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

Feb 18, 2024

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Los condensadores electrolíticos SMT son una tecnología de componentes ampliamente utilizada en diseños de productos de aviónica IPC Clase 3. La configuración del cuerpo de los condensadores electrolíticos SMT genera uniones de soldadura que sólo 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 capacitor 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 las uniones soldadas: ala de gaviota (arriba) y terminal de lengüeta (abajo) según la especificación IPC-JSTD-001.

Se había producido un importante debate/discusión sobre si esta configuración de cables se ajusta a los criterios de aceptación de juntas de soldadura óptica de ala de gaviota o de terminal de terminal (Figura 2). Dos preguntas clave generadas durante las discusiones internas sobre este tema fueron:

Toda la discusión sobre la mano de obra de las uniones de soldadura sería un punto discutible si fuera posible imprimir un volumen suficiente de pasta de soldadura para garantizar que se creen tanto un talón de unión de soldadura como unos filetes laterales aceptables. Ese enfoque no es una opción viable ya que esta gran cantidad de volumen de soldadura provocaría puentes en las uniones de soldadura y defectos en la colocación del capacitor.

Las preocupaciones con los condensadores 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 uniones soldadas para condensadores electrolíticos SMT. El grupo de trabajo JSTD-001 estaba formado por productores de ensamblajes electrónicos comerciales y de aviónica y proveedores de componentes. El grupo de trabajo creó una propuesta de criterios de mano de obra para uniones soldadas para condensadores electrolíticos SMT (Figura 3). Rockwell Collins estuvo en general de acuerdo con los criterios de mano de obra propuestos, excepto por la altura mínima del filete del talón (G (grosor de la soldadura debajo del cable del componente) + T (grosor del cable del componente)), que las discusiones internas habían destacado como un atributo de la junta de soldadura que requirió mayor investigación. La nota 3 en la siguiente tabla es solo el espesor de la soldadura debajo del cable del componente.

El condensador electrolítico SMT es un componente estándar que se ha utilizado ampliamente en diversos productos de aviónica durante varios años. Por lo tanto, cualquier inquietud sobre si los capacitores cumplían con los criterios de mano de obra de las uniones de soldadura de Rockwell Collins después de años de producción se debió más a que un auditor de nuevos productos planteó la pregunta que a un cambio en el proceso de reflujo de soldadura. Se trazaron dos años de datos de defectos de condensadores electrolíticos SMT para identificar cualquier tipo de influencia de cambio en el proceso/producto/personas (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 ilustrada en la Figura 4 es el resultado de una inspección visual subjetiva e inconsistente de los criterios de mano de obra de la unión de soldadura (es decir, la altura de la soldadura expresada como porcentaje del espesor del cable (T ) – ¿una altura de filete del lado de soldadura de 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 reportados en 10,000 oportunidades durante un período de 8 años.

Figura 3:Borrador inicial de IPC JSTD 001 de criterios de mano de obra propuestos para condensadores electrolíticos SMT (Crédito: Jim Dagget, Raytheon y Grupo de trabajo de condensadores electrolíticos SMT de IPC JSTD-001).

En conjunto con el esfuerzo del grupo de trabajo IPC-JSTD-001 para crear criterios de aceptación de uniones soldadas para capacitores electrolíticos SMT. Rockwell Collins inició una investigación para determinar los atributos críticos de las juntas de soldadura mediante acondicionamiento por ciclo térmico y pruebas de corte. Los resultados de las pruebas se utilizarían para crear un conjunto recomendado de criterios de aceptación de uniones soldadas 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 pruebas centrado en dos atributos de la unión soldada: (1) la resistencia mecánica de la unión soldada; (2) la resistencia a la fatiga del ciclo térmico de la unión soldada. 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 de un entorno de uso del producto. Si bien el objetivo principal de la unión por soldadura de componentes es proporcionar una conexión eléctrica, se esperan algunas características mecánicas. Debido a su geometría, los condensadores electrolíticos tradicionalmente requieren un refuerzo mecánico adicional, con el uso de uniones adhesivas para fines de vibración o choque. El uso de prácticas de unión adhesiva permite reducir la geometría de las uniones de soldadura y los requisitos de humectación. Se incluyeron pruebas de corte en el plan de pruebas para demostrar que la falla en la unión de la almohadilla de la placa ocurriría antes que la falla de la unión soldada. Las pruebas de fatiga térmica de las uniones de soldadura se incluyeron en las pruebas, ya que representan el modo de falla principal de las uniones de soldadura en aplicaciones de aviónica. Los condensadores electrolíticos se someterían a un acondicionamiento por ciclo térmico de -55 °C a 125 °C seguido de un corte transversal metalográfico para determinar el nivel de agrietamiento de la junta de soldadura resultante del desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) global inducido por el ciclo térmico.

Figura 4:Inspección de procesos 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 condensadores 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 adquiere 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 a fallar debido a la vibración en el entorno de uso del producto, ocasionalmente se usa una configuración de almohadilla mejorada (Figura 7, Antivibración) con unión adhesiva de silicona suplementaria.