¿Se ha preguntado alguna vez por qué la punta del soldador o el horno de reflujo deben calentarse tanto más que el punto de fusión de la propia aleación de soldadura? Si La SAC305 se funde completamente a unos 220°C, ¿por qué establecemos el pico de reflujo temperaturas ¿20 grados más? ¿Por qué se eleva la punta del soldador a 350°C?
A primera vista, puede parecer excesivo. Pero una vez que se entiende la termodinámica que hay detrás de la soldadura, tiene todo el sentido del mundo. Todo se reduce a cómo se mueve el calor y cuánto se pierde antes de llegar a su destino.
El papel de la conservación de la energía
Cuando una fuente de calor toca una superficie, no todo alcanza instantáneamente la misma temperatura. Aumentar la temperatura de un objeto requiere tiempo y energía. El calor debe fluir hacia el objeto hasta acumularse lo suficiente como para provocar un cambio.
Piensa en la fuente de calor como un grifo que vierte energía térmica en lugar de agua. Al abrirlo no se llena instantáneamente un cubo. La rapidez con la que se llena depende del caudal, del tamaño del cubo y de su capacidad. Ahora imagina que el cubo tiene fugas: parte del agua se escapa constantemente al entorno.
Eso es esencialmente lo que ocurre durante la soldadura. El calor no aparece ni desaparece, simplemente se redistribuye por el sistema. Según la ley de conservación de la energía, cada poco de calor que aplicamos se distribuye por algún lugar del sistema. La soldadura, los componentes, la placa de circuito impreso y el aire circundante absorben y comparten esa energía a diferentes velocidades.
Por eso no nos limitamos a calentar hasta el punto de fusión, sino que lo sobrepasamos. Es como intentar llenar un cubo que gotea: un chorro lento puede que nunca lo llene, pero un flujo más rápido puede superar la pérdida. Los grados de más sirven para lo mismo. Compensan el calor perdido por el entorno y los materiales. Y cuanto más grandes o conductores sean los materiales, más calor extraerán de la unión, dejando menos para la propia soldadura.
Qué tiene que ver Newton con la soldadura
La Ley del Enfriamiento de Newton nos dice que la velocidad a la que un objeto cambia de temperatura es proporcional a la diferencia entre su temperatura y la de su entorno. En términos más sencillos: cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápido se transfiere el calor.
En el contexto de la soldadura, ese "objeto" que tratamos de calentar es la aleación de soldadura y, lo que es más importante, la superficie sobre la que debe humedecerse, como una placa de circuito impreso o el plomo de un componente. Estas superficies suelen estar a temperatura ambiente o ligeramente elevada, mientras que la punta del soldador o el aire de reflujo están mucho más calientes. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más rápida y eficaz será la entrada de calor en la unión.
Así que, deliberadamente sobrepasamos el punto de fusión para garantía suficiente energía térmica se abre camino en la soldadura y los materiales circundantes, lo suficientemente rápido como para iniciar el reflujo antes de que el calor se pierda en otra parte.
Por qué la punta del soldador debe estar mucho más caliente que el punto de fusión de la aleación
Cuando se coloca un soldador sobre una almohadilla, no sólo se intenta fundir un poco de aleación. Se trata de transferir suficiente energía a toda la masa térmica de la junta. Esto incluye la almohadilla de cobre, el cable del componente, el orificio de paso del revestimiento y cualquier plano o vía de cobre cercanos que actúen como disipadores de calor.
Todos estos materiales alejan el calor de la zona de unión. Por lo tanto, a menos que la punta de la plancha esté mucho más caliente que el punto de fusión de la soldadura, no fluirá suficiente calor con la rapidez necesaria para lograr una unión completa, húmeda y fiable.
Por este motivo, las temperaturas de las puntas de hierro suelen oscilar entre 315 °C y 370 °C, en función de la aleación y la aplicación. Ese margen nos da el gradiente que necesitamos para superar las pérdidas de calor y empujar la unión más allá de su temperatura de liquidus de forma rápida y consistente.
La ciencia detrás de las temperaturas máximas de los hornos de reflujo
Los hornos de reflujo son aún más precisos. Cuando ajustamos un perfil de reflujoestamos planeando para el calentamiento gradual, un corto remojo, y luego un pico rápido. Pero ese pico es crítico. Se establece intencionalmente muy por encima del punto de fusión de la soldadura.
¿Por qué? Porque todo el conjunto de la placa tiene que absorber suficiente calor para que cada junta de soldadura pase el reflujo. Los componentes varían en masa y conductividad térmica, y la atmósfera del horno (aire o nitrógeno) no es 100% eficiente. Además, la placa cede calor constantemente a su entorno.
Si sólo alcanzáramos los 220°C en el horno, la soldadura nunca llegaría a fundirse. Con un pico de 235 °C a 250 °C, tenemos en cuenta todas estas variables y garantizamos una humectación uniforme en toda la placa.
Dinámica de fluidos de soldadura fundida a alta temperatura
Una vez que la soldadura cruza su punto de fusión, no sólo fundir-se transforma. Como cualquier líquido, el comportamiento de la soldadura fundida depende de la temperatura, y estos cambios pueden afectar tanto a la humectación como a la calidad final de la unión.
Cuando la soldadura se calienta por encima de su punto de fusión, su viscosidad disminuye, lo que significa que fluye más fácilmente. Esta mayor fluidez puede ayudar a que la aleación rellene mejor los huecos, recubra los cables y se adapte a las superficies de los pads, especialmente en uniones SMT complejas o con orificios pasantes. Una temperatura más alta también reduce ligeramente la tensión superficial, lo que permite que la soldadura "moje" mejor las superficies con las que entra en contacto.
Sin embargo, hay una contrapartida.
Una soldadura demasiado caliente durante demasiado tiempo puede aumentar el riesgo de oxidación, crecimiento intermetálico y daños en los componentes. Si la temperatura es demasiado baja, es posible que no se consiga una humectación total o un reflujo completo. Existe un estrecho margen térmico en el que la soldadura es más eficaz: lo suficientemente caliente como para comportarse de forma óptima como un fluido, pero no tan caliente como para empezar a degradar el rendimiento o la fiabilidad.
Implicaciones prácticas: Uniones fiables y resultados coherentes
Al fin y al cabo, entender la transferencia de calor en la soldadura no es sólo cuestión de física, sino de fiabilidad. Una buena unión es el resultado de un buen equilibrio entre la transferencia de energía, la compatibilidad de materiales y la sincronización.
Aplicando intencionadamente calor muy por encima del punto de fusión:
- Garantizar el reflujo completo en diversos tipos de placas y componentes
- Superar los efectos de la masa térmica y el disipador de calor
- Maximizar la humectación y la resistencia de las articulaciones
- Minimizar los defectos como juntas frías, vacíos o filetes incompletos.
Y hacemos todo esto mientras trabajamos a contrarreloj. El calor siempre intenta escapar: a los componentes, a la placa, al aire que nos rodea. Cuanto mejor comprendamos y controlemos ese proceso, mejores serán los resultados.
Reflexiones finales
La próxima vez que encienda un soldador o compruebe un perfil de reflujo, no piense sólo en alcanzar un número. Piense en por qué ese número importa. No se trata de fuerza bruta. Se trata de precisión, planificación y física.
La soldadura es un proceso térmico y, como cualquier otro proceso térmico, se rige por las leyes de la transferencia de calor. La ley de enfriamiento de Newton puede parecer académica, pero en la práctica ayuda a explicar casi todos los retos y éxitos que vemos hoy en día en el ensamblaje.
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