Post on 26-Jan-2021
Rogério Henrique de Magalhães Pinto
Avaliação da camada intermetálica emplacas de circuito impresso comacabamento superficial HASLcom diferentes processos de soldagem
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
fevereiro de 2015
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia de Materiais
Trabalho efetuado sob a orientação deProfessor Doutor Aníbal José Reis GuedesEngenheiro José Luís Sousa Ribas
Rogério Henrique de Magalhães Pinto
Avaliação da camada intermetálica emplacas de circuito impresso comacabamento superficial HASLcom diferentes processos de soldagem
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
iii
AGRADECIMENTOS
Os meus agradecimentos são endereçados para todas as pessoas que contribuíram para a
realização da minha Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais.
Gostaria de agradecer ao Prof. Doutor Aníbal Guedes, que me orientou pacientemente neste
desafio e pela constante disponibilidade em atender às minhas dúvidas.
Quero agradecer à Bosch Car Multimedia SA por apoiar o meu desenvolvimento pessoal e
profissional e por suportar os encargos financeiros para a realização desta dissertação.
Um agradecimento especial para o Engenheiro Luís Ribas pela oportunidade de ingressar na sua
equipa de trabalho. Um agradecimento especial também para o Ricardo Alves e Gonçalo Costa pelo
acompanhamento, orientação e completa disponibilidade em atender às minhas dúvidas e estarem
presentes em todos os momentos deste trabalho.
Também prestar os meus agradecimentos ao Pedro Carvalho, colaborador do laboratório químico
Marques Ferreira pelo constante auxílio e grande companheirismo demonstrado ao longo deste ano.
Gostaria de agradecer à Elsa Ribeiro, colaborada da Universidade do Minho, pela ajuda na aquisição
das imagens de microscopia eletrónica de varrimento.
Um muito obrigado aos meus amigos que sempre me apoiaram e incentivaram excessivamente a
não desistir ao longo desta dissertação, em especial à Catarina Miranda, à Marta Correia, ao Pedro
Carvalho e à Vânia Rego. Sem o vosso apoio e amizade, este ano de trabalhado não seria tão
gratificante.
Aos meus pais, avós e irmã por me apoiarem sempre incondicionalmente nesta longa caminhada
e por acreditarem desmesuradamente nas minhas capacidades, o meu enorme “obrigado por tudo”,
sem eles nada disto teria sido possível.
iv
v
RESUMO
O principal acabamento superficial utilizado em placas de circuito impresso era o HASL (Hot Air
Solder Leveling) usando uma liga de solda Sn63Pb37 (% ponderal). No entanto, com a passagem para
processos de soldagem “lead free”, e tendo em conta os problemas inerentes ao acabamento, este foi
excluído dos produtos ligados à indústria automóvel.
O principal objetivo da dissertação foi avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos
de soldagem sem chumbo na morfologia, composição química e na resistência mecânica (resistência
ao corte à temperatura ambiente) das juntas de solda. As placas foram produzidas em 4 grupos com
diferentes condições, avaliando-se essencialmente o efeito da temperatura e do tipo de soldagem.
As técnicas de análise, os testes mecânicos e a caracterização feita nos produtos em estudo
demonstraram que placas soldadas com este tipo de acabamento, e de acordo com os requisitos Car
Multimedia (CM), apresentam boa qualidade e cumprem as especificações Bosch, não se encontrando
defeitos ou anomalias nas juntas soldadas nos processos de soldagem estudados, nomeadamente o
processo de reflow e de onda.
Relativamente ao crescimento dos produtos de reação entre a pasta de solda e os materiais de
base, estes manifestaram-se de forma diferente para os dois processos de soldagem. No caso de pads
de componentes SMD (Surface Mount Device) o crescimento máximo verificado é de 5,27µm enquanto
que em furos de componentes TH (Through Hole) o crescimento é mais elevado no topo do que na
parte inferior da placa, devido ao movimento dinâmico da soldagem por onda. O envelhecimento
associado a perfis térmicos máximos segundo requisitos CM causa um aumento da camada
intermetálica entre 0,3 e 1µm.
A soldagem mediante acabamentos superficiais HASL resulta na formação de camadas
intermetálicas de Sn-Cu-Ni nas interfaces entre a liga de solda (Sn-Ag-Cu) e o cobre dos pads. Na liga
de solda verificou-se a formação de duas fases diferentes, uma extremamente rica em estanho e outra
onde se evidenciou a presença da prata.
A caracterização mecânica das juntas de solda foi efetuada mediante a realização de ensaios de
resistência ao corte em condensadores, tendo-se verificado que a força máxima de corte estava
compreendida entre 25 e 30N. A fratura ocorreu pelos componentes a ligar e não pela junta de solda.
PALAVRAS-CHAVE
HASL (Hot Air Solder Leveling) – Camada intermetálica – Solda sem chumbo – Soldagem – Eletrónica
vi
vii
ABSTRACT
The main surface finish used in printed circuit boards was the HASL (Hot Air Solder Leveling) using
the solder alloy Sn63Pb37 (% weight). However, with the transition for lead free soldering processes,
and taking into account the problems associated with the surface finish, this was discarded for products
related to the automotive industry.
The main objective of this thesis was to evaluate the influence of different thermal profiles and lead
free soldering processes in morphology, chemical composition and mechanical properties (shear
strength at room temperature) of solder joints. The plates were produced in 4 groups with different
conditions, assessing essentially the effect of temperature and the type of soldering.
The analysis techniques, mechanical testing and characterization of the products under study
demonstrated that soldered plates with this type of finish, and according to the Car Multimedia (CM)
requirements, have good quality and meet the Bosch specifications. No anomalies or defects were
found in the soldered joints on the studied soldering processes, in particular the process of reflow and
wave.
For the growth of the reaction products between the solder paste and the base material this has
manifested itself differently for the two soldering processes. In the case of pads for SMD components
(Surface Mount Device) the maximum growth verified was 5.27µm whilst in the holes of TH
components (Through Hole) the increase is higher at the top than at the bottom of the plate due to the
dynamic movement of the wave soldering. The aging associated with maximum thermal profiles
according to CM requirements cause an increase in intermetallic layer between 0.3 and 1µm.
Soldering in HASL surface finishes resulting in the formation of the intermetallic layers of Sn-Cu-Ni
between the solder alloy (Sn-Ag-Cu) and the copper pads. In the solder alloy it was found the formation
of two different phases, one is extremely rich in tin and other revealed the presence of silver.
The mechanical characterization of solder joints was analyzed by shear strength tests in capacitors
and it was verified that the maximum shear force which these components support is between 25 and
30N. The fracture occurred by the components to be connected and not in the solder joint.
KEYWORDS
HASL (Hot Air Solder Leveling) – Intermetallic layer – Lead free solders – Soldering – Electronic
viii
ix
ÍNDICE
Agradecimentos .................................................................................................................................. iii
Resumo............................................................................................................................................... v
Abstract............................................................................................................................................. vii
Índice de Figuras .............................................................................................................................. xiii
Índice de Tabelas ............................................................................................................................. xvii
Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .......................................................................................... xix
Capitulo 1. Introdução ........................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento .................................................................................................................. 1
1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 2
1.3 Estrutura da dissertação ...................................................................................................... 3
Capitulo 2. Os PCBs ........................................................................................................................... 5
2.1 Printed Circuit Board (PCB) ................................................................................................. 5
2.1.1 Classificação dos PCBs ................................................................................................ 6
2.1.2 Percurso histórico ........................................................................................................ 8
2.2 Acabamentos Superficiais do PCB ..................................................................................... 10
2.2.1 Hot Air Solder Leveling – HASL “lead free”................................................................. 13
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica ..................................................................................... 17
3.1 Produção de PCBAs (printed circuit board assembled) ....................................................... 17
3.1.1 Componentes eletrónicos ........................................................................................... 18
3.1.2 Through Hole Technology .......................................................................................... 19
3.1.3 Surface Mount Technology ......................................................................................... 19
3.1.4 Combinação das tecnologias TH e SMT ..................................................................... 20
3.2 Princípios de soldagem ..................................................................................................... 21
3.2.1 Principais aspetos físicos e químicos da soldagem ..................................................... 22
3.3 Pastas de solda ................................................................................................................. 23
3.3.1 Pastas de solda ......................................................................................................... 23
3.3.2 Fluxos ....................................................................................................................... 25
x
3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base .................................................... 26
3.5 Processos de soldagem ..................................................................................................... 29
3.5.1 Impressão da pasta de solda ..................................................................................... 31
3.5.2 Inserção de componentes .......................................................................................... 32
3.5.3 Processo de soldagem por Reflow .............................................................................. 33
3.5.4 Processo de soldagem por onda ................................................................................ 36
3.5.5 Defeitos de produção de PCBAs ................................................................................. 39
Capitulo 4. Procedimento experimental ............................................................................................. 41
4.1 Introdução ........................................................................................................................ 41
4.2 Materiais ........................................................................................................................... 44
4.3 Métodos de processamento ............................................................................................... 45
4.3.1 Envelhecimento dos PCBs ......................................................................................... 45
4.3.1 Perfis térmicos .......................................................................................................... 47
4.4 Técnicas de caracterização ................................................................................................ 55
4.4.1 Inspeção da impressão de liga de solda (SPI) e Inspeção ótica automática (AOI) ......... 55
4.4.2 Inspeção visual e Inspeção de scanner de raios-X ....................................................... 56
4.4.3 Cortes seccionais ...................................................................................................... 57
4.4.4 Resistência ao Corte .................................................................................................. 62
4.4.5 Microscopia eletrónica de varrimento (MEV) / Espectroscopia de dispersão de energias
(EDS)……. ................................................................................................................................. 64
Capitulo 5. Resultados e discussão ................................................................................................... 65
5.1 Introdução ........................................................................................................................ 65
5.2 Inspeção da impressão da pasta de solda (SPI) ................................................................. 65
5.3 Inspeção ótica automática (AOI) – Soldagem por reflow ..................................................... 67
5.4 Inspeção ótica automática (AOI) – Soldagem por onda ....................................................... 68
5.5 In circuit test (ICT) ............................................................................................................. 68
5.6 Inspeção visual ................................................................................................................. 69
5.6.1 PCB sem e com envelhecimento ................................................................................ 69
5.6.2 Passagem de PCBs através de 2 reflows .................................................................... 71
xi
5.6.3 Inspeção visual após os processos de soldagem ........................................................ 72
5.7 Inspeção por scanner de raios-X ........................................................................................ 74
5.8 Cortes seccionais .............................................................................................................. 75
5.8.1 PCB sem e com envelhecimento ................................................................................ 75
5.8.2 Comparação de PCB com PCB com 2 passagens no forno ......................................... 77
5.8.3 PCBAs após todos os processos de soldagem ............................................................ 79
5.9 Crescimento das camadas intermetálicas .......................................................................... 81
5.9.1 Efeito do envelhecimento no PCB ............................................................................... 82
5.9.2 Efeito dos perfis térmicos em PCBs “não montados” ................................................. 83
5.9.3 Efeito do envelhecimento e dos perfis térmicos (reflow) em PCBAs ............................. 85
5.9.4 Efeito do processo de soldagem por onda .................................................................. 87
5.10 Resistência mecânica das juntas de solda ......................................................................... 89
5.10.1 Resistência ao corte após o primeiro reflow ................................................................ 89
5.10.2 Resistência ao corte após segundo reflow .................................................................. 90
5.10.3 Resistência ao corte após soldagem por onda ............................................................ 90
5.10.4 Avaliação do modo de falha ....................................................................................... 91
5.11 Caracterização morfológica................................................................................................ 92
5.11.1 Topografia superficial do acabamento superficial HASL lead free ................................ 92
5.11.2 Composição química das interfaces ........................................................................... 95
Capitulo 6. Conclusões ..................................................................................................................... 99
Capitulo 7. Trabalhos futuros .......................................................................................................... 101
Referências Bibliográficas ............................................................................................................... 103
ANEXO I ......................................................................................................................................... 107
ANEXO II ........................................................................................................................................ 108
ANEXO III ....................................................................................................................................... 109
ANEXO IV ....................................................................................................................................... 110
ANEXO V ........................................................................................................................................ 112
xii
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB. ..................................................... 6
Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de
dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11].............................................................................. 7
Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12]. ............... 8
Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13]. ................................................................. 9
Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14]. ................... 10
Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin. ................. 13
Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no
acabamento HASL [8]. ..................................................................................................................... 14
Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL......................................................................... 15
Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8]. ................... 15
Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH.
........................................................................................................................................................ 19
Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população. ........................... 20
Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola. ............. 21
Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda. ...................................................................... 22
Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3]. ......................................................... 25
Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31]. .............................. 28
Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1]. ............................................................. 29
Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33]. ......................................................................... 30
Figura 18. Sequência típica de etapas para a produção de um PCBA (Bosch). ................................... 30
Figura 19. Equipamento de impressão de pasta EKRA [35]. .............................................................. 31
Figura 20. Equipamento de inserção de componentes Siplace. a) Equipamento Siplace; b) Alimentador
de componentes; c) Nozzles do equipamento [36, 37]. ..................................................................... 32
Figura 21. Diversos métodos de soldagem por reflow [Adaptado de 3]. .............................................. 33
Figura 22. Perfil térmico típico usado no processo de soldagem por reflow [16]. ................................ 34
xiv
Figura 23. Equipamento de soldagem por onda. a) Equipamento completo Vitronics-Soltec; b) Sistema
de fluxação por spray; c) Sistema de pré aquecimento; d) Sequência de ondas de solda fundida [38]. 36
Figura 24. Condições dos PCBs dos grupos de produção. ................................................................. 42
Figura 25. Fluxograma detalhado para cada grupo de produção de 25 PCBs. .................................... 43
Figura 26. Câmara Heraeus Voctsch HC 0020 utilizada para o envelhecimento dos PCBs. ................ 46
Figura 27. Forno de reflow REHM utilizado na produção dos produtos [43]. ...................................... 47
Figura 28. Perfil térmico nominal (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ....... 48
Figura 29. Perfil térmico nominal (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ..... 49
Figura 30. Perfil térmico máximo (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ....... 50
Figura 31. Perfil térmico máximo (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ..... 51
Figura 32. Perfil térmico nominal - soldagem por onda. ..................................................................... 53
Figura 33. Perfil térmico máximo - soldagem por onda. ..................................................................... 54
Figura 34. Equipamentos de inspeção. a) Equipamento de SPI; b) Equipamento de AOI [45, 46]. ...... 56
Figura 35. a) Microscópio ótico Leica; b) Equipamento de inspeção scanner de raios-X Phoenix [47]. 57
Figura 36. Sequência para obtenção de cortes seccionais. a) Corte em resina; b) Equipamento de
desbaste e polimento Struers; c) Ataque químico. ............................................................................. 58
Figura 37. Microscópio Keyence VHX-2000 [49]. .............................................................................. 59
Figura 38. Zonas de cortes seccionais. a) Lado inferior da placa; b) Lado superior da placa. .............. 59
Figura 39. Pontos de medição da zona 1. a) Vista geral da soldagem dos dois DFPs; b) Representação
dos pontos de medição realizados em cada pad; c) Detalhe da medição da espessura. ..................... 60
Figura 40. Pontos de medição da zona 2. a) Vista geral da soldagem do BGA; b) Representação dos
pontos de medição realizados em cada bola de solda; c) Detalhe da medição da espessura. ............. 61
Figura 41. Pontos de medição da zona 5. a) Vista geral da soldagem do componente TH; b)
Representação dos pontos de medição realizados em cada furo; c) Detalhe da medição da espessura.
........................................................................................................................................................ 61
Figura 42. Representação dos componentes analisados e suas posições. a) Desenho técnico da zona
de análise; b) Imagem real da zona de análise. ................................................................................. 63
Figura 43. Representação dos resultados práticos obtidos no ensaio de resistência ao corte. ............. 63
Figura 44. Resultados da impressão da liga de solda – altura. ........................................................... 66
Figura 45. Resultados de AOI. a) Resultados do lado inferior do PCB; b) Resultados do lado superior do
PCB. ................................................................................................................................................ 67
xv
Figura 46. Resultados de inspeção AOI - soldagem por onda. ............................................................ 68
Figura 47. Resultados do In Circuit Test. ........................................................................................... 69
Figura 48. Inspeção visual entre PCBs com e sem envelhecimento. .................................................. 70
Figura 49. Inspeção visual entre PCBs com duas passagens pelo forno de reflow. ............................. 71
Figura 50. Resultados da inspeção visual após os processos de soldagem. ....................................... 72
Figura 51. Resultados da inspeção por scanner de raios-X. ............................................................... 74
Figura 52. Cortes seccionais em PCBs com e sem envelhecimento. .................................................. 76
Figura 53. Comparação de PCB com PCB sujeito a duas passagens pelo forno com perfis máximos. 78
Figura 54. PCBAs após todos os processos de soldagem. ................................................................. 80
Figura 55. Espessura da camada intermetálica - efeito do envelhecimento. ....................................... 82
Figura 56. Crescimento intermetálico entre PCBs sem e com envelhecimento. .................................. 83
Figura 57. Espessura da camada intermetálica em PCBs após passagens no forno de reflow. a) DFP -
lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. ..................................................................................... 84
Figura 58. Imagens de MEV do pad do componente DFP. a) PCB após envelhecimento; b) PCB após
envelhecimento e duas passagens pelo forno com perfis máximos. ................................................... 85
Figura 59. Espessura da camada intermetálica em PCBAs sujeitos a todas as variáveis. a) DFP - lado
inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. ............................................................................................. 86
Figura 60. Imagens de MEV do pad do componente DFP soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do
grupo 4. ........................................................................................................................................... 86
Figura 61. Espessuras da camada intermetálica no furo do transformador. a) Condição inicial (PCB); b)
Após o primeiro reflow; c) Após o segundo reflow; d) Espessura da camada intermetálica do
transformador soldado. ..................................................................................................................... 87
Figura 62. Imagens de MEV do furo do transformador soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo
4 ...................................................................................................................................................... 88
Figura 63. Resultados da força máxima suportada após o primeiro reflow. ........................................ 89
Figura 64. Resultados da força máxima suportada após o segundo reflow. ........................................ 90
Figura 65. Resultados da força máxima suportada após a soldagem por onda. .................................. 91
Figura 66. Resultados dos modos de falha predominantes. ............................................................... 92
Figura 67. Zona analisada. a) Cortes das zonas do PCB; b) Imagem da zona específica de análise. ... 93
Figura 68. Imagens de MEV da análise da zona anterior. a) Superfície do pad; b) Superfície do pad
após duas passagens pelo forno. ...................................................................................................... 93
xvi
Figura 69. Análise EDS da zona anterior. a) Análise das partículas; b) Análise da superfície do
acabamento. .................................................................................................................................... 94
Figura 70. Imagem de EDS das duas zonas. a) Pad zona 1; b) Furo da zona 5. ................................. 95
Figura 71. Imagem de EDS das duas zonas após processos de soldagem. a) Pad zona 1; b) Furo da
zona 5. ............................................................................................................................................. 96
Figura 72. Tabela de conversão de temperatura húmida para humidade relativa. ............................ 107
Figura 73. Gráfico referente à temperatura de 85ºC para o envelhecimento. ................................... 107
Figura 74. Gráfico referente à temperatura húmida representando 75% humidade relativa. .............. 107
Figura 75. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado superior. ......................... 108
Figura 76. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado inferior. ........................... 108
Figura 77. Códigos de modos de falha de acordo com IEC 62137-1-2. ............................................ 109
Figura 78. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI – DFP lado inferior. ...................... 110
Figura 79. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - DFP lado superior. ..................... 110
Figura 80. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - BGA. .......................................... 111
Figura 81. Espectro referente a um ponto da camada intermetálica................................................. 112
Figura 82. Espectro referente a uma partícula dispersa da camada intermetálica. ........................... 112
Figura 83. Espectro referente à solda do centro da junta soldada. ................................................... 112
xvii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23]. ..................................................................................... 18
Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4]. .......................... 24
Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28]. ............................................ 25
Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho
[3]. ................................................................................................................................................... 27
Tabela 5. Defeitos comuns na produção de PCBAs [22, 39]. ............................................................. 40
Tabela 6. Diferentes pastas de solda utilizadas no presente trabalho [40-42]. .................................... 44
Tabela 7. Condições de Envelhecimento. .......................................................................................... 46
Tabela 8. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil nominal. ................................................ 47
Tabela 9. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. Inferior). ............................... 49
Tabela 10. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. superior). ............................ 51
Tabela 11. Tabela comparativa entre perfis nominais e máximos. ..................................................... 52
Tabela 12. Tabela comparativa entre os parâmetros da soldagem por onda. ..................................... 54
Tabela 13. Equipamento do teste, condições ambientais e standards aplicados. ................................ 62
Tabela 14. Medições de espessura do acabamento do DFP lado inferior da placa. ............................ 77
Tabela 15. Medição da espessura do acabamento para o BGA e DFP inseridos no segundo lado. ...... 77
Tabela 16. Medições de espessura do acabamento ao longo do furo do transformador. ..................... 77
Tabela 17. Espessura do acabamento superficial do DFP do lado inferior após duas passagens pelo
forno. ............................................................................................................................................... 79
Tabela 18. Espessuras do acabamento superficial após duas passagens pelo forno (componentes
segundo lado). .................................................................................................................................. 79
Tabela 19. Espessuras do acabamento superficial no furo do transformador após as duas passagens
pelo forno. ........................................................................................................................................ 79
Tabela 20. Composição química das partículas. ................................................................................ 94
Tabela 21. Composição química da zona 1 e 5. ................................................................................ 95
Tabela 22. Composição química da zona 1 e 5 após soldagem. ........................................................ 97
xviii
xix
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS
Ag Prata
AOI Automatic Optical Inspection
BGA Ball Grid Array
CET Coeficiente de Expansão Térmica
Cu Cobre
DFP Dual Flat Pack
EDS Espectroscopia de Dispersão de Energias
ENIG Electroless Nickel, Immersion Gold
FR-2 Flame Resistant 2
FR-4 Flame Resistant 4
HASL Hot Air Solder Levelling
ICT In Circuit Test
IPC Institute for Printed Circuit
MEV Microscopia Eletrónica de Varrimento
Ni Níquel
OSP Organic Surface Preservative
Pb Chumbo
PCB Printed Circuit Board
PCBA Printed Circuit Board Assembled
PTFE PoliTetraFluoroEtileno
QFP Quad Flat Pack
RoHS Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances
SMD Surface Mount Device
SMT Surface Mount Technology
Sn Estanho
SPI Solder Paste Inspection
TH Through Hole
WEEE Waste Electrical and Electronic Equipment
xx
Capitulo 1. Introdução Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
1
CAPITULO 1. INTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento
A indústria eletrónica é um dos ramos mais competitivos atualmente. O constante
desenvolvimento tecnológico faz com que cada empresa seja obrigada à inovação e otimização
contínua dos seus produtos.
Os produtos eletrónicos de hoje em dia funcionam com base em PCBs (Printed circuit boards –
Placas de circuito impresso). Os PCBs são a forma mais compacta de ligar componentes elétricos sem
a necessidade de fios. A miniaturização e o aumento da densidade de componentes nas placas de
circuito impresso levam a exigências acrescidas na produção, produtividade e custos, exigindo um
maior controlo sobre os processos de fabrico e soldagem dos PCBs [1].
A soldagem possibilita criar, transmitir, processar ou armazenar algum sinal ou estado
eletromagnético para executar a função desejada, proporcionando também a necessária integridade
estrutural para permitir a função elétrica de base [2]. Os processos mais utilizados industrialmente são
processos de soldagem por onda e soldagem por reflow [3].
Até 2006 a principal pasta de solda utilizada na indústria eletrónica era constituída por uma liga
eutéctica de estanho e chumbo (Sn63Pb37). Esta pasta é constituída por partículas de liga metálica e
por um fluxo (resina, ativadores, aditivos reológicos e solventes) [4].
A partir de 2006 foram implementadas as diretivas europeias do ambiente, restringindo o uso de
substâncias específicas consideradas perigosas (RoHS) e de resíduos de equipamentos elétricos e
Capitulo 1. Introdução Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
2
eletrónicos (WEEE). Com estas diretivas pretende-se diminuir/eliminar a utilização de chumbo, entre
outros materiais, em montagens eletrónicas devido aos efeitos nocivos que estes acarretam quer para
o ambiente, quer para a saúde humana. [5, 6].
A proibição do chumbo nos produtos eletrónicos levou a indústria a preocupar-se com os seus
processos de soldagem, visto que as pastas de solda alternativas à tradicional Sn-Pb têm, entre outras
características, ponto de fusão superior. O ponto de fusão superior leva a que as temperaturas de
processamento sejam superiores, o que por sua vez se traduz em tempos excessivos de soldagem a
que o PCB e os componentes estarão sujeitos, podendo aumentar o número de defeitos e diminuir a
fiabilidade dos produtos [4, 7, 8].
De forma a cumprir a legislação e o objetivo de transição/ uso para pastas de solda sem chumbo
os processos tiveram de ser ajustados, sendo que os três principais elementos a serem revistos são a
pasta de solda, os componentes e os acabamentos superficiais. O acabamento superficial consiste
numa camada protetora aplicado na camada superficial de cobre do PCB, o qual acaba por ser
dissolvido pela solda no decorrer dos processos de soldagem.
A BOSCH Car Multimedia Portugal procura adaptar-se às restrições de processamento tornando
todos os seus produtos livres de chumbo. Nesse sentido existe a produção de PCBs com acabamento
superficial HASL (Hot Air Solder Leveling-Solda nivelada por ar quente), contudo este acabamento é
utilizado em soldagens com e sem chumbo. A avaliação deste tipo de acabamento nos processos
BOSCH de soldagem sem chumbo é o objetivo principal desta dissertação.
1.2 Objetivos
Com a necessidade de alteração de todos os processos para processos “lead free” e tendo caído
em desuso o acabamento superficial mais usado até esta alteração, pretende-se avaliar se este tipo de
acabamento pode ser reintroduzido nos processos de soldagem BOSCH. Assim, o objetivo desta
dissertação passa por avaliar o efeito nas juntas soldadas e nas camadas intermetálicas do
acabamento superficial HASL dos PCBs e a influência neste dos processos de soldagem.
De forma mais específica, esta dissertação foca-se no seguinte objetivo:
Capitulo 1. Introdução Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
3
Avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos de soldagem na morfologia,
composição química e na resistência mecânica (resistência ao corte à temperatura ambiente)
das juntas de solda.
1.3 Estrutura da dissertação
No capítulo 1 é apresentada uma breve introdução ao tema da dissertação, onde são
apresentadas as motivações à realização deste estudo bem como os objetivos a atingir.
O capítulo 2 aborda o tópico sobre o que é um PCB, as diferentes classificações de PCBs, bem
como o seu desenvolvimento ao longo do tempo. Neste capítulo são ainda apresentados os diferentes
acabamentos superficiais aplicados aos PCBs, dando enfoque ao acabamento superficial HASL.
No capítulo 3 é feita a revisão dos vários tópicos associados à soldagem na indústria eletrónica.
Passando desde a produção de PCBAs, tipos de componentes eletrónicos, as diferentes tecnologias de
montagem até aos princípios básicos da soldagem e às diferentes etapas que precedem os diferentes
processos de soldagem. Ainda neste capítulo é abordado o tópico das camadas intermetálicas e uma
descrição do estado da arte no que diz respeito a todos os tópicos aqui revistos.
No capítulo 4 são apresentadas as técnicas de caracterização bem como os materiais e os
parâmetros utilizados nos processos de soldagem.
O capítulo 5 será onde todas as técnicas, testes e resultados experimentais serão apresentados de
forma a atingir os objetivos da dissertação, descrevendo em que condições se realizaram as diferentes
técnicas de caracterização e os respetivos resultados.
No capítulo 6 são apresentadas as conclusões da dissertação, baseadas nos resultados obtidos
tendo em perspetiva os objetivos a atingir.
Finalmente no capítulo 7 são apresentadas propostas de trabalhos futuros, entre as quais
propostas de testes de fiabilidade que complementariam toda a caracterização deste acabamento
superficial.
Capitulo 1. Introdução Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
4
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
5
CAPITULO 2. OS PCBS
2.1 Printed Circuit Board (PCB)
Os equipamentos eletrónicos são uma combinação de componentes elétricos e eletrónicos
montados em PCBs de forma a produzirem a função para a qual foram concebidos [9].
O PCB foi patenteado pela primeira vez em 1943 por Paul Eisler e é responsável pelo suporte
mecânico dos componentes eletrónicos e pela conectividade elétrica do circuito. O PCB é constituído
por um substrato de fibra de vidro impregnado em resina epóxi que possui circuitos metálicos
impressos de cobre de face simples ou multicamada, sendo estes últimos os mais utilizados hoje em
dia [10].
Um PCB, além de ser constituído pelo material base FR-4 (resina epóxi e fibra de vidro) e pelas
pistas de cobre possui pads (terminais) de cobre, locais onde é feita a ligação dos componentes
elétricos superficiais (SMD) ao PCB, e ainda vias condutoras, que são furos metalizados que
atravessam completamente o PCB para a ligação de componentes TH [9]. A figura 1 apresenta uma
representação esquemática da constituição de um PCB.
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
6
Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB.
2.1.1 Classificação dos PCBs
Os PCBs podem ser classificados segundo vários aspetos, o que torna a sua classificação confusa
e ambígua. No entanto, é comum a classificação dos PCBs ser feita em três classes, segundo a
aplicação a que se destinavam os produtos, nesse sentido diz-se que existem: PCBs de consumo,
PCBs profissionais e PCBs de alta fiabilidade. Esta classificação é feita por ordem crescente no que
toca aos requisitos dos produtos, ou seja, pela ordem acima referida os produtos são de classe para
classe mais caros, mais complexos, com maior exigência na qualidade e com elevado controlo dos
processos de produção [9].
Hoje em dia utiliza-se uma classificação de PCBs mais simples e compreensível, que consiste na
quantidade de camadas de cobre que cada placa contém. Assim sendo, existem os seguintes tipos de
PCBs [9, 11]:
PCB de face simples: consiste numa placa onde apenas um dos lados do substrato contém o
circuito impresso de cobre, denominado de lado da solda, onde anteriormente eram montados
componentes TH, ficando o corpo do componente do lado oposto [11]; Hoje em dia estes
PCBs (figura 2 (a)) são pouco utilizados;
PCB de dupla face: como o próprio nome indica, este tipo de placa contém o circuito de cobre
nos dois lados do material isolante, possibilitando uma maior densidade de componentes e
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
7
simultaneamente a montagem de componentes SMD e TH [11]; A figura 2 (b) apresenta este
tipo de PCB.
PCB de multicamada: este tipo de placas é constituído por várias camadas de circuitos de
cobre, e é utilizado em situações onde a densidade de ligações necessárias é demasiado alta
para se usar apenas duas camadas; O uso destes PCBs tem facilitado a redução do peso e
volume das ligações, que são proporcionais ao tamanho e peso dos componentes que ligam;
Normalmente são usadas em produtos de grande complexidade, com elevada performance e
mais caros, no entanto hoje em dia com o desenvolvimento da tecnologia e a produção em
massa, placas com 4 ou 6 camadas são já produzidas com quase a mesma facilidade com
que as de dupla face [9, 11]; Na figura 2 (c) está representada um PCB com multicamada.
Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11].
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
8
Além das classificações anteriores, os PCBs podem ser também classificados segundo o tipo de
material de isolamento, existindo assim placas rígidas, constituídas por vários tipos de materiais,
placas semirrígidas, que consistem na combinação de placas rígidas e flexíveis, em que as partes
rígidas suportam os componentes que estão conectadas pelas partes flexíveis [9, 12].
Por fim, existem ainda as placas flexíveis constituídas por substratos de poliéster ou poliamida,
com espessuras na gama de 0,1mm. Estas placas contêm cobre nas faces, podendo ser de face
simples, dupla ou multicamada, sendo que as mais utilizadas são de face simples. Este tipo de
produtos é volumetricamente eficiente sendo por isso usados amplamente em equipamentos
eletrónicos [9, 12]. Na figura 3 observa-se uma representação esquemática dos diversos tipos de
placas flexíveis.
Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12].
2.1.2 Percurso histórico
A grande evolução dos PCBs é relativamente recente, no entanto durante o ano de 1904 Frank
Sprague, fundador da Elétrica Sprague e aprendiz de Thomas Edison, teve a ideia de eliminar a
soldagem por fio ponto a ponto [9].
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
9
Apenas em 1925 Charles Ducas, fez a primeira contribuição significativa para a evolução dos
PCBs, quando decidiu patentear a sua proposta de montagem de depósitos de metais elétricos
diretamente no material isolante, de forma a simplificar a construção de aparelhos elétricos [9, 13].
Entre 1925 e 1935 várias patentes foram criadas devido aos desenvolvimentos ocorridos na
fabricação dos PCBs, mais especificamente o desenvolvimento de diferentes métodos de aplicação do
metal condutor sobre o substrato isolante [9]. Este foi o início dos processos aditivos e subtrativos
utilizados hoje em dia. O processo aditivo consiste na adição da pista condutora à superfície de
material base. Por outro lado, no processo subtrativo o material base já contém a superfície coberta
com a camada condutora, posteriormente é transferido o padrão desejado e o excesso do material
condutor é removido deixando apenas o padrão desejado [11].
A maior contribuição para o desenvolvimento da tecnologia de circuitos impresso foi dada por Paul
Eisler em 1943, que propunha a aplicação de um revestimento de cobre em forma de folha sobre o
material isolante, de forma a ser usado posteriormente como o material base para a produção da placa
de circuito [9, 13]. Paul Eisler propôs também a utilização de folhas condutoras nos dois lados da
placa, onde seriam interligadas eletricamente através de through eyelets, em detrimento da tecnologia
TH que mais tarde se transformou na principal tecnologia de PCBs [9].
Mais tarde na década de 1970, as placas de circuito impresso entram firmemente na maioria dos
ramos da eletrónica. Desde então todos os processos envolvidos na produção de PCBs têm sido alvo
de investigação e desenvolvimento, com o objetivo de se obterem produtos com qualidade e mais
complexos possíveis [9].
Na figura 4, é possível observar-se Paul Eisler e o seu rádio.
Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13].
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
10
Relativamente ao material de base utilizado na produção dos PCBs, aquando da produção apenas
de PCBs de face simples, era usual recorrer à utilização de substratos à base de papel e de uma resina
fenólica de baixo custo, denominados XPC-FR [10]. Na Europa usavam o mesmo tipo de fenolite (FR-2),
mas de maior qualidade que emitia menor odor quando submetida a alta tensão ou alta temperatura,
enquanto nos EUA utilizavam um compósito de papel e vidro impregnado em resina epóxi (CEM-1), um
material com maior resistência mecânica mas de maior custo, em comparação com as soluções
anteriormente referidas [10].
A produção das placas de FR-2 era relativamente simples, consistindo na moldação e prensagem
a quente. No entanto, estas placas eram altamente higroscópicas, o que levava à deterioração das
suas características isolantes [13].
Durante os anos 60 surgirão as placas de FR-4, constituídas por resina epóxi e fibra de vidro. Este
tipo de placa apresenta qualidade superior às anteriores FR-2, superando os problemas de absorção de
humidade, conferindo assim boas propriedades isolantes e estabilidade dimensional [13]. Este é o tipo
de PCBs mais usado hoje em dia, no entanto para casos onde é necessário polarização dielétrica
surgiram as placas de PTFE (PoliTetraFluoroEtileno – Polímero usualmente conhecido por teflon), ou
placas de poliamida ou poliéster, bastante utilizadas em placas de circuitos flexíveis [13].
2.2 Acabamentos Superficiais do PCB
Um acabamento superficial pode ser definido como um revestimento aplicado na camada
superficial de um PCB, o qual é dissolvido na liga de solda aquando do processo de soldagem. Na
figura 5 está representado esquematicamente um acabamento superficial.
Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14].
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
11
Após a produção do PCB, é necessário proteger o cobre com um acabamento superficial final
para evitar a sua oxidação [14, 15]. O acabamento superficial pode servir várias funções inter-
relacionadas, tais como [16]:
Providenciar uma superfície soldável para formar uma forte junta de solda;
Proteger os circuitos de cobre subjacentes à oxidação, ou outras formas de corrosão, até à
montagem;
Providenciar uma barreira para minimizar a dissolução de cobre durante os processos de
soldagem.
Como referido anteriormente, prevenir a oxidação é de extrema importância, pois uma
soldabilidade consistente de pads e PTH (Plated Through holes) é uma condição essencial para
processos de soldagem com uma reduzida taxa de defeitos/rejeição de produtos [3].
Existem vários tipos de acabamentos superficiais, o que dá origem ao aparecimento de interfaces
diferentes, o que por sua vez influencia a microestrutura e propriedades mecânicas das juntas de solda
[8, 17]. Quando falamos de espessuras de ligação menores que 100µm, o efeito da interface
solda/substrato vai ser bastante importante. Com ligações tão finas as propriedades da junta irão
resultar não só da liga de solda utilizada, mas também da formação de compostos intermetálicos os
quais terão grande influência na fiabilidade da junta [17, 18].
Até aos anos 90 a melhor alternativa era o uso da pasta de estanho-chumbo (SN63/Pb37)
aplicada pelo processo de HASL. No entanto com a implementação das diretivas europeias RoHs e
WEEE, proibindo a utilização de chumbo e também pelas limitações técnicas do HASL, que
começaram a ser reconhecidas a este acabamento, surgiu então a necessidade da utilização de novas
técnicas [16].
Dos vários acabamentos superficiais é de destacar os mais usados [10, 14-16]:
Organic Solderability Preservative – OSP: o acabamento OSP (figura 6 a)) consiste num
revestimento orgânico que protege a superfície de cobre até aos processos de soldagem,
tipicamente formam camadas de espessura entre 0,2 e 0,5µm; Esta camada orgânica irá
preservar o cobre até que a placa passe por algum processo térmico que removerá esta
camada [10]; Este tipo de acabamento é bastante usado em alternativa ao HASL “leaded” e
mesmo em comparação com as alternativas para lead free, pois é um método barato, de fácil
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
12
aplicação e que apresenta uma superfície regular e plana [16, 19]; No entanto, como é incolor
é de difícil inspeção, apresenta problemas em aguentar várias passagens por processos
térmicos e de espalhamento, deixando parte da superfície dos pads sujeita a oxidação; e
apresenta tempo de vida reduzido em armazenamento (6-12 meses) [14, 16];
Electroless Nickel/ Imersion Gold – ENIG: este tipo de acabamento (figura 6 b)) consiste
na imersão do PCB num banho onde se deposita uma camada de níquel, através de um
agente redutor, que pode apresentar 3 a 6µm de espessura; É um processo onde não se
aplica corrente em que, após a primeira etapa, passa por uma imersão num banho de ouro,
onde uma fina camada de ouro é depositada sobre a camada de níquel com espessura
compreendida entre 0,05 e 0,10µm [10, 16]; Durante a soldagem com este tipo de
acabamento, uma parte de ouro dissolve-se deixando uma camada de níquel livre não oxidada
para se formar a ligação com a liga de solda [16]; Este tipo de acabamento apresenta ótima
coplanaridade e molhabilidade, a camada de níquel previne a dissolução de cobre e apresenta
um tempo de vida superior a 12 meses em armazenamento; Por outro lado é um acabamento
dispendioso, com um processo que requer um apertado controlo e uma vez que a camada de
ouro é fina e porosa, o níquel pode migrar para a superfície oxidando e prejudicando a
soldabilidade, dando origem a um defeito denominado de Black Pad que poderá obrigar à
reparação ou rejeição desses produtos [16].
Imersion Tin: como o próprio nome indica é um processo de imersão da placa num banho
de estanho (figura 6 c)) para formar uma densa camada de estanho sobre o cobre exposto
[16]; Neste tipo de acabamento as dimensões estão diretamente relacionadas com a formação
dos seus compostos intermetálicos, no entanto a espessura varia entre 0,8 e 1,2µm; Este
processo é relativamente simples, o acabamento apresenta uma boa coplanaridade e um
tempo de vida superior a 12 meses em condições próprias. Por outro lado, é necessário um
apertado controlo para prevenir o crescimento de filamentos de estanho que podem resultar
em curto-circuito e deve ainda apresentar uma camada de estanho puro à superfície para
prevenir problemas de molhabilidade e soldabilidade caso os compostos intermetálicos se
prolonguem até à superfície [16].
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
13
Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin.
Como esta dissertação se irá focar no acabamento superficial HASL, o subcapítulo que se segue
será exclusivamente dedicado a esse acabamento.
2.2.1 Hot Air Solder Leveling – HASL “lead free”
Como referido anteriormente, até à imposição das diretivas europeias o acabamento HASL
(Sn63Pb37) era de longe o mais utilizado, por ser essencialmente constituído pela mesma pasta de
solda usada para a soldagem dos componentes, conferindo assim uma melhor compatibilidade a nível
metalúrgico [3, 16]. Como refere Willis [20], “Nothing solders like solder”, ou seja, nada seria um
melhor acabamento do que a própria pasta de solda utilizada na soldagem do componente.
Com a alteração dos processos para lead free existiram aspetos que tiveram de ser levados em
conta, mais especificamente [16]:
Temperaturas de processo superiores;
Maior tempo de contacto;
Pré aquecimento da placa;
O uso de óleos e fluxos com elevada resistência à temperatura;
Aumentar o controlo da composição da pasta, devido à dissolução de cobre superior que
ocorre com pasta de solda lead free.
Durante o processo HASL o solder mask tem a necessidade de ser limpo e gravado para preparar
a superfície para o contacto com a pasta de solda. De seguida ocorre a aplicação de fluxo, a placa é
pré aquecida e imersa num banho de liga de solda lead free, normalmente de estanho fundido entre
260 e 270ºC durante tempo suficiente para ocorrer a molhagem do cobre. Após a imersão da placa,
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
14
esta passa por um conjunto de facas de ar quente de forma a nivelar a espessura de metal líquido
sobre o PCB [8].
Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no acabamento HASL [8].
Usualmente as facas de ar quente (figura 7) são desniveladas entre elas, podendo mesmo operar
a pressões diferentes, de forma a garantirem as espessuras necessárias de cada lado do PCB e a
promover a remoção da liga de dentro dos furos [3, 8]. Segundo Shepherd, Bath e Willis [16, 20] com
este processo é possível obter espessuras na ordem dos 2 a 15µm, no entanto a experiência prática
com os produtos Bosch revelou ser possível obter espessuras entre 2 e 80µm [21].
Este acabamento é preferencial a outro devido essencialmente aos seguintes aspetos [8, 14]:
Permite acabamentos de maior espessura e assegura boa soldabilidade, mesmo em períodos
longos de armazenamento incontrolado;
Garante boa soldabilidade mesmo após ciclos térmicos de soldagem por reflow e consegue
melhor enchimento dos furos na soldagem por onda, em comparação com os outros
acabamentos;
Processo simples e barato.
Contudo, como qualquer outro processo, têm as suas desvantagens, sendo as principais [8, 19]:
Fraca coplanaridade devido à inconsistente espessura do acabamento (figura 8);
Usa temperaturas elevadas de processo que podem danificar o PCB.
Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
15
Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL.
Um aspeto de grande importância é a tensão superficial, pois, juntamente com o volume de liga
de solda deixada nos pads após a passagem pelas facas de ar, desempenha o maior papel na
determinação do perfil do acabamento [8]. Na figura 9 é possível observar que, dependendo da
maneira como as forças de tensão superficial operam, existe a tendência de o acabamento ser mais
espesso em pads pequenos [8].
Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8].
Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
16
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
17
CAPITULO 3. SOLDAGEM NA INDÚSTRIA ELETRÓNICA
3.1 Produção de PCBAs (printed circuit board assembled)
O termo PCBAs é referente à etapa seguinte à produção do PCB, isto é, à montagem dos
componentes na placa e sua respetiva soldagem.
No que diz respeito à obtenção de um produto final, existem empresas responsáveis pela
produção apenas do PCB, empresas que produzem a placa e fazem a respetiva montagem, sendo
estas menos comuns e empresas que só fazem a montagem e soldagem dos componentes ao PCB. A
Bosch Car Multimédia Portugal é uma das empresas que não é responsável pela produção do PCB,
mas sim pela montagem dos componentes e processos de soldagem dos mesmos.
Diferentes produtos desempenham diferentes funções, logo necessitam de diferentes
componentes eletrónicos e diferentes processos de soldagem, o que por sua vez implica o uso de
diferentes procedimentos, equipamentos, materiais e condições que irão caracterizar a obtenção de
um produto em específico [3].
Assim, a produção de um PCBA pode englobar inúmeros processos de manutenção do PCB e
outros tantos processos ligados aos componentes elétricos, como a inserção, fixação, soldagem,
proteção (através da aplicação de revestimentos contra a humidade ou extratores de calor), processos
de inspeção e montagem final dos produtos [4].
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
18
3.1.1 Componentes eletrónicos
Os componentes eletrónicos de forma simplista podem ser definidos como elementos eletrónicos
que transmitem corrente elétrica [10]. Normalmente, a ligação dos componentes ao PCB ocorre
através de pernos de ligação ou de pads metálicos e, esses componentes, uma vez montados ficam
interligados entre si [10].
Quando se fala de componentes eletrónicos, deve-se fazer referência a dois tipos de tecnologias
de montagem, isto é, ou os pads possuem furos para a montagem dos componentes TH ou são
montados diretamente na superfície dos pads, componentes SMD, sendo também possível ter a
montagem de componentes segundo estas duas tecnologias no mesmo PCB, o que é o caso mais
usual hoje dia [3, 10].
Na tabela 1 pode ver-se um conjunto de componentes SMD e TH utilizados na indústria eletrónica
[22, 23].
Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23].
Componentes SMD Componentes TH
QFP (Quad Flat Pack)
BGA (Ball Grid Array)
DIP (Dual Inline Package)
Condensadores eletrolíticos
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
19
3.1.2 Through Hole Technology
Como mencionado anteriormente, este tipo de tecnologia de montagem usa componentes com
pinos que são inseridos em furos que atravessam o PCB e que estão conectados eletricamente a todo
o circuito, sendo posteriormente soldados. Esta tecnologia é usada desde os anos 20, onde os
componentes eram soldados ponto a ponto, no entanto só teve grande destaque com o aparecimento
da soldagem por onda, no início dos anos 60 [3, 10].
A grande desvantagem deste tipo de tecnologia é a de que os componentes TH são, regra geral,
grandes dispositivos, o que não permite placas de circuito com grande densidade de componentes,
limitando as funções do PCB, a miniaturização e densificação dos produtos. Na figura 10 é possível
observar uma placa de circuito com tecnologia TH [10].
Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH.
Por outro lado esta tecnologia permitia a redução de custos em algumas aplicações, uma vez que
este tipo de componente é normalmente montado manualmente, e mesmo quando o processo é
automático os custos associados a equipamentos e à produção podem ser inferiores aos associados à
montagem SMT e ao seu processo de soldagem por eleição, soldagem por reflow [10].
3.1.3 Surface Mount Technology
No processo de montagem SMT, os componentes são montados e soldados em pads à superfície
da placa, permitindo assim montagens só num lado ou nos dois lados da placa. Este tipo de
montagem é automático durante todo o processo de produção, desde a aplicação da pasta, inserção
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
20
de componentes e fusão da pasta, isto porque estes componentes são muito pequenos, sensíveis e
necessitam de grande precisão e controlo em todos os parâmetros do processo [3, 10].
Os componentes eletrónicos criados desta forma são denominados dispositivos de montagem
superficial e possuem terminais curtos ou não possuem terminais [4].
A tecnologia SMT teve início antes dos anos 60, aquando do desenvolvimento de um
microcircuito híbrido com substrato cerâmico, onde era difícil a colocação de furos. No entanto, só nos
anos 80 é que se tornou relevante, permitindo o uso de componentes mais pequenos e a produção de
placas com grande densidade de componentes, contribuindo assim para a miniaturização e
funcionalidade das placas de circuito impresso [3, 10].
Na figura 11 pode observar-se uma placa com processo de montagem SMT, onde se vê
claramente a evolução na miniaturização e complexidade das placas.
Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população.
3.1.4 Combinação das tecnologias TH e SMT
Hoje em dia a utilização das duas tecnologias, TH e SMT, na mesma placa é uma prática
recorrente. Nestes casos, é usual começar com a soldagem de componentes SMD no topo da placa
pelo processo de reflow. Os componentes TH iriam interferir com os processos de impressão de pasta
e inserção dos SMD, por isso são soldados posteriormente e pela parte inferior da placa, pelo processo
de onda [10].
Nos casos em que existem componentes SMD também na parte inferior da placa, estes podem
ser soldados também pelo processo de onda, no entanto necessitam de ser seguros à placa pela
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
21
colocação de pontos de cola, antes de passarem pelo processo de onda, como se pode observar na
figura 12 [3, 10].
Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola.
3.2 Princípios de soldagem
A “arte” de juntar materiais similares ou dissimilares, advém do início da humanidade com o
intuito de criar ferramentas, produzir produtos até à edificação de estruturas [2]. Como qualquer outro
tipo de tecnologia, o seu desenvolvimento ocorreu naturalmente com o passar dos tempos e hoje em
dia podem-se “juntar” vários materiais, de várias maneiras e recorrendo a processos sofisticados [2].
A junção de materiais pode ser requerida para que o conjunto desempenhe um determinado
conjunto de funções, de onde se destacam três principais categorias: conferir funções estruturais,
mecânicas e elétricas [2].
Existem diversas técnicas de ligação de materiais. Brasagem, soldadura, soldagem são alguns
exemplos [2].
Soldadura: É o processo, mais comum, de unir dois ou mais materiais através da aplicação de
temperatura ou pressão ou a combinação dos dois para permitir que a ligação ocorra. Neste
caso ocorre a fusão dos dois materiais a ligar;
Brasagem: Este processo é caracterizado pela utilização de um material de enchimento que irá
fundir a temperaturas superiores a 450ºC de forma a ligar os dois materiais de base;
Soldagem: À semelhança do caso anterior, a soldagem utiliza também um material de
enchimento. O processo de soldagem distingue-se do anterior pela temperatura de fusão até
450ºC do material de enchimento.
Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com
acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem
22
No caso do presente trabalho, estamos perante processos de soldagem, mais especificamente
soldagem por reflow e por onda. Na figura 13 está representado o sistema da junta de solda que se
pode formar na indústria eletrónica.
Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda.
3.2.1 Principais aspetos físicos e químicos da soldagem
A soldagem não é uma simples ligação física de dois materiais, passa pela formação química de
uma ligação intermolecular [9]. Para entender o que acontece na formação de uma junta de solda é
necessário compreender os aspetos básicos que afetam a soldagem [24].
De forma a obter-se uma junta de solda com qualidade é necessário controlar vários parâmetros e
condições, como os diferentes materiais da pasta, do componente e do acabamento superficial, mas
também as condições de processamento [9, 24].
Todos os processos de soldagem têm as suas próprias características, no entanto, estes diferem
entre si pela forma como a temperatura, o fluxo e a pasta de solda são aplicadas. Para conseguir uma
boa soldabilidade por toda a placa é necessário o uso de um perfil de temperatura adequado, na
verdade este é um ponto essencial de forma a garantir que o máximo de temperatura a que os
componentes estarão sujeitos não é comprometido.
Os parâmetros e condições possíveis de controlar de forma a conseguir uma boa junta de solda
são numa primeira instância a escolha correta da pasta de solda, tendo em conta a granulometria das
partículas, suas propriedades e do fluxo. Por outro lado, a correta definição do perfil térmico desde as
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velocidades de aquecimento e arrefecimento, a temperatura máxima e o tempo de cada estágio, irão
definir os requisitos e propriedades das juntas a formar.
A escolha da pasta de solda, dos componentes a soldar e os parâmetros referidos anteriormente
terão influência nas condições de molhabilidade da solda sobre o substrato, nas diferenças entre os
vários coeficientes de expansão térmica dos materiais a ligar bem como nas propriedades mecânicas
da junta obtida [24, 25].
3.3 Pastas de solda
3.3.1 Pastas de solda
A pasta de solda como mencionado anteriormente, é constituída por partículas de uma liga
metálica e fluxo que serve de veículo. Quando o ponto de fusão da pasta é atingido, as partículas
coalescem formando uma massa liquida uniforme que em contacto com o pad tende a formar
compostos intermetálicos nas interfaces [4].
Do ponto de vista dos processos de soldagem, as características relevantes das pastas de solda
são: o tamanho das partículas, a sua metalurgia, a sensibilidade à temperatura e humidade, o tipo de
fluxo e seus resíduos, a viscosidade, etc. Dito isto, a viscosidade é na verdade uma das características
mais importantes devido às características de escoamento da mistura. Por outro lado, o tamanho das
partículas e a sua distribuição influência as características da impressão da pasta [4].
A escolha da pasta de solda passa também pelo tamanho das partículas uma vez que para casos
específicos de distâncias entre pads muito reduzidas (≈0,5mm) não se podem utilizar pastas com
partículas de dimensões exageradas. Na tabela 2, apresentam-se as classificações das pastas de solda
de acordo com o tamanho de partículas [4].
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Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4].
Tipo de liga
de solda
Intervalo de tamanho
de partículas. No
mínimo 80%
(µm)
Tamanho
máximo
(µm)
Tamanho de
partículas mínimo.
Menos de 1%
(µm)
Tamanho de
partículas mínimo.
Menos de 10%
(µm)
I 150 – 75 160 150 20
II 75 – 45 80 75 20
III 45 – 25 50 45 20
IV 38 – 20 40 38 20
V 25 – 15 30 25 15
VI 15 – 5 20 15 5
A composição e propriedades da pasta, aquando da soldagem, irão formar diferentes compostos
intermetálicos que por sua vez influenciarão a microestrutura e propriedades das juntas [3, 4].
Um dos pontos mais importantes na soldagem é a temperatura de soldagem, ou seja, todas as
partes a serem soldadas devem atingir a temperatura em que a solda se funde e molha as superfícies.
No entanto, o atingir da temperatura de fusão das pastas de solda pode significar o uso de
temperaturas que podem danificar componentes não permitindo o seu correto funcionamento. Esta
questão teve grande relevância com o uso das pastas de solda lead free. Quando se procedeu ao uso
de pastas ternárias, industrialmente, continuou-se a usar o termo temperatura de fusão, sendo que no
caso destas pastas esta temperatura corresponde à temperatura de liquidus.
A pasta mais estudada e usada sempre foi a pasta Sn63b37, com uma temperatura de fusão de
183ºC, no entanto com a imposição das diretivas europeias do ambiente, diferentes pastas lead free
foram desenvolvidas, tabela 3. As pastas de solda Sn-Ag-Cu (SAC) tornaram-se a principal alternativa
como pasta lead free, devido à sua boa molhabilidade, resistência à fadiga e plasticidade, quando
comparadas com outras pastas lead free. Contrariamente às suas antecessoras, as pastas SAC
apresentam um ponto de fusão superior (217 a 221ºC) e devido à sua composição podem criar
diferentes compostos intermetálicos influenciando as propriedades das juntas soldadas [4, 27].
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Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28].
Pasta de
solda
Ponto de fusão
(ºC)
Temperatura de
operação (ºC)
Janela de processo
(ºC)
Sn-Pb 183 250 – 260 67 – 77
Sn-Ag-Cu 217 265 – 270 48 – 53
Sn-Cu-Ni 227 265 – 270 38 – 43
Devido à diferença de temperaturas observadas com as diferentes pastas, recorre-se
frequentemente a uma etapa de pré aquecimento nos processos de soldagem de forma a prevenir o
choque térmico, facilitar o molhamento e também para ativar o fluxo [9, 16].
3.3.2 Fluxos
O sucesso de qualquer operação de soldagem depende da condição e do comportamento das
duas superfícies em contacto, o substrato e a solda fundida. O fluxo tem de atuar sobre estas duas
superfícies [3].
Durante o tempo de contacto, o fluxo deve remover completamente todos os óxidos superficiais
tanto do substrato como da solda para que nada interfira na reação entre os dois. No entanto, durante
a reação que ocorre a temperaturas, usualmente, acima de 200ºC, o fluxo deve evitar a formação de
novos óxidos. Na figura 14, está representada esquematicamente a função do fluxo [3].
Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3].
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Os fluxos, na sua maioria, são inertes à temperatura ambiente mas altamente redutores a altas
temperaturas, o que retarda e/ou evita a formação de óxidos. Além da remoção dos óxidos os fluxos
têm como segunda função facilitar o molhamento durante a soldagem, aumentando a tensão
superficial e promovendo a molhabilidade [4].
Existem vários tipos de fluxos, desde fluxos solúveis em água a fluxos resinosos.
Os Fluxos resinosos têm diferentes níveis de atividade. Os de maior concentração de agentes
ativos favorecem a remoção de óxidos e a molhabilidade. Este tipo de fluxo pode requerer ou não a
limpeza da placa após a soldagem, dependendo do nível de ativação do fluxo. Os fluxos solúveis em
água podem ser orgânicos ou não e normalmente é necessário proceder à limpeza das placas. Existem
ainda fluxos “no-clean” que não necessitam de limpeza, pois os resíduos sólidos presentes na placa
após soldagem são mínimos [3].
3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base
A reação entre o metal que será soldado (substrato) e a solda fundida é uma reação exotérmica e
autossustentada, isto é, não requer uma fonte de energia externa para continuar, uma vez que seja
iniciada. Durante o contacto entre o cobre e a liga fundida átomos de cobre tendem a difundir no metal
liquido. Junto à superfície de cobre a concentração de átomos é elevada formando assim uma interface
com composição diferente da liga metálica. Esta interface designa-se de camada intermetálica [3].
Normalmente esta interface é considerada o ponto de maior fragilidade do conjunto das partes a
ligar. Isto porque tipicamente estes compostos são duros e frágeis, podendo constituir zonas propícias
para a formação de fissuras ou fraturas. Dito isto, os compostos intermetálicos são o indicativo da
ligação química na interface e se o processo de soldagem formou uma boa ligação. No entanto os
compostos intermetálicos podem influenciar as propriedades das juntas, assim como influenciar os
processos de molhamento e de ligação [29].
Estes produtos de reação formam uma camada inicial durante o processo de soldagem que
continua a crescer no estado sólido, e especialmente a temperaturas elevadas, até um ponto em que
as camadas já formadas impedem o transporte de reagentes adicionais [29].
O crescimento da camada intermetálica segue um crescimento parabólico que pode ser expresso
pela equação 1:
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Onde,
X – é a espessura da camada intermetálica
t – é o tempo
k – é uma constante de crescimento a uma temperatura especifica
No caso do presente estudo está-se perante camadas intermetálicas características, devido ao
sistema Sn-Cu formado durante o acabamento superficial, e o sistema Sn-Ag-Cu referente à pasta de
solda usada. Na tabela 4, podem-se observar diferentes compostos intermetálicos que se formam em
diferentes substratos.
Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho [3].
Substrato do pad Compostos intermetálicos
Cu Cu3Sn (Ɛ); Cu6Sn5 (ƞ)
Ni Ni3Sn2, Ni3Sn4, Ni3Sn7
Fe FeSn, FeSn2
Ag Ag3Sn
Estes sistemas irão produzir diferentes compostos intermetálicos que no seu conjunto irão definir
as propriedades e a fiabilidade das juntas soldadas. Na figura 15 estão apresentados os diagramas de
fases dos dois sistemas.
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Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31].
O sistema Sn-Cu (figura 15 a)) representa o que acontece no acabamento HASL, formam-se
tipicamente duas camadas intermetálicas Cu6Sn5 e Cu3Sn, tipicamente denominadas de fase η e ε
respetivamente. O ponto eutéctico deste sistema está localizado a 99,3 %ponderal (Sn) e 0,7 %ponderal
(Cu) à temperatura de 227ºC. A transformação eutéctica associada a este sistema é a seguinte [30]:
As pastas de solda SAC são sistemas ternários (figura 15 b)), em que normalmente é observada a
formação de duas fases, uma rica em estanho e uma outra contendo prata. Dispersas pelo volume de
solda é possível encontrar-se ainda pequenas partículas dos produtos de reação, normalmente Ag3Sn,
e partículas da fase Cu6Sn5, fase formada junto da interface cobre/solda que após atingir o limite
máximo de crescimento se dispersam pela junta, como se pode observar na figura 16.
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Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1].
Por vezes, as partículas de Ag3Sn crescem até um ponto em que podem afetar a fiabilidade das
juntas se se formarem em regiões de concentração de tensões. Estas estruturas podem estar
relacionadas com velocidades de arrefecimento lentas na soldagem [32].
Como referido anteriormente, as partículas intermetálicas (Ag3Sn e Cu6Sn5) podem fortalecer as
juntas de solda, funcionando como “paredes” à propagação de fissuras; podem induzir a formação de
grãos finos quanto mais finas forem as partículas, o que produzirá uma microestrutura fina também.
No entanto se estas camadas se tornarem espessas demais o efeito será o oposto e as juntas de solda
ficarão fragilizadas devido à natureza frágil dos compostos e devido à diferença entre os coeficientes de
expansão térmica destes compostos e da pasta de solda [32].
3.5 Processos de soldagem
Numa típica linha de produção de PCBAs podem-se ter outros processos antes da etapa da
soldagem propriamente dita, por exemplo, a impressão da pasta de solda e a inserção dos
componentes. Na figura 17 pode observar-se uma linha típica de produção (reflow) [33].
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Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33].
Dependendo do produto a obter, podem-se ter diferentes sequências do processo de montagem
das placas. O caso mais simples é aquele em que apenas se têm componentes SMD num lado do
PCB. Nesse caso, as etapas essenciais passam pel