Investigación de integridad y criterios de unión de soldadura de condensadores electrolíticos SMT

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Los capacitores electrolíticos SMT son una tecnología de componentes ampliamente utilizada en los diseños de productos de aviónica IPC Clase 3. La configuración del cuerpo de los capacitores electrolíticos SMT conduce a uniones de soldadura que solo son parcialmente visibles para fines de inspección óptica. La figura 1 ilustra la vista óptica oscurecida del cable del capacitor debido a la construcción del cuerpo/configuración del cable. El cable del condensador sale de la parte inferior del componente y forma una curva en "L" en el plano horizontal para proporcionar un área de superficie para la formación de una junta de soldadura de montaje en superficie.

Figura 1: Condensador electrolítico SMT típico. (Foto cortesía de Panasonic)

Figura 2:Criterios de mano de obra de la junta de soldadura: ala de gaviota (arriba) y terminal de cable (abajo) según la especificación IPC-JSTD-001.

Se produjo un debate/discusión significativo sobre si esta configuración de cable cae bajo un ala de gaviota o un criterio de aceptación de junta de soldadura óptica de cable de orejeta (Figura 2). Dos preguntas clave generadas durante las discusiones internas sobre este tema fueron:

Toda la discusión sobre la mano de obra de la junta de soldadura sería un punto discutible si fuera posible imprimir un volumen suficiente de pasta de soldadura para garantizar que se creen filetes laterales y de talón de junta de soldadura aceptables. Ese enfoque no es una opción viable ya que esta gran cantidad de volumen de soldadura conduciría a defectos en la colocación del condensador y el puenteo de la junta de soldadura.

Las preocupaciones con los capacitores electrolíticos SMT no se limitaron a Rockwell Collins. El comité de normas nacionales IPC-JSTD-001 formó un grupo de trabajo para investigar y crear criterios de aceptación de juntas de soldadura para condensadores electrolíticos SMT. El grupo de trabajo JSTD-001 estaba formado por productores de ensamblaje electrónico comercial/aviónica y proveedores de componentes. El grupo de trabajo creó un conjunto propuesto de criterios de mano de obra de juntas de soldadura para capacitores electrolíticos SMT (Figura 3). Rockwell Collins estuvo de acuerdo en general con los criterios de mano de obra propuestos, excepto por la altura mínima del filete de talón (G (grosor de la soldadura bajo el componente de plomo) + T (grosor del componente de plomo)), que las discusiones internas habían destacado como un atributo de la junta de soldadura que requería mayor investigación. La nota 3 en la tabla a continuación es solo el grosor de la soldadura debajo del cable del componente.

El condensador electrolítico SMT es un componente estándar que se ha utilizado ampliamente en varios productos de aviónica durante varios años. Por lo tanto, cualquier inquietud acerca de si los condensadores cumplían con los criterios de mano de obra de unión de soldadura de Rockwell Collins después de años de producción fue más un caso de un auditor de producto nuevo que planteó la pregunta en lugar de un cambio en el proceso de reflujo de soldadura. Se trazaron dos años de datos de defectos de capacitores electrolíticos SMT para identificar cualquier tipo de influencia de cambio de proceso/producto/persona (Figura 4). Dado que no se documentaron cambios en el proceso de soldadura por reflujo ni en la configuración de los componentes, la variación del defecto que se ilustra en la Figura 4 es el resultado de una inspección visual subjetiva e inconsistente de los criterios de mano de obra de la unión soldada (es decir, la altura de la soldadura expresada como un porcentaje del espesor del cable (T ) – ¿una altura de filete del lado de la soldadura 1/4T o 1/2T o 1T?). Una revisión de los datos de fallas de campo del producto para el capacitor electrolítico SMT no encontró defectos informados en 10,000 oportunidades durante un período de 8 años.

Figura 3:Borrador inicial de IPC JSTD 001 de los criterios de mano de obra propuestos para capacitores electrolíticos SMT (Crédito: Jim Dagget, Raytheon e IPC JSTD-001 SMT Electrolytic Capacitor Working Group).

Junto con el esfuerzo del grupo de trabajo IPC-JSTD-001 para crear criterios de aceptación de juntas de soldadura para condensadores electrolíticos SMT. Rockwell Collins inició una investigación para determinar los atributos críticos de las uniones de soldadura mediante acondicionamiento de ciclo térmico y pruebas de cizallamiento. Los resultados de las pruebas se usarían para crear un conjunto recomendado de criterios de aceptación de juntas de soldadura para su inclusión propuesta en los Estándares de mano de obra de Rockwell Collins y su consideración por parte del grupo de trabajo IPC-JSTD-001.

DISCUSIÓN TÉCNICA

Plan de prueba

Se creó un plan de prueba centrado en dos atributos de la junta de soldadura: (1) la resistencia mecánica de la junta de soldadura; (2) la resistencia a la fatiga del ciclo térmico de la junta de soldadura. Una de las razones principales para tener una geometría de unión de soldadura y criterios de humectación es garantizar la creación de una unión de soldadura consistente y repetible que pueda soportar las tensiones mecánicas estándar del entorno de uso de un producto. Si bien el propósito principal de la unión de componentes por soldadura es proporcionar una conexión eléctrica, se esperan algunas características mecánicas. Debido a su geometría, los capacitores electrolíticos tradicionalmente requieren un refuerzo mecánico adicional, con el uso de unión adhesiva para fines de vibración o choque. El uso de prácticas de unión adhesiva permite reducir la geometría de la junta de soldadura y los requisitos de humectación. La prueba de cizallamiento se incluyó en el plan de prueba para demostrar que la falla de la fijación de la almohadilla de la placa ocurriría antes de la falla de la unión de soldadura. La prueba de fatiga térmica de las uniones soldadas se incluyó en la prueba, ya que representa el principal modo de falla de las uniones soldadas en aplicaciones de aviónica. Los capacitores electrolíticos se someterían a un acondicionamiento de ciclo térmico de -55 °C a 125 °C, seguido de una sección transversal metalográfica para determinar el nivel de agrietamiento de la junta de soldadura resultante del desajuste global del coeficiente de expansión térmica (CTE) inducido por el ciclo térmico.

Figura 4:Proceso de inspección de defectos de soldadura para capacitores electrolíticos SMT por un período de dos años.

Vehículo de prueba

El vehículo de prueba utilizado en la investigación fue un conjunto de circuito impreso típico que contenía 10 capacitores electrolíticos SMT, lo que lo convierte en un excelente candidato para la prueba (Figura 5).

Componente de prueba

El condensador electrolítico de aluminio SMT analizado en la investigación fue representativo de los condensadores electrolíticos SMT utilizados en la industria. Rockwell Collins obtiene estos componentes de varios proveedores de componentes de la industria (Figura 6, Figura 7). La configuración de la almohadilla es similar entre los distintos proveedores, por lo que las uniones de soldadura resultantes son muy similares. Dado que estos componentes son susceptibles de fallar debido a la vibración en el entorno de uso del producto, ocasionalmente se usa una configuración de almohadilla mejorada (Figura 7, Anti-vibración) con unión adhesiva de silicona suplementaria.