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¿Qué ofrece la soldadura con perfiles de vacío? – Parte 3

Después de haber descrito en la primera y la segunda parte la influencia de las variaciones de la apertura y del vacío en el número y contenido de huecos en componentes BTC (Bottom Terminated Components), en la tercera parte se muestra otra ventaja del uso selectivo del vacío. En este caso, a través de la distribución homogénea del vapor en vacío, se pudo mejorar significativamente el proceso de soldadura tridimensional de un componente MID (Molded Interconnect Devices/dispositivos de interconexión moldeados por inyección).

Uso de la tecnología MID

La tecnología MID se utiliza especialmente cuando se requiere una miniaturización clara, una libertad geométrica del diseño y una reducción del número de componentes de una unidad. Para ello, durante la concepción y el desarrollo se combinan diferentes propiedades eléctricas y mecánicas de distintos componentes en un único componente MID. Así, en el marco del proyecto conjunto IEKU (n.º: V3EAAS010) del Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán, se ha desarrollado un sistema de sensores de presión inteligente y autosuficiente energéticamente con una carcasa en tecnología MID. En la figura 1 (izquierda) se muestran los pasos individuales de la tecnología LPKF-LDS® en la fabricación de soportes de interconexión. A través de la carcasa MID, el sensor pudo desarrollarse de manera muy compacta y con un número reducido de componentes.

Figura 1: Carcasa fabricada con tecnología LPKF-LDS® (izquierda)y niveles de montaje distribuidos en altura de un sensor de presión energéticamente autosuficiente (derecha). Fuente: Proyecto conjunto IEKU del Ministerio Federal de Educación e Investigación (V3EAAS010).

Figura 1: Carcasa fabricada con tecnología LPKF-LDS® (izquierda)y niveles de montaje distribuidos en altura de un sensor de presión energéticamente autosuficiente (derecha). Fuente: Proyecto conjunto IEKU del Ministerio Federal de Educación e Investigación (V3EAAS010).

Carcasa MID 3D

El diseño tridimensional de la carcasa hace que los puntos de contacto entre el soporte de interconexión y las placas estén distribuidos a lo largo de la altura (figura 1 derecha). Tal y como se muestra en la figura 2, la carcasa fue soldada en la peor posición para la soldadura por fase vapor, es decir, como un cuenco. Con equipos convencionales, esa orientación del componente lleva a un desplazamiento demasiado elevado del medio en fase de vapor. Por lo tanto, se produce un calentamiento a diferentes velocidades de los puntos de soldadura, una pérdida de material del equipo y un efecto negativo sobre el perfil de soldadura. Para estudiar este efecto, en primer lugar se llevó a cabo una prueba de soldadura en la fase de vapor con un perfil de temperatura sin plomo.

Prueba de soldadura en fase de vapor sin pre-vacío

Para ello, tal y como se muestra en la figura 2 (izquierda), se aplicaron termoelementos en distintos niveles de montaje internos, así como sobre el borde superior e inferior de la carcasa. En primer lugar, se incorporaron los perfiles de temperatura en el componente inyectando el Galden a temperatura ambiente y con el subsiguiente vacío principal. Tal y como se muestra en la figura 2 (derecha), los resultados de medición muestran diferencias claras entre las velocidades de calentamiento. Las fuertes diferencias en la evolución de la temperatura en el componente pueden atribuirse a dos causas: por un lado, la capa de vapor que aumenta desde abajo hacia arriba durante la soldadura por fase vapor genera un retardo en la entrada de calor a lo largo de la altura de la carcasa. Por otro lado, el aire de la zona inferior no puede eliminarse por completo. Estos dos efectos influyen en el desarrollo temporal del gradiente de temperaturas y, de este modo, afectan también al proceso de calentamiento del componente.

Figura 2: Posición de los termoelementos y orientación de la carcasa MID (izquierda) y perfil de temperatura medido (derecha) durante el proceso de soldadura por fase vapor con vacío principal.

Figura 2: Posición de los termoelementos y orientación de la carcasa MID (izquierda) y perfil de temperatura medido (derecha) durante el proceso de soldadura por fase vapor con vacío principal.

Prueba de soldadura en fase de vapor con pre-vacío

En el siguiente paso del estudio se repitió la prueba con la misma orientación del componente y la misma posición del sensor con la aplicación del pre-vacío. Justo al comenzar el proceso de soldadura, se generó un pre-vacío de 100 mbar y se inyectó el Galden. Los resultados de medición que se presentan en la figura 3 muestran una evolución de la temperatura mucho más uniforme para la soldadura por fase vapor en diferentes posiciones del componente, lo que permite una transición suave sobre el punto liquidus a diferentes alturas de montaje.

Distribución del vapor Galden en la cámara de procesamiento

Con la aplicación del vacío, durante el precalentamiento y el proceso de soldadura, en lugar de un frente de vapor que aumenta desde abajo hacia arriba se forma una distribución homogénea del vapor Galden en la cámara de procesamiento. De este modo se evita el inconveniente del gradiente de temperaturas presente en equipos de fase de vapor (cuanto más cerca de la fuente de calor, más rápido se calienta) y equipos de convección (cuanto más cerca de la fuente de calor, más rápido y más se calienta) convencionales. Esto se debe a la ausencia de grandes masas de aire a extraer y a la rápida propagación de las moléculas de gas en espacios en reposo. Estos efectos tienen un efecto positivo sobre el perfilado del proceso de soldadura y, por lo tanto, sobre la calidad del punto de soldadura.

Figura 3: Perfil de temperatura medido en distintas posiciones del componente durante el proceso de soldadura por fase vapor con pre-vacío y vacío principal.

Figura 3: Perfil de temperatura medido en distintas posiciones del componente durante el proceso de soldadura por fase vapor con pre-vacío y vacío principal.

Resumen

A través de la aplicación de la soldadura por fase vapor en combinación con vacío, además de la reducción del porcentaje de huecos también se subsanan las desviaciones de los perfiles de temperatura relacionadas con la geometría. Tal y como muestra el ejemplo de las mediciones del perfil de temperaturas en una carcasa MID, a través del pre-vacío pudo alcanzarse un acercamiento claro de los gradientes de calentamiento en todos los puntos de medición, manteniendo la pequeña variación de temperatura típica de la soldadura por fase vapor en picos de temperatura. Además, la aplicación del pre-vacío puede utilizarse para un calentamiento rápido y homogéneo de componentes con grandes masas térmicas. En resumen, puede concluirse que el vacío en la soldadura por fase vapor ofrece un parámetro de influencia adicional y muy flexible para la evaluación de un perfil de soldadura óptimo y, además, evita una desviación del Galden en componentes con geometría en forma de cuenco.

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