Por Gayle Towell
Escoria La formación es una consecuencia inevitable de soldadura por ola. Se produce cuando la soldadura fundida entra en contacto con el oxígeno, formando óxidos metálicos que flotan en la superficie del baño de soldadura. Con el tiempo, este subproducto de la oxidación se acumula y debe eliminarse para mantener la calidad de la soldadura y la consistencia del proceso. Si bien es normal que se produzca escoria, la velocidad a la que se forma —y el esfuerzo necesario para gestionarla— puede variar mucho en función de varias variables del proceso y del material.
Una pregunta habitual entre los equipos de fabricación es: ¿cuánto es normal que se produzca escoria? La realidad es que no existe un punto de referencia universal. Las tasas de escoriación se ven influidas por una combinación de factores, entre los que se incluyen el proceso de aleación de la soldadura, la temperatura y la agitación del baño de soldadura, la presencia de contaminantes procedentes del ensamblaje y el estado general del equipo. Lo que puede ser aceptable en un proceso puede ser excesivo en otro.
Este artículo describe los principales factores que contribuyen a la formación de escoria, examina cómo influyen los métodos de refinado de aleaciones y explora formas prácticas de reducir la escoria mediante el control de los procesos y la optimización de los equipos. Se presta especial atención al uso de aditivos como el fósforo y a los retos asociados con el mantenimiento de una reducción constante de la escoria a lo largo del tiempo.
¿Qué es la escoria de soldadura y por qué se forma?
Cuando la soldadura fundida se expone al aire, reacciona con el oxígeno y forma óxidos metálicos, principalmente óxido de estaño en la mayoría de las soldaduras electrónicas. Estos óxidos, a menudo combinados con residuos orgánicos quemados, flotan en la superficie y forman escoria.
Si no se elimina con regularidad, la escoria puede interrumpir el proceso, afectar al flujo de soldadura y comprometer la calidad de la PCB.
La escoria suele ser el resultado de la oxidación normal, no de impurezas en la aleación. Sin embargo, una formación excesiva o rápida de escoria puede indicar problemas con el contenido de óxido de la aleación, la temperatura del proceso o la turbulencia.
La velocidad de formación de escoria depende de varios factores, entre los que destacan la composición de la aleación, la temperatura del baño de soldadura, la agitación de la ola y la contaminación procedente de las placas o los componentes.
Contenido de aleación y óxido
La soldadura en barra fabricada con metales “vírgenes” no es intrínsecamente baja en escoria. Si el proceso de aleación introduce óxidos o no los elimina de manera eficaz, la soldadura resultante puede presentar índices de oxidación similares o peores que las aleaciones recicladas mal procesadas. Los óxidos que permanecen suspendidos en la aleación contribuirán directamente a la formación temprana y sostenida de escoria una vez que la soldadura se utilice.
Por otro lado, la soldadura en barra producida mediante procesos controlados que minimizan los óxidos tiende a formar escoria de forma más lenta y predecible. El factor clave no es si los metales son nuevos o reciclados, sino si los óxidos y las impurezas propensas a la oxidación se han eliminado adecuadamente durante la aleación y la fundición.
Condiciones térmicas
Temperatura del crisol de soldadura es uno de los factores que más contribuyen a la formación de escoria. A medida que aumenta la temperatura, también lo hace la velocidad de oxidación. Para el eutéctico Sn63/Pb37, las temperaturas de funcionamiento típicas se sitúan entre 480 °F y 490 °F (aproximadamente entre 250 °C y 255 °C). Para el SAC305 y aleaciones sin plomo similares, las temperaturas del crisol son generalmente más altas, a menudo entre 500 °F y 520 °F (260 °C y 271 °C).
Operar por encima de estos rangos puede acelerar significativamente la formación de óxido. Sin embargo, la reducción de la temperatura del crisol para limitar la escoria debe equilibrarse con las necesidades del proceso, ya que una temperatura demasiado baja puede comprometer el llenado de los orificios, la humectación y el rendimiento general de la soldadura.
Características de las olas y agitación
La agitación mecánica de la superficie de soldadura, especialmente la provocada por diseños de olas turbulentas, aumenta la formación de escoria. Cuando la soldadura está estática, se expone menos superficie al aire y la oxidación se produce más lentamente. En los sistemas que dependen de olas de chips o que generan un movimiento constante en la interfaz entre la soldadura y el aire, la superficie expuesta aumenta, lo que provoca una oxidación más rápida.
El diseño de la ola, el estado de la bomba y el uso de modos de espera son factores que influyen en la cantidad de soldadura expuesta al aire en un momento dado. Los sistemas equipados con control inteligente de la ola que reducen la agitación cuando no hay placas presentes suelen producir menos escoria con el tiempo.
Contaminantes procedentes de los ensamblajes
Las placas de circuito impreso y los componentes añaden complejidad adicional. El cobre, el oro, el níquel y otros acabados superficiales pueden disolverse en el recipiente de soldadura, modificando sutilmente el comportamiento de la aleación y aumentando la formación de inclusiones intermetálicas u óxidos. Los contaminantes orgánicos, como los residuos de fundente, también pueden interactuar con la soldadura fundida, creando subproductos indeseables.
El análisis rutinario del crisol de soldadura puede ayudar a identificar el aumento de los niveles de contaminación y orientar las medidas correctivas. Mantener los niveles de impurezas dentro de los límites recomendados por la IPC es esencial no solo para minimizar la escoria, sino también para garantizar la fiabilidad de las uniones.
Aditivos y enfoques para la reducción de escoria
Los esfuerzos por reducir la formación de escoria suelen seguir dos vías principales: alterar la aleación de soldadura en sí o modificar el entorno en el que se realiza la soldadura. Ambos enfoques tienen como objetivo ralentizar la oxidación y limitar la acumulación de material inservible.
Para mitigar la oxidación y reducir las escorias, algunas operaciones emplean aditivos como tensioactivos para soldadura disponibles en el mercado. Aunque pueden ser eficaces, también plantean retos: mantener un material adicional en el proceso, garantizar una dosificación adecuada y gestionar la posible inestabilidad o las interacciones no deseadas con la aleación de soldadura o los contaminantes.
El fósforo como aditivo reductor de escoria
Un método común para reducir la escoria visible es la adición de fósforo. El fósforo actúa como un eliminador de oxígeno, oxidándose preferentemente antes que el estaño en la aleación, lo que reduce la generación de escoria. Para los fabricantes que trabajan con materiales con un mayor contenido de óxido, las adiciones de fósforo ofrecen una forma relativamente sencilla de mejorar el aspecto y reducir en cierta medida los residuos.
Sin embargo, el uso del fósforo conlleva inconvenientes notables. Tiende a depositarse en los componentes de hierro del recipiente de soldadura, como bombas y deflectores, lo que a menudo provoca obstrucciones o acumulaciones en la superficie. En algunos sistemas, estas acumulaciones pueden provocar alteraciones en el flujo o inestabilidad en las ondas. Además, el fósforo se elimina fácilmente del recipiente durante la eliminación de escoria, lo que significa que su concentración puede disminuir con el tiempo a menos que se supervise y reponga cuidadosamente.
En concentraciones elevadas, el fósforo también puede interferir en la humectación. Las investigaciones han demostrado que los niveles de fósforo superiores a 0,011 TP3T en peso pueden contribuir a la deshumectación y al agrietamiento de las juntas de soldadura. Esto supone un riesgo a largo plazo en los ensamblajes de alta fiabilidad, especialmente cuando los niveles de fósforo no se analizan de forma rutinaria, ya que el análisis convencional del crisol de soldadura no suele incluir este elemento.
Modificación atmosférica (inertización con nitrógeno)
Otro enfoque consiste en reducir el oxígeno disponible para la oxidación desde el principio. Esto se consigue inertizando el entorno de soldadura con nitrógeno. La reducción de los niveles de oxígeno ambiental a 50-100 ppm ralentiza significativamente la velocidad de formación de óxido y, por extensión, la acumulación de escoria.
Se ha demostrado que la inertización con nitrógeno reduce la generación de escoria hasta en un 90% en algunos sistemas de soldadura por ola. También mejora la humectación al reducir la tensión superficial de la soldadura fundida. Sin embargo, estas ventajas conllevan una mayor complejidad: los sistemas de inertización requieren infraestructura para el manejo de gases, equipos de control de flujo y, en algunos casos, modificaciones en la propia máquina de soldadura.
Minimizar los residuos mediante la estabilidad del proceso
En muchos casos, la forma más eficaz de reducir las escorias no es añadir algo nuevo, sino controlar lo que ya existe. Mantener las temperaturas adecuadas del crisol de soldadura, minimizar la turbulencia de la ola y mantener el equipo en buenas condiciones mecánicas puede tener un impacto significativo en los niveles de escorias. Además, asegurarse de que los ensamblajes estén limpios y sean compatibles con la aleación de soldadura utilizada ayuda a reducir la introducción de materiales extraños que pueden provocar oxidación.
Las formulaciones avanzadas de soldadura en barra que se fabrican con un bajo contenido de óxido en suspensión, en lugar de aquellas que dependen de tratamientos químicos posteriores a la producción, tienden a mostrar un comportamiento más estable a largo plazo con respecto a la escoria. Estos materiales son menos reactivos, menos propensos a la regeneración de óxido durante su uso y, en general, más fáciles de mantener en ciclos de producción prolongados.
Gestión de la escoria y el estado del crisol de soldadura
Incluso en condiciones óptimas, es inevitable que se forme algo de escoria. Por este motivo, es esencial realizar un mantenimiento regular del crisol de soldadura y del equipo circundante. Una gestión eficaz de la escoria no consiste solo en eliminar el óxido superficial, sino que también implica supervisar los niveles de contaminación, identificar los primeros signos de inestabilidad y mantener unos parámetros de funcionamiento constantes.
Eliminación de escoria y acondicionamiento de equipos
La eliminación de escoria debe realizarse con cuidado para evitar eliminar cantidades excesivas de aleación válida junto con la capa de óxido. En algunos casos, especialmente después de un cambio de soldadura o cuando se añade nueva soldadura en barra, los óxidos residuales o la acumulación superficial en las paredes de la olla, los ejes de la bomba o los deflectores pueden volver a mezclarse con la soldadura. Un periodo de “quemado” controlado, en el que el recipiente de soldadura se mantiene a temperatura de funcionamiento en estado estático durante toda la noche, puede ayudar a sedimentar y separar los óxidos en suspensión de la nueva carga de soldadura.
Tras este paso de acondicionamiento, una eliminación minuciosa pero cuidadosa de las escorias acumuladas ayuda a estabilizar el recipiente y a reducir el riesgo de oxidación prematura durante el arranque.
Análisis del crisol de soldadura e integridad de la aleación
Si bien la escoria es un indicador visible de oxidación, muchos cambios químicos ocurren en el baño de soldadura mucho antes de que sean perceptibles en la superficie. El análisis regular del crisol de soldadura, que normalmente se realiza cada mes o cada trimestre, proporciona información sobre la acumulación de contaminantes como cobre, oro, zinc, aluminio y hierro. Estos elementos pueden entrar en el crisol desde las terminaciones de los componentes, el recubrimiento de las placas o incluso la propia aleación.
Normas como IPC J-STD-001 e IPC J-STD-006 definen los niveles aceptables para estos contaminantes. Superar estos límites puede provocar una serie de problemas, entre los que se incluyen:
- Reducción de la humectación o el flujo
- Defectos en las juntas (por ejemplo, huecos o relleno incompleto)
- Cambios en el comportamiento de fusión de la aleación de soldadura
En los sistemas sin plomo, elementos como el níquel y el bismuto son motivo de especial preocupación debido a su baja solubilidad y su efecto en la formación intermetálica. Cuando los niveles de contaminantes se acercan a los valores umbral, las medidas correctivas pueden incluir la dilución con aleación nueva, la eliminación de escorias con alto contenido de contaminantes o, en casos más graves, el vaciado completo del recipiente y su recarga.
Programas de reciclaje y recuperación de escorias
Dado que los residuos contienen una cantidad significativa de metal aprovechable, el reciclaje es una parte importante del control de costos en las operaciones de soldadura por ola. Una buena gestión programa de recuperación permite a los fabricantes recuperar valor de lo que, de otro modo, se consideraría residuo. La escoria recogida puede ser procesada por servicios especializados en recuperación de metales para extraer soldadura reutilizable, que luego se devuelve o se reintegra en forma utilizable.
Mientras que algunas instalaciones intentan implementar sistemas de reciclaje internos—como los equipos de reducción de escoria in situ— estas configuraciones pueden plantear nuevos retos. En muchos casos, estos sistemas se basan en tratamientos químicos o térmicos que generan humos, aumentan las necesidades de mantenimiento o introducen variabilidad en la soldadura recuperada. Si no se controla estrictamente, el reciclaje interno puede dar lugar a una calidad inconsistente de la aleación y a riesgos de contaminación.
Para la mayoría de las operaciones, trabajar con un socio externo calificado en recuperación ofrece una solución más consistente y rentable, ya que garantiza que la soldadura recuperada cumpla con los estándares de calidad y minimiza las interrupciones en el proceso de producción.
Conclusión
La formación de escoria es una parte inherente al soldado por ola, provocada principalmente por la oxidación en la superficie de soldadura. En última instancia, un control constante del proceso, una selección adecuada de la aleación y un mantenimiento regular ofrecen la forma más confiable de minimizar la escoria y preservar la calidad de la soldadura. Un sistema de soldadura bien gestionado no solo reduce el desperdicio de material, sino que también favorece la estabilidad a largo plazo, la confiabilidad del producto y la eficiencia de la fabricación.
Publicado originalmente en Circuitnet