de 8 hrs. Los cupones de la fuerza de adhesión se

imprimieron y se colocaron en una recámara a temperatura ambiente y 55% RH. Se midió la fuerza de adhesión cada 8 hrs y

la información se muestra a continuación (Figure 9).

Figura 9 – Cambio de fuerza de adhesión con un almacenamiento de 8 hrs y exposición al aire

En un periodo de tiempo de 8 hrs, las tres soldaduras en pasta (A, B, y la Nueva) mostraron una pequeña disminución en la

fuerza de adhesión. La nueva soldadura en pasta (verde) y la soldadura en pasta A (azul) dieron una caída menor en la fuerza

de adhesión que la soldadura en pasta B (rojo). La nueva soldadura en pasta muestra un mejor rendimiento que la soldadura

en pasta B en esta prueba.

La prueba de reactividad se realizó usando un método de mezcla de 6 horas. La soldadura en pasta A y la Nueva fueron

mezcladas de manera continua con exposición al aire por 6 horas. Fueron posicionadas en frascos sellados y almacenados

toda la noche a temperatura ambiente. Se midió la viscocidad y se comparó a la viscocidad inicial las cuales se muestran a

continuación (Tabla 4).

Tabla 4 – Viscocidad antes y después de la pruena de reactividad de 6 hrs de mezcla

Soldadura en

pasta

Viscocidad Inicial

(Viscocímetro de

producción

rotacional, Kcps)

Viscocidad Final

(Viscocímetro de

producción

rotacional, Kcps)

(%) de cambio

de

viscocidad

Soldadura en pasta A

630 680 Aumento de 7.9%

Nueva soldadura en pasta

760 690 Disminución de 9.2%

Un cambio en la viscocidad de más de 20% comúnmente indica que ocurrió algún tipo de reacción durante la prueba de

mezcla de 6 hrs. un aumento en la viscocidad indica que el flux de la soldadura en pasta reaccionó con el polvo de soldadura

y el aire creó oxidación por los productos de la soldadura en pasta. Los aumentos de viscocidad también pueden ser causados

por la evaporación de solventes de la soldadura en pasta resultando en un efecto de resequedad. Se espera una disminución de

la viscocidad debido a una disolución agresiva de la soldadura en pasta. Si se observa una disminución de la viscocidad

mayor al 20% esto indica algún tipo de inestabilidad en la soldadura en pasta o una posible absorción de humedad del aire

causó un efecto diluyente. La soldadura en pasta A y la nueva soldadura en pasta moestraron cambios de viscocidad menores

al 10% lo cual indica buena estabilidad.

Duración del stencil

Se probó la duración del stencil a través de una prueba de impresión de 8 hrs. se imprimió la soldadura en pasta usando un

stencil con un pitch de 0.4 mm y matrices BGA con un área ratio de 0.50. el stencil fue hecho de acero de grano fino cortado

a láser con un tamaño de grano de 8 µm a 9 µm. El grosor del stencil era de 127 µm (5 mil), el tamaño de aperturas era de

254 µm (10 mil) y la forma de las mismas era de cuadrados redondeados. Se midieron de manera inicial los volúmenes

impresos de soldadura en pasta y una vez más después de haber pasado 1, 2, 4, y 8 horas en la imrpesora. Se calcularon los

medios de eficiencia de transferencia y se muestran en la gráfica a continuación (Figura 9).

Figura 9 – Transfer Efficiency Changes over 8-Hours on the Printer

La soldadura en pasta A (azul) mantuvo eficiencias de transferencia bastante constantes durante el tiempo de 8 horas. La

soldadura en pasta B (rojo) no funcionó tan bien. Hubo una caída clara en la eficiencia de transferencia después de 4 y 8 hrs

en la impresora. La nueva soldadura en pasta (verde) mostró una eficiencia de transferencia bastante estable con el tiempo. La

nueva soldadura en pasta provee una duración de stencil y respuesta a la pausa similares a las de la soldadura en pasta A y

una mejora en la duración del stencil y la respuesta a la pausa sobre la soldadura en pasta B.

Características de impresión

Las características de impresión fueron probadas imprimendo las soldaduras en pasta a velocidads de impresión de 20, 50 y

100 mm/seg. Se imprimió la soldadura en pasta usando el mismo stencil de prueba y tamaño de aperturas descrito en la

sección Duración del Stencil. Se calculó el medio de eficiencia de transferencia para cada soldadrua en pasta a cada velocidad

de impresión (Tabla 5).

Tabla 5 – Eficiencia de transferencia a varias velocidades

Velocidad

de

impresión

(mm/seg)

Soldadura en

pasta A

(Medio ET

%)

Soldadura en

pasta B

(Medio ET

%)

Nueva SP

(Medio ET

%)

20 42% 44% 37%

50 45% 44% 37%

100 44% 39% 31%

La soldadura en pasta A mostró una eficiencia de transferencia consistente en este rango de velocidades de ipresión. La

soldadura en pasta B mostró una eficiencia de transferencia consistente a velocidades de impresión de 20 mm/seg y 50

mm/seg, pero hubo pérdida de eficiencia de transferencia a 100 mm/seg. Esta reducción en la eficiencia de transferencia es

bastante común cuando las soldaduras en pasta son impresas a altas velocidades. La nueva soldadura en pasta también dio

una eficiencia de transferencia consistente a velocidades de impresión de 20 mm/seg y 50 mm/seg pero hubo una ligera

pérdida de eficiencia de transferencia a una velocidad de 100 mm/seg.

Imágenes de los bricks de soldadura en pasta muestran algúnas diferencias en las características de impresión de estas

soldaduras en pasta (Figura 10). Estas imágenes fueron tomadas de impresiones que fueron realizadas con una velocidad de

50 mm/seg.

Figura 10 – Imágenes de los bricks de soldadura en pasta para las soldaduras en pasta B y la Nueva SP

(50 mm/seg)

La soldadura en pasta B tiende a mostrar niveles altos de los bricks con picos más altos que lo nueva soldadura en pasta. La

nueva soldadura en pasta tiende a crear bricks uniformes y redondeados lo cual es una cualidad deseada.

Humectación

Se probó la humedad para cada soldadura en pasta usando tablillas de prueba F2A recuebiertas con ENIG y OSP (Figura 2).

Se usó un perfil de reflujo linear estádar en esta prueba (Tabla 2). Los procentajes de humectación o dispersion para cada

soldadura en pasta en cada acabado superficial se muestran a continuación (Figura 11).

Figura 11 – Resultados de humectación / dispersión en acabados superficiales de ENIG y OSP

Las tres soldaduras en pasta se esparcen bastante bien en el acabado superficial ENIG (dorado) y dieron porcentajes de

humectación cercanos al 100%. Este es un resultado esperado ya que la mayoría de las pastas humectant la superficie ENIG

bastante bien. La superficie OSP (rojo oscuro) muestra mucha menos humectación en general. La soldadura en pasta A y la

nueva soldadura en pasta humectaron la superficie OSP de mejor manera que la soldadura en pasta B (Figura 12). Guene [7]

reportó resultados de humectación similares para los acabados superficiales ENIG y OSP.

Figura 12 – Humectación / dispersación en OSP

Formación de bolas de soladadura y graping

La formación de bolas de soldadura y graping fueron evaluadas para cada soldadura en pasta usando una tablilla de prueba de

reflujo F2A. se usó un perfil linear de reflujo estándar (Tabla 2) y los resultados se muestra a continuación (Tabla 6).

Tabla 6 – Resultados de la formación de pasta de soldadura y graping

Prueba Soldadura en

pasta A

Soldadura en

pasta B

Nueva SP Mejor resultado

posible Result / Meta

Graping (%) 42% 9% 17% 0%

Bolas de soldadura

(<10 bolas)

900% sobreimpresión



1250%

Bolas de soldadura (<5 bolas)


1100% sobreimpresión t


1250%

El graping se calcula contando el número de depósitos con graping y dividiendo por el posible total. Los procentajes bajos de

graping son deseables. La soldadura en pasta A generó un porcentaje bastante alto de graping. La soldadura en pasta B

mostró un

rendimiento mejor que la soldadura en pasta A. La nueva soldadura en pasta generó un porcentaje bajo de graping el cual fue

un rendimiento mejor que el de la soldaudra en pasta A.

La formación de bolas de soldadura se evalúa al inspeccionar las áreas con sobreimpresón de la tablilla de prueba de reflijo

F2A. Las puntuaciones más grandes de sobreimpresión son deseables en esta prueba. La soldadura en pasta B generó menos

bolas de soldadura que la pasta A. La nueva soldadura en pasta generó la menor formación de bolas de soldadura en general y

por lo tanto tuvo el mejor rendimiento.

Posibilidad de lavado

Después del reflujo, las tablillas de circuito impreso fueron lavadas usando agua caliente del grifo a baja presión y sin tallar.

Las imágenes del circuito impreso después del lavado muestran algunas diferencias en el rendimiento de la soldadura en

pasta (Figura 13).

Figura 13 – Residuos del flux en circuitos impresos después del lavado

En general, las tres soldaduras en pasta se limpiaron bastante bien y dejaron muy poco residuo después del lavado. La

soldadura en pasta B muestra un ligero residuo al rededor de los depósitos de soldadura, mientras la soldadrua en pasta A y la

nueva pasta muestran muy poco residuo.

Se capturó el agua con la cual se lavaron multiples tablillas de circuito impreso con cada soldadura en pasta. La apariencia

del agua muestra alguna indicación de la solubilidad y posibilidad de lavado del residuo de flux de cada soldadura en pasta

(Figura 14).

Figura 14 –Agua de lavado que contiene residuos de flux de las soldaduras en pasta

El residuo de flux de la soldadura en pasta A no es completamente soluble en agua lo cual es evidente por la turbiedad de la

solución del agua de lavado. Los residuos de flux de la soldadura en pasta B y la nueva pasta crean soluciones de agua

relativamente claras. Basado en la solubilidad de los residuos de flux en el agua, debería ser más fácil de lavar los residuos de

la soldadura en pasta B y la nueva pasta que los residuos de la pasta A.

Resultados del resumen

Todos los resultados probar las soldaduras en pasta A, B y la Nueva se resumen a continuación (Tabla 7). El rendimiento de

cada soldadura en pasta es comparado a las otras soldaduras en pasta usando un sistema de categorización (0, +, -). Una

categoría de (0) indica el rendimiento base o común de la soldadura en pasta. Una categoría de (+) indica un rendimiento

mejorado sobre la soldadura en pasta base. Una categoría de (-) indica un rendimiento reducido en comparación con la

soldadura en pasta base.

Tabla 7 – Resumen de los resultados de prueba para cada soldadura en pasta

Método de prueba / Propiedad Soldadura en pasta A

Soldadura en pasta B

Nueva soldadura en pasta

Estabilidad ambiental: humedad relativa baja 0 0 0

Estabilidad ambiental: huedad realitva alta + - 0

Cambio de fuerza de adhesión en 72 hrs + 0 -

Cambio de fuerza de adhesión en 8 hrs 0 - +

Prueba de reactividad: 6 hrs de mezcla 0 Sin determinar +

Duración del stencil: prueba de impresión 8 hrs + - 0

Impresión a alta velocidad: 20, 50, 100 mm/seg + - 0

Humectación en ENIG + + +

Humectación en OSP 0 - +

Bolas de soldadura - 0 +

Graping - + 0

Posibilidad de lavado: limpieza del circuito impreso 0 - 0

Posibilidad de lavado: solubilidad en agua - 0 0

Suma de las categorías (+ y -) 5 (+) 3 (-) 2 (+) 6 (-) 5 (+) 1 (-)

Categoría Neta 2 (+) 4 (-) 4 (+)

La nueva soldadura en pasta mejora sobre el rendimiento de los products existentes en estas categorías: estabilidad ambiental,

fuerza de adhesión, pruebas de reactividad, duración del stencil, impresión a alta velocidad, humectación, bolas de soldadura,

graping y posibilidad de lavado. Cuando la suma de las categorías se combina con las categorías (+) cancelando las

categorías (–), la categoría neta para cada soldadura en pasta muestra un rendimiento promedio (Tabla 6). El rendimiento

promedio para la nueva soldadura en pasta excede el de las pastas existentes A y B en esta bacteria de métodos de prueba.

CONCLUSIONES

El proceso de desarrollo creó una nueva soldadura en pasta lead-free soluble en agua de alto rendimiento que excede el

rendimiento en general de dos soldaduras en pasta que han sido usadas en el mercado por muchos años. Los métodos de

prueba usados para evaluar el rendimiento de la soldadura en pasta son rigurosos y evalúan características clave que son

deseables en las soldaduras en pasta. La nueva soldadura en pasta puede ser una “principiante” pero ha prometido convertirse

en la “ola del futuro”.

RECONOCIMIENTOS

El autor desea agradecer al equipo de R&D en la compañía por su apoyo y ayuda para correr pruebas y colectar información

para este documento.

REFERENCIAS

[1] T. Lentz, “Dispelling the Black Magic of Solder Paste”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2015.

[2] E. Guene, S. Teh, “Reliability Assessment of No-Clean and Water-Soluble Solder Pastes Part I”, Proceedings of IPC

Apex Expo, 2013.

[3] R. Lasky, D. Santos, A. Bhave, “Leaded and Lead-Free Solder Paste Evaluation Screening Procedure”, Proceedings of

SMTA International, 2003.

[4] J. Nguyen, D. Geiger, D. Shangguan, “Evaluation of Lead Free Solder Paste Materials for PCBA”, Proceedings of IPC

Apex Expo, 2011.

[5] Jabil designed circuit board pattern (F2A reflow test board).

[6] E. Guene, S. Teh, “Reliability Assessment of No-Clean and Water-Soluble Solder Pastes Part II”, Proceedings of IPC

Apex Expo, 2014.

[7] E. Guene, “Development and Characterization of Solder Pastes Based on Two Alternative Alloys: Bismuth-Tin-Silver

for Low Temperature and Tin-Antimony for High Temperature”, Proceedings of SMTA International, 2015.

SOLDADURA EN PASTA SOLUBLE EN AGUA ¿UNA PRINCIPIANTE O LA … · El ambiente afecta y cambia, con...

Documents

Transcript of SOLDADURA EN PASTA SOLUBLE EN AGUA ¿UNA PRINCIPIANTE O LA … · El ambiente afecta y cambia, con...