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¿Soldadura en pasta?

En más de una ocasión me han preguntado si es mejor utilizar el estaño en pasta para soldar los componentes SMD. Está claro que para un fabricante la respuesta sería muy clara, porque la soldadura en pasta permite abaratar los costes de producción, y además es posible reducir el tamaño de los dispositivos electrónicos al máximo.

Para las reparaciones y pequeños montajes, yo nunca he utilizado el estaño en pasta. En todas las reparaciones que se puedan hacer a mano, siempre he utilizado estaño en hilo y un soldador resistivo convencional. Lo más importante es elegir la punta del soldador, y el estaño más adecuados a la soldadura que se tenga que realizar. Con esto me refiero al diámetro y aleación del estaño, el tamaño de la punta del soldador, su temperatura, y el uso de flux en en algunos casos.

Soldando SMD-TQFP

Plancha de calor para soldar

Para hacer una prueba práctica, soldé un chip TQFP de 44 pines junto con 3 componentes SMD, en un PCB nuevo. Utilicé pasta de soldadura especial para utilizar con máscara (muy densa para dosificar con una jeringuilla), y una placa de calor de 400W.

La temperatura de esta placa es suficiente para fundir el estaño en pasta, y la temperatura máxima que pude medir en la superficie del circuito integrado fue de 210ºC.

Máscara (Stencil) con CNC

Como es muy complicado aplicar la pasta de soldar en un chip de 44 pines, con la ayuda de la CNC hice una máscara (Stencil). Como material utilicé una plancha de cobre de 0,2 mm de espesor, y para los otros 3 componentes SMD apliqué la pasta de soldar a mano.

Para hacer las perforaciones en la máscara con la CNC, tomé todas las medidas del Datasheet del fabricante del chip, y las dibujé en el software SketchUp. Los cortes en la CNC los hice con una punta de grabado de 0,3mm., tamaño ligeramente inferior a las perforaciones de 0,4 mm.

Resultado final

El funcionamiento de la plancha de calor fué bastante bueno, pero el exceso de pasta provocó que apareciesen bolas de estaño encima de los pines del circuito integrado… quizás tendría que haber reducido el ancho de las perforaciones de la máscara TQFP44 que hice con la CNC. El exceso de estaño lo tuve que retirar al final con un soldador convencional, malla de desoldar y flux en gel.

También había un exceso de pasta en los demás componentes en los que apliqué la pasta de soldar con una pequeña espátula. Al ser una pasta bastante densa, no se puede utilizar una jeringilla, y es bastante complicado dosificar la pasta con una espátula.

Aunque resutado final de la soldadura con pasta es bueno, sigo pensando que me habría costado menos tiempo soldar todo a mano.

¿Necesitas fabricar un PCB?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Ahora también puedes encargar trabajos 3D, mecanizados con CNC y fabricación de cajas metálicas o de plástico inyectado.

https://www.pcbway.es/

Reparación y programación CPU-SMD

Reparación y programación del firmware en una CPU de tipo SMD. Comprobación del estado de las soldaduras del microprocesador, con la ayuda de un microscopio.

Microscopio para electrónica

Con el paso del tiempo, todos los dispositivos electrónicos han ido adoptando la tecnología SMD, pudiendo así integrar más funciones en espacios pequeños y reduciendo notablemente sus costes de fabricación. Al mismo tiempo, las herramientas de trabajo para electrónica han ido evolucionando, siendo necesario el uso de lupas de aumento, cuando se necesita inspeccionar el estado de las soldaduras de los componentes SMD en el circuito impreso. La alternativa a la lupa, es utilizar un microscopio que consiga mantener un buen foco y calidad de la imagen, dejando la distancia suficiente entre la óptica y el PCB para poder realizar trabajos de soldadura.

Microscopio para electrónica, con GearBest

Reparación de una CPU con tecnología SMD

Un fallo muy común en cualquier dispositivo electrónico, es una soldadura fría o una pista del circuito impreso abierta. A pesar de que esta CPU nunca ha funcionado, ya que se trata de un montaje nuevo, siempre es aconsejable comprobar que todos sus componentes electrónicos sean del valor adecuado, y que todas las soldaduras estén bien hechas.

La mejor forma de comprobar si una soldadura está bien hecha o no, es mover el componente electrónico mientras se observa el punto de soldadura. Cuan se trata de componentes de tipo SMD, es necesario utilizar un alfiler o punzón bien afilado para mover los terminales y comprobar que no se muevan.

En el siguiente video se muestra todo el proceso a seguir, para comprobar y programar la CPU de un reloj digital con tecnología SMD.

Ganador del sorteo

Ganador del sorteo de un PCB con tecnología SMD, para montar un display de 7 segmentos con control serie.

El circuito impreso sorteado es el que se mostró en el video anterior, el cual incluye el circuito integrado TPIC6B595 -Shift Register- ya montado en el PCB.

El sorteo se realizó entre los suscriptores que hicieron un comentario en el video anterior, utilizando el software online: You2Pick

Display de 7 segmentos, control serie

Diseño de un display de 7 segmentos SMD, con control serie. Con este circuito se pueden apilar tantos dígitos en serie como sea necesario, porque el número de pines de control no cambian. En este circuito se utiliza el TPIC6B595 como registro de desplazamiento, y un 74HC04 (6 inversores) como ‘driver/separador’ de las señales de control: Clock, Strobe y Enable. Al utilizar un registro de desplazamiento (Shift Register), las señales de control (Clock, Strobe y Enable) son las mismas para todos los dígitos, y la línea de datos (Data) se conecta al primer dígito… encadenando la salida de datos de un dígito con el siguiente.

El diseño de este display de 7 segmentos es modular, y se pueden conectar tantos dígitos en serie como sean necesarios.

Cada dígito dispone de su propio regulador de tensión de 5V, pero sólo es necesario instalar uno para alimentar toda la serie. Las conexiones de la salida de un módulo se conectan con las de entrada del módulo siguiente, permitiendo así alimentar todos los módulos con un sólo regulador de tensión. Con el fin de evitar una carga excesiva de las señales de control (Clock, Strobe y Enable) y evitar posibles interferencias en el cableado, cada módulo dispone de un circuito que hace las funciones de ‘regenerador’ de la señal.

El circuito integrado 74HC04 dispone de 6 inversores, y se utilizan de dos en dos, con el fin de obtener el mismo nivel lógico de la entrada en la salida. El único detalle a considerar, es que la conexión de las 3 señales de control con el registro de desplazamiento (TPIC6B595) se realizan en las salidas del primer inversor. De esta forma, la CPU debería entregar las 3 señales de control: Clock, Strobe y Enable en modo invertido.

Control de brillo PWM (Pulse-Width Modulation)

El control de brillo del conjunto de módulos que conformen el display, se realiza mediante la gestión de la señal ENABLE. Modificando el ancho del impulso de una señal de frecuencia >20 Hz, con el fin de evitar el parpadeo, se puede ajustar el nivel de luminosidad del display.

En la imagen anterior se puede observar que la frecuencia de la señal PWM es de 104 Hz, y al aumentar el ancho del semiciclo positivo el brillo decrece (ver el video). Como es lógico, el brillo máximo se obtendrá si permanece habilitado el 100% del tiempo la señal ENABLE (sin impulsos). En el circuito integrado TPIC6B595 el estado ON se corresponde con un nivel bajo (cero lógico). El control de brillo PWM lo podría gestionar la propia CPU, partiendo de la información que recibiera de un sensor de luminosidad.

¡Maldito foco LED! – Damn LED spotlight!

Avería de un foco LED de 12V, después de 72 horas de funcionamiento continuo. La reparación anterior se hizo sustituyendo la matriz LED original del foco, por 4 diodos LED SMD de 1W en serie. Debido a un mal contacto térmico de los diodos con el bloque disipador del foco, uno de los diodos se quemó. Se vuelve a reparar el foco, mejorando mecánicamente el contacto térmico de los diodos con el disipador, y reduciendo ligeramente su corriente de trabajo.

A pesar de que este tipo de reparaciones no compensa, decido acabar con la reparación que comencé, ya que no dio buen resultado. Como era de esperar, uno de los 4 diodos LED se ha quemado, provocando el apagado del foco. Teniendo en cuenta que la corriente de trabajo de este foco es de 256 mA, corriente dentro de los límites del LED utilizado, el problema puede estar relacionado con la mala disipación térmica.

Reparación

La reparación consiste en sustituir el diodo LED quemado por uno nuevo, y unir de nuevo la serie de 4 diodos con masilla de dos componentes. Con el fin de mejorar el contacto térmico con la carcasa del foco, ya que esta hace de disipador, en esta ocasión el conjunto de los 4 diodos lo monto sin utilizar la placa soporte del diodo original. Una vez seca la masilla, es conveniente aplanar todo el conjunto con una lija de grano fino (imagen siguiente).

Reducir la corriente del LED

A pesar de que la corriente de trabajo del foco (256 mA) está dentro del margen de funcionamiento de los diodos LED utilizados (250 – 300mA), decido reducir ligeramente su valor. El circuito de control ajusta la corriente de trabajo con 2 resistencias en paralelo, una de 1 ohmio y la otra de 6,2. Al eliminar la resistencia de 6,2 ohmios, la corriente del circuito se reducirá de 256 mA hasta 220 mA.

A pesar de que esta corriente no varía mucho con respecto a la original (-13%), la temperatura de funcionamiento del LED se reducirá bastante… pero también caerá de forma exponencial el rendimiento lumínico del diodo LED.

Rendimiento lumínico

Después de reparar el foco y modificar su corriente de funcionamiento, realizo una prueba comparativa del rendimiento lumínico. Esta medida de luminosidad no sirve para conocer el valor real en lúmenes del foco LED, pero nos permite conocer la relación que existe entre el valor de la reducción de corriente y su pérdida de luminosidad.

Como podemos apreciar en la imagen anterior, al reducir la corriente del LED en un 13%, el rendimiento lumínico se ha reducido en un 50%.

Foco LED mal diseñado, ¿estafa? – Spotlight LED bad designed, scam?

Avería de un foco LED de 12V/15W, después de un mes de uso normal. Se desmonta la matriz LED con el fin de conocer el motivo de su corta duración. Como esta es la segunda vez que se quema un LED de la matriz, se realiza un análisis a fondo de su construcción, detectando que tiene un fallo de diseño. Al final se sustituye la matriz LED original por 4 diodos LED SMD de 1W de tipo CREE. Finalmente se realizan medidas comparativas de consumo y rendimiento lumínico, comparando el foco reparado con otro nuevo igual que el averiado.

¿Cómo funciona un foco LED?

Construcción de la matriz LED

El diodo LED de este foco está compuesto por una matriz de 10 diodos. Es un montaje de 5 diodos en paralelo, dos a dos, y estos 5 conjuntos montados en serie.

El problema que existe con este montaje, es que el fabricante no puede emparejar los diodos que van montados en paralelo, ya que están impresos en la matriz y no van montados en una cápsula de forma independiente. En estas condiciones, es muy difícil que la corriente que circula por cada diodo sea idéntica a la que circula por el otro que va conectado en paralelo. Así siempre iluminará uno de ellos más que el otro, y tendrá que soportar una corriente mayor a la calculada. Si el fabricante no contempla esta posibilidad, y monta diodos ajustados a la corriente que ha calculado, lo normal es que acabe por quemarse alguno de los diodos.

En el esquema del foco LED se puede ver que el circuito de corriente constante está ajustado para 256 mA. Así circulará una corriente de 128 mA por cada diodo. Si alguno de los diodos se quema por exceso de corriente, se abrirá, obligando al otro diodo que va montado en paralelo a soportar los 256 mA de la serie. Como cabe suponer, este segundo diodo también se quemará y dejará de lucir toda la matriz LED.

Reparación del foco LED

En la mayoría de los casos no compensa reparar un foco LED. El precio del repuesto y la mano de obra, suele ser superior al precio de compra de un foco nuevo. A pesar de esto, si ya disponemos del repuesto y lo hacemos como hobby, es muy satisfactorio repararlo… o por lo menos intentarlo. En este caso la reparación consiste en sustituir la matriz LED. Una solución alternativa es montar una serie de diodos LED de potencia en lugar de la matriz. Como este foco está alimentado a 12V, es necesario que la tensión de funcionamiento de la serie de diodos sea ligeramente superior a 12 V. En caso contrario, el circuito de control no podría limitar la corriente y se quemarían los diodos.

Si tenemos en cuenta que este foco de 15W, en realidad es de 5W, podemos obtener una luminosidad parecida montando 4 diodos LED en serie de 1W. Como es lógico, estos diodos deben estar dimensionados para funcionar con una corriente de 256 mA, ya que es la que suministra el circuito de control del foco.

Para sustituir la matriz LED original por 4 diodos, hay que asegurar que el contacto térmico del conjunto con la base de aluminio sea bueno. Yo he optado por crear un bloque con los 4 diodos, utilizando masilla de 2 componentes, mas conocida como barra arregla todo. Antes de aplicar la masilla, es muy importante poner pasta térmica en la base de cada diodo LED.

Después de la reparación, decido hacer una prueba comparativa de luminosidad entre el foco reparado y otro foco LED nuevo. El resultado es favorable al foco reparado, porque el consumo es de 4W en lugar de 5W, y la luminosidad es un 16% superior a la del foco original.

M328-Transistor Tester

Montaje, calibración y pruebas del kit: M328 Transistor Tester, comprobador de componentes electrónicos. Este comprobador está basado en el micro controlador ATMEGA328P, el mismo que utiliza la placa de desarrollo ARDUINO Uno. El firmware de este comprobador (v1.12k de 2017) ya viene grabado y el chip protegido contra lectura, de manera que no es posible realizar modificaciones. Sin embargo, existe mucha información en Internet, incluso algunos códigos fuente válidos para este micro controlador.

Proceso de montaje

Para montar este kit es conveniente tener cierta destreza con el soldador, y disponer de las herramientas adecuadas. En general, el montaje no es complicado, porque todos los valores de los componentes están rotulados en la serigrafía del circuito impreso. La única dificultad sería soldar los 3 componentes de montaje superficial (SMD) que incluye este kit.

Para facilitar el montaje, es conveniente montar los componentes más pequeños en primer lugar (SMD), y siguiendo por los de altura más baja (resistencias). También hay que prestar mucha atención a la hora de identificar las resistencias, porque están identificadas siguiendo el código de colores de 5 bandas y es fácil confundir algún valor por otro. En caso de dudas, lo mejor es medir los valores de las resistencias con un polímetro, para estar seguros antes de soldarlas.

Calibración

Una vez montado el kit, lo primero que hay que hacer es calibrar el equipo. A la calibración se accede mediante el menú Selftest del comprobador. El proceso de calibración es muy rápido y sencillo. Antes de entrar en el menú, tenemos que preparar 2 trozos de cable para unir las 3 entradas, y un condensador mayor de 100nF y menor de 20uF. La calibración consiste en 3 pasos:

Calibrar el cero del medidor, uniendo las 3 entradas del medidor con 2 cables cortos. En este punto el equipo calibra la resistencia 0 ohmios en las 3 entradas del medidor.
Calibrar el punto ‘abierto’ del comprobador, con el equipo encendido sin componentes (quitando los cables del punto anterior). En este momento se calibra la capacidad 0pF de las 3 entradas, entre otras cosas.
Calibrar la escala del capacímetro. En este punto se necesita conectar un condensador mayor de 100nF y menor de 20uF, entre las entradas 1 y 3 del comprobador.

Se pueden ver todos los detalles de calibración en el video #1.

Funciones especiales

Aparte de la detección y comprobación de la mayoría de los componentes electrónicos (resistencias, condensadores, bobinas, diodos, transistores, etc), este comprobador dispone de algunas funciones especiales, por ejemplo:

Comprobar y medir el sensor de Temperatura DS18B20.
Comprobar y medir el sensor de Temperatura/Humedad DHT11.
Decodificar las señales IR de un mando a distancia (menú IR_Decoder), mediante la inserción en sus terminales de un chip receptor IR. El comprobador muestra en la pantalla el protocolo y todos los datos que se transmiten al pulsar cada una de las teclas de un mando a distancia IR (4 Bytes).
También es posible configurar en el menú IR_Encoder el código de una tecla, y transmitirla mediante la conexión de un diodo LED IR en los terminales de salida PWM del comprobador.
Generar una señal PWM de 10 bit, pudiendo configurar el porcentaje del ancho de impulso entre 1 y 99%. El nivel de salida es 5Vpp, y la frecuencia 7812,5 Hz.
Generar una serie de frecuencias predefinidas, entre 1 Hz y 20 MHz. La forma de onda es cuadrada y tiene un nivel de 5Vpp.
Medir frecuencias comprendidas entre 1Hz y 3,9MHz, con un nivel entre 1 y 5 Vpp.
Medir la Resistencia Serie Equivalente (ESR) de condensadores electrolíticos, sin la necesidad de tenerlos que desconectar del circuito impreso.

Todos los detalles de montaje, calibración y pruebas se muestran en la siguiente serie de 3 videos:

Soldando SMD-TQFP

Soldando SMD-TQFP: proceso a seguir para soldar un circuito integrado con encapsulado TQFP (Thin Quad Flat Package) de 64 pines. La separación entre pines del chip a soldar es de 0,5 mm y el hueco libre entre ellos es de 0,2 mm.

A pesar de que los componentes de tipo SMD están pensados para ser soldados a máquina en las cadenas de montaje, en todas las reparaciones o prototipos se suelen montar a mano. La tarea de soldar un componente SMD puede ser fácil o muy difícil, dependiendo de la destreza que se tenga con el soldador… aunque lo más importante es disponer de las herramientas y útiles necesarios: pinzas, soldador, estaño, flux, lupa o microscopio, etc.

Arrastre de soldadura (Drag soldering)

El método más rápido para soldar un circuito integrado de tipo SMD, es utilizando el método de arrastre de soldadura (Drag soldering), en el cual es muy importante disponer de Flux en gel y malla de desoldar. En un componente SMD es muy importante la calidad de las soldaduras, con el fin de evitar posibles averías mecánicas, debido a una posible caída o golpe del dispositivo. El tiempo de reparación junto con el coste del componente, siempre será superior al gasto del Flux y exceso de estaño que se emplee en la soldadura. En este montaje empleo más estaño y Flux del necesario, pero lo hago así para mostrar lo fácil que es soldar un componente SMD, aunque se hagan cortocircuitos entre los pines del componente. Siempre es mejor pasarse con el estaño, que quedarse corto y dejar las soldaduras defectuosas o frágiles.

Preparación antes de soldar

Antes de comenzar a soldar un circuito integrado SMD, es conveniente disponer de un soporte para mantener sujeta la placa. Calentar el circuito impreso antes de soldar y sujetar el componente con algún adhesivo, facilitará mucho la soldadura. El adhesivo debe ser fácil de eliminar, para facilitar una futura reparación. Utilizando un trozo de cinta adhesiva de doble cara sería suficiente.

Es muy importante alinear todos los pines del circuito integrado. En caso de que alguno de sus terminales esté doblado, podemos alinearlo con la ayuda de las pinzas y el filo de un cutter.

Soldadura SMD

Para evitar que se mueva el circuito integrado cuando se suelde, a pesar de que esté sujeto con cinta adhesiva, es conveniente soldar al menos un pin de cada cara del circuito integrado. De esta manera nos aseguramos que la alineación de todos los pines es correcta, y evitamos posibles cortocircuitos difíciles de eliminar cuando soldemos.

Antes de utilizar el soldador de punta ancha, tenemos que aplicar un cordón de Flux en gel en todos los pines del circuito integrado. Los terminales deben estar sumergidos en el Flux… ahorrar en Flux no es una buena idea.

A continuación, con un soldador de punta ancha, aplicaremos estaño en la punta del soldador y lo arrastraremos por encima de todos los pines del circuito integrado. Cuando se arrastre el soldador, no tenemos que presionar sobre los terminales del circuito integrado. Los terminales los presionaremos después, desde el interior del circuito integrado hacia el exterior. De esta manera nos aseguramos que todos los terminales se queden apoyados en el circuito impreso y correctamente soldados.

Aplicando más Flux podemos eliminar los posibles cortocircuitos que hayan quedado. Si el volumen de estaño extra es mucho, aproximando la malla de desoldar se elimina con facilidad.

Una vez que hayamos soldado todos los terminales del circuito integrado, haremos una revisión de las soldaduras con la ayuda de una lupa, buscando posibles defectos en las soldaduras y cortocircuitos. Cuando veamos que todo está bien, limpiaremos todos los restos del Flux con la ayuda de alcohol de limpieza, un cepillo, papel, etc.

La revisión final la podemos hacer aplicando luz en la cara inferior del circuito impreso, observando los posibles defectos de soldadura desde la cara superior.

En el siguiente video se muestran todos los detalles del proceso a seguir.