Introducción a la Tecnología de Montaje Superficial La tecnología de montaje superficial superficial (SMT, Surface Mount Technology) Technology) se comenzó a desarrollar a finales de la década del 60, mayormente por IBM, que fue aplicada en la computadora de la unidad de instrumentación que guiaba a los cohetes Saturn IV y Saturn V (Saturn Launch Vehicle Digital Computer).
Paso prácticamente una década hasta que a principios de los años 80 se vio su primera aparición comercial, tendiendo a reemplazar a los componentes convencionales, THT (Through Hole Technology), mediante el uso de componentes de montaje superficial (SMD, Surface Mount
Devices). Al principio se pensó solo para procesos de montaje automatizados, pero pronto su aceptación fue tal que hasta los hobistas adoptaron esta tecnología de montaje.
Ventajas del SMT
El tamaño del PCB basado en componentes SMD se reduce importantemente, un aspecto que se deberá tener en cuenta en estos días que metales como el cobre tienen un costo elevado.
Uso de ambos lados del PCB para montar componentes, de esta manera el área utilizada puede reducirse hasta en un 50% respecto de THT
Armado simplificado, ya que no existe la necesidad de cortar los terminales sobrantes
Armado automatizado simplificado, tanto la ubicación de estos componentes como su soldado necesitan de máquinas más simples que los componentes tradicionales
Su pequeño tamaño permite aumentar la densidad de los componentes en las placas permitiendo reducir de manera importante el tamaño de los equipos armados con estos componentes.
Alta resistencia a las vibraciones y golpes.
Bajo costo de transporte y poco espacio para almacenarlos.
No se necesitan realizar pads metalizados para facilitar su soldado, y al no usar huecos estos se ven reducidos solo a algunos tipos de conectores.
Pads más pequeños
Para grandes niveles de producción los c ostos de fabricación se reducen fuertemente.
Limitaciones del SMT
Cuando se usan integrados cuyos pasos son muy pequeños, 0,05’’ o menos, pasar pistas
entre los pines resulta imposible
El diseño del PCB suele ser más complejo
La alta integración suele traer problemas térmicos, ya que la potencia disipada se transfiere directamente al cobre del PCB y las zonas de alta temperatura influyen sobre los componentes que la rodean.
Falta de una normalización general de los componentes SMD
Debido a su pequeño tamaño, algunos componentes no pueden ser etiquetados de una manera clara, algunos ni si quiera tienen una descripción, lo que complica su identificación.
La reparación es más compleja que con los componentes tradicionales.
Debido a la disposición de sus terminales, cuando los hay, se hace imposible usarlos en protoboards sin recurrir a algún método que adapte las distancias y le brinde mayor rigidez para manipularlo.
Encapsulados Resistencias y Capacitores Resistencias Las resistencias se construyen sobre un compuesto de vidrio y de un cerámico conductivo llamado CERMET. Estas resistencias pueden soldarse tanto usando un soldado de aire caliente y pasta soldante o por los métodos convencionales, co nvencionales, soldador de contacto y estaño. La descripción del encapsulado SMD de las resistencias y capacitores suele venir en cuatro dígitos, algunos con cinco. Los dígitos representan distancias en centésimos de pulgadas, así un componentes 0805 nos indica que tiene 0,08’’ de largo por 0,05’’ de ancho Desig. Inch
Desig. Metric
Meas. Inch
Meas. Metric
Power Rating [W]
01005 0201 0402 0603 0805 1206 1210 1806 1812 2010 2512
0402 0603 1005 1608 2012 3216 3225 4526 4332 5025 6332
0,016x0,008 0,024x0,012 0,04x0,02 0,063x0,031 0,08x0,05 0,126x0,063 0,126x0,2 0,177x0,063 018x0,12 0,2x0,1 0,25x0,12
0,4x0,2 0,6x0,3 1x0,5 1,6x0,8 2x1,25 3,2x1,6 3,2x2,5 4,5x1,6 4,5x3,2 5x2,5 6,35x3
1/32 1/20 1/16 1/16 1/10 1/4 1/2 1/2 1/2 1* 1*
Las resistencias también vienen en encapsulados MELF, MINI MELF y MICRO MELF. Los valores suelen venir escritos sobre el c uerpo del componente. Las resistencias puentes o jumpers de 0Ohm vienen impresas con 000 De 1 a 9.1Ohm viene en en la forma XRX (Ej, 6.8Ohms 6.8Ohms es 6R8) De 10 a 91Ohms XXR (Ej 47Ohms 4 7R)
de 100 Ohms a 10MOhms se usa un código de 3 cifras para tolerancias de 2% y 5% y de 4 cifras para las de 1% 3
Por ejemplo una resistencia de 68KOkms sería 6 8 3 (68*10 ) En el caso de una resistencia de 1% de 909Ohms 909R En el caso de los encapsulados MELF se usa el código de colores convencional. Aunque no es regla general, como en la foto anterior vemos una resistencia marcada con 220, que equivale a 22 Ohms.
Capacitores En el caso de los capacitores cerámicos multicapa, viene desde 0.47pF hasta 1uF. Los capacitores no tienen marca alguna que identifique su valor, ni dígitos, ni código de color. Esto no representa problema alguno para la industria, ya que los capacitores vienen en reels que se cargan en las máquinas que posicionan los componentes en el PCB. Sin embargo para el técnico si lo es ya que maneja volúmenes más pequeños, en principio se debe tratar de no mezclarlos, no sacarlos de su empaque hasta su uso e identificar con algún tipo de fibra el empaque con los dispositivos con su valor. En cuanto a los encapsulados comparten casi todas las medidas con las resistencias.
Capacitores de Tantalio Los capacitores de tantalio SMD se consiguen en varios formatos, en algunos casos no traen impreso ninguna información respecto de su valor. La polaridad se encuentra señalizada con una raya blanca o una M blanca para el positivo. El encapsulado depende de la capacidad y de la tensión que soporte.
Los encapsulados estándares son:
3.2 x 1.8mm
3.5 x 2.8mm
6.0 x 3.2mm
7.3 x 4.3mm
Su valor puede estar codificado con dígitos de manera similar a las resistencias y la unidad base en pF. También se usa una codificación alfanumérica
CAPACITANCE CODE CAPACITANCE 1 (pF) CODE A MULTIPLICATOR 10 5 CODE 5 NOMINAL VOLTAGE CODE VOLT 4 6.3 CODE G J
1.5
2.2
3.3
4.7
6.8
E 106 6
J
N
S
W
16 C
20 D
25 E
35 V
10 A
Diodos Los diodos se encuentran en encapsulados SOD (Small Outline Diode). Este tipo de encapsulado es común tanto para los diodos rectificadores como para los diodos leds.
Entre estos se pueden encontrar: Encapsulado SOD-523 SOD-323 SOD-123
Largo [mm] 1,25 1,7 3,68
Ancho [mm] 0,85 1,25 1,17
Alto [mm] 0,65 0,95 1,6
Diodos Led Actualmente se encuentra una gran variedad de diodos leds en montaje superficial, los encapsulados con diversos y es mejor referirse al dibujo mecánico que el fabricante incluye en la hoja de datos. Hasta los leds de alta luminiscencia luminiscencia se encuentran en SMD, y esto ha permitido que su uso se expanda de tal manera que ya hay firma que ofrecen lámparas basadas en diodos y hasta tubos, inclusive hoy se pueden ver autos cuyas ópticas están basadas en diodos leds.
Transistores En el caso de los transistores, si bien los encapsulados son similares a los SOD, estos cambian de nombre a SOT (Small Outline Transistor) . Los más comunes suelen suelen ser SOT-23, SOT-223, SOT-223, SOT-323, pero además de estos también Motorola desarrolló su propio encapsulado destinado a los transistores de potencia. Estos encapsulados son los DPAK (Discrete Packaging). Suelen tener 3 o 5 pines, y existen 3 versiones, DPAK (TO-252), D2PAK (TO-263) y D3PAK (TO-268).
Transistor con encapsulado SOT223(izq) y SOT23(dha)
Transistor de potencia SMD con encapsulado DPAK
Integrados PLCC Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC), también llamado Quad-Flat-J-Leg Chipcarrier (QFJ), los pines se
encuentran espaciados 0,05´´, de menor tamaño que los LCC (similares a los DIP), pueden ir montados tanto superficialmente sobre el pcb como en zócalo
BGA Ball Grid Array. Este encapsulado desciende del PGA, que consta de una grilla de pines dispuesto
sobre una cara del encapsulado, cubriéndolo total o parcialmente. En el BGA los pines se reemplazan por bolitas de material soldante (aleación estaño/plata). La tensión superficial al derretirse el estaño ubica al integrado en la posición correcta de soldado y lo mantiene mientras la soldadura se enfría, el proceso de soldado requiere de un precalentado, una rampa de temperatura hasta que las bolitas de estaño se funden sobre los pads el componente y del PCB y al finalizar una rampa de enfriado.
Integrado con encapsulado BGA(izq.), conel estaño listo para soldar. Imagen de rayos-X de un integrado con encapsulado BGA ya soldado (dha). De este encapsulado existen distintas variantes como FBGA (Fine ball grid array) o el LGA (Land grid array) usado, entre otros, por los procesadores Pentium en en su encapsulado LGA775
QFP (Quad Flat Package) Este encapsulado de montaje superficial posee pines en sus cuatro caras laterales. Existe versiones que van desde los 32 pines pines hasta los 200 y con pasos desde 0,4 a 1mm. Japón usa este este encapsulado en sus dispositivos de consumo desde los años 70
TQPF (Thin Quad Flat Package) Derivado del QFP pero con un cuerpo más delgado (menor a 1mm) y una longitud estandarizada de sus terminales (2mm). Los encapsulados van desde 32 a 176 pines, el cuerpo desde 5x5mm hasta 20x20 y el paso de los pines se encuentran en 0,4mm, 0,5mm, 0,65mm 0 ,8mm y 1mm.
SOIC (Small Outline Integrated Circuit) Este tipo de encapsulado ocupa del 30% al 50% de área y 70% de espesor que su equivalente DIP. Por lo general se designa como SOIC o SO (SOIC-14 ó SO-14) Existe una variante con la denominación SOJ, dónde los pines se encuentran doblados hacia dentro del encapsulado en forma de J, pudiendo montarse en zócalos. También se encuentran variantes variantes como el TSOP (Thin Small Outline Outline Package) cuyos pasos son menores a 0,5mm.
Integrado encapsulado SOIC20(izq.). Integrado con encapsulado SOJ, una variante del SOIC con los pines en J (doblados hacia adentro) (dha)
Otros componentes Pero los componentes SMD se han expandido mucho más, de hecho se encuentran en mercado cristales y resonadores en SMD, conectores, potenciómetros, pulsadores, bobinas, chokes, etc. Estos componentes no poseen encapsulados estandarizados, así que será necesario obtener sus dimensiones de las hojas de datos para crear el componente a la hora de realizar el PCB, y en el caso de que no haya hoja de datos se tendrá que recurrir al calibre o al tornillo micrómetro.
Pero no hay duda de que la integración es cada día mayor y la reducción de tamaño, peso y costo son factores importantísimos a la hor a de diseñar un producto competitivo. Además algunos fabricantes, por las mismas razones, comienzan a discontinuar las versiones Through Hole de algunos dispositivos y los nuevos dispositivos dan a la luz solo con la tecnología SMT.
Soldadura de Componentes de Montaje Superficial Componentes Necesarios Las herramientas necesarias para llevar a cabo el procedimiento de soldado de componentes de montaje superficial no difieren en mucho de las que se usan para los componentes convencionales.
Flux, ya sea dispensado en gel, en un marcador con flux o en una jeringa. El propósito del flux es reducir el óxido en la superficie a soldar, reducir la tensión superficial de la soldadura fundida, prevenir prevenir la reoxidación durante el proceso de soldado y ayudar ayudar a transferir el calor calor a la superficie superficie a soldar. Existen varios tipos de Flux: o
Tipo R, o flux de resina, es una mezcla de alcohol isopropílico y resina (savia que despiden algunas coníferas). Este tipo de flux al quemarse deja impurezas en el PCB que deben ser removidas. A veces cuando se quema impide realizar una buena soldadura, en esos casos es conveniente lavar y aplicar flux nuevo.
o
RMA , (Resina Media Activada), es como el flux de resina, solo que se le agregan algunos haluros activadores, estos permiten mejorar el proceso de soldado, y los residuos que deja si bien no son dañinos, es conveniente limpiarlos.
o
RA (Resina Activada), este tipo de flux tiene mayor contenido de haluros y si bien mejor el proceso de soldado al quemarse deja más residuos que el RMA
o
No Clean, este tipo de flux no requiere de limpieza, lo que reduce el costo de producción de los equipos electrónicos ya que elimina una etapa en el proceso. Los flux basados en resinas tiene un contenido de sólidos cerca del 30%, en cambio los No Clean rondan entre el 2% y 5%. Este tipo de flux no deja residuos corrosivos, los residuos que deja no atraen el polvillo, permite que las puntas de prueba hagan contacto con los pads y lo más importante que provee un excelente capacidad de soldado.
Estaño con núcleo de resina, se aconseja 0,025’’ de diámetro. Se puede usar con una
relación Sn/Pb 60/40, se pude conseguir de mejor calidad calidad en Sn/Pb 63/37. Esta última de o
todas la aleaciones es la que posee el punto más bajo de fusión (183 C), y se puede decir que prácticamente es un punto de fusión y no un rango de temperaturas. 1
2
En julio de 2006, WEEE & RoHS , prohibieron la adición de plomo en los equipos electrónicos de consumo, muchas naciones adoptaron esta normativa con más o menos variantes. Para reemplazar al plomo se usan aleaciones con cobre, plata, bismuto, indio, zinc, antimonio y trazas de otros metales. Por nombrar algunas variantes, Japón mayormente usa una aleación SnAg 3.0Cu0.5 (Estaño o
con 3% de Plata y 0,5% de Cobre). Esta aleación tiene un punto de fusión de 217 C a o
220 C. Esta aleación se puede encontrar en los comercios de electrónica. o
Hay otras variantes como SnBi57Ag1, patentada por Motorola, se funde entre 137 C y 139oC o SnIn8Ag3,5Bi0,5, aleación patentada por Matsushita/Panasonic, se funde entre los o
o
197 C y 208 C
Soldador con punta fina y limpia. Si se utiliza una aleación de estaño/plomo se puede contar con cualquier soldador, pero si se usa una aleación Pb-Free es conveniente contar con una unidad con temperatura controlada.
1 2
WEEE European Union Waste Electrical and Electronic Equipment Directive RoHS Restriction of Hazardous Substances Directive
Cinta desoldante fina (0,075’’), es principalmente útil en los procesos de reparación
(reworking).
Alcohol isopropílico y un trapito de algodón.
Bruselas de distintos tipos, por lo menos un par de ellas
El proceso de soldadura de estos componentes no es complejo, pero requiere de una buena visión, es bueno contar con una lupa con luz para ayudarnos a ubicar estos pequeños componentes y no forzar nuestra visión que puede desembarcar en cansancio visual. Además requerirá de buen pulso para manejar el soldador, así que es importante contar con cierta comodidad a la hora de soldar. Uno de los puntos más importantes a tener en cuenta c uenta antes de intentar soldar cualquiera de estos dispositivos es que la punta del soldador sea fina y esté bien limpia, ya que si esta es grande o se encuentra cubierta por óxido realizar una buena unión será prácticamente imposible.
Para facilitar el trabajo es conveniente fijar el PCB a algún tipo de madera para que no se desplace cuando estemos trabajando, así el único m ovimiento presente será del dispositivo que queremos soldar y que nos permita elegir el ángulo de trabajo.
Capacitor .1uF encapsulado 0805
PADS Se comienza limpiando el PCB con un trapo de algodón con alcohol isopropílico, luego pasamos flux sobre los pads. Luego aplicamos una pequeña cantidad de estaño en uno de los pads, esto nos va a servir para sujetar el capacitor al PCB y para ubicarlo correctamente.
En esta imagen se puede ver el capacitor soldado por uno de sus lados y ubicado en los pads, ahora lo soldamos al otro pad y repasamos repasamos la soldadura del primer pad.
Aquí se puede ver la soldadura finalizada, también es notable la diferencia de la soldadura realizada por la doble ola respecto de la que se logra con el soldador de contacto. De manera similar podemos soldar casi cualquier componente SMD, primero sujetando uno de sus pines o lados para facilitar la ubicación del dispositivo en el PCB, luego realizar la soldadura pin por pin, sin olvidar repasar el primer pin soldado.
Si bien esta es una técnica accesible y barata cuando los pasos entre los pines de los integrados se hacen más pequeños la dificultad para lograr una soldadura limpia y exitosa se incrementa, dando lugar a otros métodos que implican mayores costos.
Videos Técnica punto por punto Ppp000.avi En este video se realiza el soldado de una resistencia con encapsulado 1206. Muestra como lograr uniones que cumplan con el estándar de calidad IPC . Para esto usa un hilo de estaño de 0,015’’ con núcleo de flux tipo no-clean y flux no-clean administrado en jeringa y una punta plana (c hisel), que cubre entre el 50% al 75% del ancho del pad. Primero se debe limpiar el PCB con alcohol isopropílico para eliminar cualquier tipo de contaminantes. Antes de comenzar tendremos que asegurarnos de que la temperatura del soldador es la correcta, dependiendo del tipo de estaño que estemos usando, para alcanzar el punto de fusión del material soldante. Es c onveniente que los pads se encuentren previamente estañados, para reducir el tiempo de calor al componente. Se ubica el componente sobre los pads y se le aplica una gota de flux (en este caso usa no-clean), luego sujetando el componente se asegura una de las caras con un punto de soldadura (sin usar estaño adicional, solo el que está en el pad). Una vez hecho esto, sobre el otro pad se coloca el hilo de estaño cubriendo solo el 75% del pad y se suelda, se vuelve a aplicar flux, ya que con el calor el flux anterior se ha evaporado y se procede de la misma manera con el terminal que se fijó en primera instancia. Para terminar es conveniente limpiar la placa con alcohol isopropílico y proceder a la inspección de la soldadura.
Ppp001.avi Este video es similar al anterior. Aquí se suelda un integrado con encapsulado SOIC-20 Primero aplica flux, esta vez suministrado a través de un marcador y no de una jeringa. Luego se procede a posicionar el integrado, una vez logrado esto se lo presiona ligeramente contra el PCB para evitar que se corra y con la punta del soldador y el estaño del pad y de la punta se fijan los extremos. Ahora procedemos a soldar pin por pin, colocando el hilo de estaño perpendicular al pin a soldar y apenas acercándolo lo suficiente como para que entregue el estaño necesario para realizar la soldadura. Para esta técnica también es conveniente conveniente usar una punta plana. plana.
Ppp002.avi Este es el último video de soldadura punto por punto, aquí se suelda un integrado QFP de 100 pines. Como es de esperar el procedimiento es más complejo que en los casos anteriores y para esto es necesario seleccionar bien las puntas del soldador, ya que el paso entre pines es muy pequeño y existen altas probabilidades de que se produzcan puentes. En lo posible hay que tratar
de que esto no ocurra, ya que por cada puente que se deba solucionar estaremos prolongando el periodo de alta temperatura que el integrado deberá soportar, arriesgándonos a que se destruya. En el video propone usar una punta cónica (0.2mm), propone 2 modelos, una derecha y otra curva. La ventaja de la punta curva es que permite tener mayor visibilidad sobre el pin que nos encontramos soldando, sobre todo si se trabaja con lupa o cámara. Primero limpia bien la placa para eliminar cualquier tipo de contaminantes, luego ubica el componente sobre el PCB, asegurando que los pines estén bien alineados. Una vez hecho esto se aplica flux en las esquinas y se sujeta el integrado al PCB para evitar cor rimientos para proceder a fijar algunos pines al PCB, usando el estaño de los pads. Ahora se vuelve a aplicar flux, pero esta vez a todo el integrado y se procede como anteriormente a soldar pin por pin. Para finalizar se limpia con alcohol isopropílico para inspeccionar la calidad de las soldaduras.
