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Soldadura Hot Bar: Flex a PCBs Por: Mike Szuch y Chris Heesch

Introducción En comparación con un horno de refusión, la refusión por soldadura Hot bar tiene los beneficios añadidos de proporcionar una fuerza de sujeción mecánica de los cables a conexionar y una minimización del calor sobre la placa. La soldadura de refusión Hot bar es un proceso repetible y fiable, y para tener éxito, ciertos criterios en el diseño deben ser implementados desde el principio. Cuestiones tales como el Pitch, el volumen de soldadura, las cargas térmicas, el aislamiento, la protección contra contaminación, el material y grosor del pad, deben ser considerados todos ellos a la hora de realizar una unión entre circuitos flexibles y PCBs. Un sistema Hot bar consiste en cuatro partes esenciales: hot bar (barra caliente), fuente de alimentación, cabezal de refusión, y el jig (utillaje para posicionar y alinear los productos de la forma correcta). Es un proceso de refusión porque implica dos partes, de las cuales al menos una ha sido estañada previamente, y que se unen cuidadosamente, controlando los parámetros de temperatura y presión.

La Resistencia calorífica genera la energía necesaria cuando aplicando una corriente controlada precisa a través de un elemento calefactor (el Hot bar o un termodo), alcanzado la temperatura hasta un predeteminado nivel y manteniéndola durante un tiempo programado. La pesión sobre los cables es controlada y aplicada mediante el cabezal de refusión, transmitiendo directamente el calor a la unión.

El pre-estañado aplicado en una de las partes se funde (refusiona) y en aproximadametne 2 a 4 segundos, el calor termina en el hot bar y la soldadura empieza a enfriarse. La presión permanence en el hot bar de tal forma que los cables permanezcan en el lugar hasta asegurar que la soldadura está completamente re-solidificada. La superficie del hotbar es de material no humectante. Sin embargo, con el fin de mantener

Figura 1: Sistema Soldadura Hot Bar

Figura 2: Aplicación de fuerza desde la soldadura de refusión hasta que la soldadura está completamente resolidificada.

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un proceso continuo controlado, la interposición de una protección Kapton es altamente recomendable en el caso que el termodo está en contacto directo con la pasta de soldadura y el flux. La cinta Kapton previene de la contaminación del termodo y garantiza un proceso de calidad.

Proceso de soldadura de refusión Hot Bar Una vez son determinados los parámetros del sistema, el proceso básico para una soldadura hot bar es

realizado en cinco pasos: 1) Colocar el PCB en el jig y aplicar flux en la unión (puede ser realizada antes de colocar el PCB.2) Colocar el circuito flexible en el PCB.3) Mover el cabezal de soldadura hacia abajo para alinear el hot bar con los cables y chequear la co-planaridad.4) Presionar el botón start del cabezal calefactor para que baje. Cuando está abajo, automáticamente

empezará el proceso calefactor por el interruptor- sensor de disparo.5) Después de un periodo de tiempo programado, el calentamiento para y empieza el enfriamiento.6) El cabezal descenderá automáticamente cuando el (primer) enfriamiento se realiza.7) Una vez solidificada la soldadura, retirar las partes.

Ventajas del proceso:La soldadura de refusión por hot bar de circuitos flexibles tiene varias ventajas respecto a los procesos de refusión convencionales.

- Calentamiento localizado. Desde que el calor es transmitido por contacto directo, áreas sensibles o componentes que estén próximas a la zona de unión de soldadura no quedan afectadas. Esto hace el proceso adecuado tanto para el montaje como la reparación.

- Co-planaridad de los cables. Mediante la presión ejercida sobre el flex durante todo el proceso, la soldadura hot bar asegura que los cables estén en perfecto contacto y alineación con el pad correspondiente, eliminando así el riesgo de separación entre el estaño y el pad.

Figura 3: Mostrando alimentador Kapton opcional (manual o automático) para ayudar a proteger el hot bar de los residuos de la soldadura y el flux cuando tiene un contacto directo con las uniones soldadas.

Figura 4: Cinta Kapton interpuesta en el módulo

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Figura 5: El proceso asegura la co-planaridad de los cables vía la presión de la barra durante el proceso de refusión de soldadura y solidificación

- Flexibilidad. Los sistemas pueden normalmente ser reconfiguradas para acomodarse a distintas aplicaciones. Del mismo modo que las dimensiones del circuito flexible varían, también lo hace el tamaño del hot bar. Dichas variantes permanecen almacenadas y listas para un cambio rápido.

- Aprendizaje y mantenimiento. Un operario puede tener un dominio del proceso de hot bar en pocas horas, el único mantenimiento requerido es mantener el hot bar limpio. En varias ocasiones la máquina de hot bar sustituye operaciones de soldadura manual en el que la experiencia del ensamblador determina cuanta soldadura, calor, tiempo y presión deben aplicarse. Por el contrario, el proceso hot bar es totalmente controlable y repetible independientemente de la experiencia del operador.

- Rework/Reparación. Los beneficios del calor localizado significa que el sistema puede ser usado para el rework en placas que contienen componentes sensibles que no soportan las temperaturas de refusión. Circuitos flexibles estropeados pueden sacarse mediante un hot bar o un lápiz hot bar y montar los nuevos minimizando el riesgo de daños por calor en las zonas adyacentes.

Componentes del sistema básico

Hot Bar El componente principal en cualquier sistema hot bar es el propio hot bar. Los hot bars vienen en varias medidas y formas, pero dos configuraciones son básicas, cada uno de los cuales está diseñado y dimensionado para adaptarse a los requisitos de aplicación individuales.

Figura 6: Barra Plegable o hot bar 3D (termodo) Figura 7: Barra Rígida o hot bar 2D (termodo) con cable de retroalimentación termopar con o sin cable de retroalimentación termopar

Hot

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La barra plegable o 3D está hecha de una pieza sólida de metal y trabajada mediante una máquina de electroerosión por hilo, y montada en un bloque especialmente diseñado. Su forma plegada consigue que la corriente fluya de forma uniforme desde la parte frontal (-) a la posterior (+) a lo largo de la zona de contacto. Eléctricamente, uno de los finales de la barra tiene el mismo voltaje potencial que el otro, así no existe diferencia de potencial entre cables, eliminando la posibilidad de inducir un flujo de corriente entre os componentes. El diseño en pliegue permite al hot bar una estructura más rígida que la del tipo 2D, permitiendo este tipoa dar cabida a los circuitos flexibles de hasta 5.12” (130mm) de largo. El 3D con su diseño abierto tiene menos masa en la área calefactable y enfría más rápido que el termodo 2D. La refrigeración por aire es usada para acelerar el proceso de enfriamiento, obteniendo una mayor producción.La barra rígida o 2D está también realizada por una pieza sólida de metal y es trabajada también mediante una máquina de electroerosión por hilo. La máxima longitud es de aproximadamente 1.0” (25mm). Es el tipo de hot bar más económico y puede ser mecanizado con pequeñas muescas o ranuras para mantener los cables en el lugar mientras se produce la soldadura por refusión a un PCB o conector. En este tipo de hot bar el flujo de corriente izquierda a derecha (o derecha a izquierda) incrementa el potencial de voltaje a lo largo de la longitud del hot bar.Contectado de bloquesEl conectado de bloques s usado para montar el hot bar al cabezal de soldadura. Mediante el uso de un bloque de montaje co-planar se puede optimizar y cambiar de forma rápida el termodo sin más ajustes. El bloque permite la transferencia de corriente al termodo, que lo conduce a un rápido calentamiento y enfriamiento. Una tobera para el aire de refrigeración está integrada en el diseño y la sujeción asegura la posición repetible del termodo.Jig (Fixture) Para asegurar un alineamiento garantizado de las partes a ser soldadas, es altamente recomendable usar un soporte (ijg) específico para el producto. En este jig, las partes pueden ser posicionadas repetidamente con lo que reduce tiempo y esfuerzo en la alineación. Mantenimiento del Hot Bar

Un mantenimiento correcto del hot bar es crítico para la vida útil del mismo. El flux debe eliminarse periódicamente de la superficie, en caso de no hacerlo actuaría como aislante. Un disolvente con un bastoncillo de algodón o un pincel suave es recomendable para la limpieza, el tipo en función del flux, como son solubles al agua, RMA, etc. Si un limpiador abrasivo es indicado, debe realizarse con cuidado a lo largo de toda la longitud de la barra o su perfil de temperatura será desigual. Esto puede realizarse con papel de lija de 600 granos de arena en un bloque plano de acero inoxidable. Nunca mantenga el papel de lija con las manos ya que su aplicación provocaría una superficie desuniforme. Dado que es la resistencia del material de la barra que genera calor, si se quita, esto alterará su resistencia y sus perfiles de calentamiento. Es mucho mejor proteger el termodo con una cinta Kapton interpuesta. Esto mantiene el termodo limpio y no se requiere un mantenimiento adicional. También nos garantiza un mejor control del proceso.

Figura 8: Bloque de conexión

para soporte hot bar.

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Termopares y fuente de alimentación

Los termopares detectan la temperatura en el Hot Bar y trasmiten la información a la fuente de alimentación. Por tanto es importante vigilar el desgaste de los termopares a la hora de monotorizar. La mayoría de termopares son soldados directamente a la barra, lo cual proporciona una representación muy precisa de las temperaturas de la barra (Figuras 6 y 7). Si la soldadura se rompe, sin embargo, el controlador no podrá detectar la temperatura y el control del proceso se perderá. Los controladores diseñados correctamente tendrán incorporado un circuito termopar de detección de fallos para desactivar la salida en caso que exista rotura. En caso que la barra este en buen estado es factible volver a acoplar el termopar.Debe evitarse que exista estrés mecánico en la unión del termopar con la barra para evitar roturas en la conexión soldada.La fuente de alimentación controla los parámetros del proceso, tiempo y temperatura. Detecta en tiempo real la temperatura del hot bar vía el termopar y ajusta la salida proporcionalmente en función del programa establecido por el operario. La fuente de alimentación suministra una corriente controlada, la cual calienta la barra y proporciona una alta flexibilidad en la adaptación de la secuencia de la refusión de la soldadura. Sus circuitos lógicos y válvulas neumáticas de control de funciones como conducción, retención del cabezal de refusión abajo, retorno y enfriamiento del cabezal y de la unión soldada..

Figura 9 Perfil de Temperatura -Refusión Soldadura

Algunos parámetros típicos del controlador (Figura 9) incluyen: Sin uso – Mantiene una temperatura constante de la barra mientras está en reposo, minimizando el choque térmico en la barra cuando se calienta hasta temperatura de refusión.Precalentamiento – Para superar los problemas de disipación de calor con sustratos. El precalentamiento es utilizado para activar el flux, para minimizar el tiempo de refusión y calentamiento del termodo en una forma repetible y controlada.Rampa – Definida como tiempo y temperatura específica para soldadura líquida. El rango de ajuste típico de controlador de temperatura va de 250º a 450ºC, dependiendo del tipo de flex, del PCB y de del hot bar. El tiempo de refusión suele ser entre 1 y 6 segundos. Usando cinta Kapton interpuesta, precisará de unas temperaturas de ajuste más altas ya que es actúa como barrera térmica, pero que en algunos casos es necesario su uso.Enfriamiento - Su punto de ajuste determina el final del proceso. El cabezal de refusión mantiene la barra abajo a través del precalentamiento, la rampa y la refusión. No se liberará esta presión hasta que se alcance la temperatura de enfriamiento.

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Figura 10 Pantalla Gráfica de Potencia de Alimentación Hot bar . Esta unidad controla también el control de movimiento del cabezal de soldadura de refusión mientras se adapta a la zona de refusión. Se muestra como opción control de fuerza programable (línea roja).

Cabezal de refusión

El objetivo del cabezal de refusión es triple: Una sujeción mecánica y mantenimiento del hot bar en la orientación correcta; Proporcionar el movimiento en Z del hot bar a las partes; y aplicar una presión constante y repetible en el hot bar. La cantidad de calor transferida a los cables depende de una forma directamente proporcional a la presión aplicada. Debe ser suficiente de tal forma que cada cable del flex mantenga un contacto correcto mientras se mantiene sobre el pad de la PCB y que evite un daño en el circuito o placa. La planaridad de la barra calefactora es crítica. Si el hot bar es solamente en longitud 25mm (1.0”) o 100mm (4.0”), la existencia de un mecanismo pivotante para el ajuste del termodo asegurará la planaridad del hot bar al flex/sustrato. Algunos tipos tienen ajustes de co-planaridad en el montaje del hot bar y otros en todo el conjunto del cabezal de unión.Una función de enfriamiento de la unión soldada está disponible en algunos cabezales de refusión. El aire refrigerante es soplado directamente en el circuito flex (2D hot bar) o entre las paredes del hot bar (3D hot bar) al final de la refusión y para cuando la temperatura deseada se alcanza, disminuyendo los tiempos de enfriamiento y aumentando la productividad.

Figura 11 Cabezal de Soldadura

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Tipos de circuitos flexibles (Flex)

Flex con cables sueltos expuestos (Figura 11) – Es el diseño más simple de circuito flexible. Los cables están libres, sobresaliendo de entre las dos capas de poliamida. Cuando se encuentra con el hot bar de forma directa con los cables de cobre, el calor es transferido eficientemente. Normalmente, un pequeño exceso de volumen de soldadura es admitido ya que la soldadura puede realizarse a lo largo de los lados del cable. Este tipo de flex requiere el uso de Kapton interpuesto para proteger el proceso de soldadura.Flex de una cara – Aquí solamente la capa interior de poliamida es retirada, dejando los cables de cobre expuestos en la zona justa de contacto. Mientras el hot bar contacta la capa superior de poliamida transmite eficientemente el calor a través de él. Es importante que la capa no sea más de 0.002” de grosor para así la quemadura del aislante previa a la soldadura fluya a los cables. Es recomendable usar Kapton interpuesto en este tipo de flex.Flex con ventanas abiertas – Cuando existe un corte de las capas de poliamida superior e inferior. Los cables de cobre son expuestos desde encima así que el hot bar contacta directamente sobre ellos y proporciona una alta eficiencia de transferencia de calor. Precaución: el hot bar debe ajustar totalmente dentro la ventana, si no el aislante impedirá que entre en contacto completamente con los cables. Este tipo de flex requiere el uso del Kapton interpuesto para proteger el proceso de soldadura.

Contactos cable a cablePara unos mejores resultados con el hot bar, es importante que el circuito flexible este diseñado adecuadamente a los pads a unir. Los pads del PCB generalmente deberían ser un poco más anchos que los cables del flex, un “desajuste” que proporciona dos beneficios inmediatos: un espacio automático para un lateral para absorber una pequeña cantidad de exceso de soldadura sin riesgo de puentes o cortocircuitos (a veces causados por los cables de un mismo ancho), y que estos pequeños errores de ajuste pueden ser compensados automáticamente sin una pérdida de espacio neto. Por el contrario, cuando el ancho de cable del flex es igual al ancho de pad, pequeños desajustes de alineado de los cables reducen efectivamente el espacio neto, lo que conlleva un incremento de la posibilidad de puentes (Figura 13). Lo más preciso, consiste en la forma más fácil de alinear los productos usando agujeros de referencia, facilitando el posicionamiento de las partes sobre los pins en la plantilla del producto (jig).

Figura 13 Tamaño de Pad igual (a) no permite errores de alineación sin pérdida de espacio, provocando posibles puentes en la soldadura si es excesiva. Espacio menor de Pad (b) acepta errores de alineación sin una pérdida neta de espacio.

Figura 12 Los tipos de circuito flexible incluyen cables expuestos o sueltos, cables en una cara o cables a través de una ventana. Para una sola cara el calor debe transferirse a través del aislante es por ello importante que el grosor no exceda 0.002”.

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Consideraciones de proceso

Flux El flux es siempre recomendado para eliminar las barreras óxidas que reducen la transferencia térmica. El flux puede ser aplicado manualmente o automáticamente. EstañadoEl estañado debe ser pre-aplicado en las partes a unir. Es aconsejable que ambas partes estén pre-estañadas, si existe suficiente estañado en los pads del PCB, dorado, o incluso estañado, los cables del flex trabajaran bastante bien. El volumen de estañado depende del acabado del cable y del tipo de circuito flexible. Generalmente, cuanto más fino es el acabado, menor estañado es necesario. Con flex de ventanas a un lado, cualquier exceso de estañado es atrapado entre la placa y el aislante del flex. Aquí, el volumen de estañado debe ser muy pequeño y controlado estrechamente. Con los flex de tipo ventana abierta y cables sueltos, el volumen es crítico. Si se diseña adecuadamente, el exceso de estañado se absorberá entorno a los lados y en la parte superior de los cables.Utillajes En referencia a los utillajes de la soldadura por hot bar, un soporte adecuado es crítico. El utillaje debe soportar la presión del hot bar sin flexionar; cualquier hundimiento en la placa evitará un contacto igual de uniforme en la transferencia de calor de cada cable. La evidencia de este problema se suele encontrar alrededor del centro de la sección de los cables. El utillaje no debería ser conductivo térmico, en tal caso se pierde mucho calor fuera de la unión a soldar. Un material no metálico que soporte las temperaturas de refusión sería lo recomendado, sin embargo, puede ser que no dure mucho en producciones de alto volumen. Si se usa utillaje metálico, deberá ser precalentado para así minimizar las perdidas termales del hot bar. Inspección Visual Debería existir una impresión obvia hecha por el hot bar en la superficie de cada uno de los cables del flex. En flex de una cara, la impresión no debería mostrar evidencia de quemado. (algo de flux quemado puede ser visible, pero puede ser eliminado mediante limpieza). Con flex de cables sueltos y de ventanas abiertas, el área de impresión estará en el propio cable de cobre. La superficie granulada y las juntas no serán tan brillantes como en los hornos de refusión. A través de la impresión es un buen indicador de tan buen contacto ha existido entre el hot bar y cada cable (Figura 14). Con todo tipo de flex, no debería haber quemadura de la poliamida o del material del PCB. (Nota: Con ventanas a un solo lado, algo de oscuridad encima de la capa superior del aislante es normal.) No debería existir ninguna separación o delaminación de las placas de epoxy y flex, y los conductores de los PCB no deben estar estirados o rayados.

Figura 15 La impresión dejada por el hot bar sobre los cables es un buen indicador de la formación de una buena unión.

Figure 14 Módulo de Dispensación Automática de Flux

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ConclusiónLa soldadura por hot bar es un método fiable y probado de unir circuitos flexibles a PBCs. Las ventajas son diversas, incluida la soldadura localizada segura y que asegura un a co-planaridad del cable. Es de bajo coste, fácil de usar, fiable y de tecnología adaptable que no será rápidamente obsoleta por nuevas tendencias de montaje. Como cada xez más circuitos flexibles son usados en los ensamblajes, la demanda de varias tecnologías de interconexión de circuitos flexibles continua al alza. Como esta demanda incrementa, los beneficios de la soldadura hot bar se llevará a cabo al igual que la necesidad de un equipo hot bar.

Figura 16 Comparación de Circuito Flexible

Otros tipos de soldadura hotbar son laminados ACF (anisotropic conductive film), unión de sellado térmico y uniones térmicas. Todas ellas usando el mismo sistema hotbar como soldadura de refusión. Solamente el hot bar, y a veces el cabezal de unión (en inglés bonding head, debido a las altas fuerzas de unión) son cambiadas con un nuevo perfil de unión o medio.