Introducción a la Tecnología de Montaje Superficial La tecnología de montaje superficial (SMT, Surface Mount 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 costos 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, 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 0402 0,016x0,008 0,4x0,2 1/32

0201 0603 0,024x0,012 0,6x0,3 1/20

0402 1005 0,04x0,02 1x0,5 1/16

0603 1608 0,063x0,031 1,6x0,8 1/16

0805 2012 0,08x0,05 2x1,25 1/10

1206 3216 0,126x0,063 3,2x1,6 1/4

1210 3225 0,126x0,2 3,2x2,5 1/2

1806 4526 0,177x0,063 4,5x1,6 1/2

1812 4332 018x0,12 4,5x3,2 1/2

2010 5025 0,2x0,1 5x2,5 1*

2512 6332 0,25x0,12 6,35x3 1*

Las resistencias también vienen en encapsulados MELF, MINI MELF y MICRO MELF.

Los valores suelen venir escritos sobre el cuerpo del componente.

Las resistencias puentes o jumpers de 0Ohm vienen impresas con 000

De 1 a 9.1Ohm viene en la forma XRX (Ej, 6.8Ohms es 6R8)

De 10 a 91Ohms XXR (Ej 47Ohms 47R)

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%

Por ejemplo una resistencia de 68KOkms sería 6 8 3 (68*103)

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 (pF)

1 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8

CODE A E J N S W

MULTIPLICATOR 105 106

CODE 5 6

NOMINAL VOLTAGE CODE

VOLT 4 6.3 10 16 20 25 35

CODE G J A C D E V

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 Largo [mm] Ancho [mm] Alto [mm]

SOD-523 1,25 0,85 0,65

SOD-323 1,7 1,25 0,95

SOD-123 3,68 1,17 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 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 ser SOT-23, 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 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 hasta los 200 y con pasos desde 0,4 a 1mm. Japón usa 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 como el TSOP (Thin Small 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 hora 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 la reoxidación durante el proceso de soldado y ayudar a

transferir el calor a la 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 en Sn/Pb 63/37. Esta última de

todas la aleaciones es la que posee el punto más bajo de fusión (183oC), y se puede decir

que prácticamente es un punto de fusión y no un rango de temperaturas.

En julio de 2006, WEEE1 & RoHS2, 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 SnAg3.0Cu0.5 (Estaño

con 3% de Plata y 0,5% de Cobre). Esta aleación tiene un punto de fusión de 217oC a

220oC. Esta aleación se puede encontrar en los comercios de electrónica.

Hay otras variantes como SnBi57Ag1, patentada por Motorola, se funde entre 137oC y

139oC o SnIn8Ag3,5Bi0,5, aleación patentada por Matsushita/Panasonic, se funde entre los

197oC y 208oC

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 WEEE European Union Waste Electrical and Electronic Equipment Directive

2 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 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 movimiento 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 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 (chisel),

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 conveniente 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 usar una punta 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 corrimientos 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.