UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

LABELECTRON LABORATRIO DE DESENVOLVIMENTO E TESTES DE

PROCESSOS E PRODUTOS ELETRNICOS

ESTGIO CURRICULAR II

Perodo 13.12.2010 a 20.05.2011

Aluna: Carem Coelho

Matrcula: 07237044

Supervisora (a): Jane Gaspar Coelho Pinto

Orientador: Jos Carlos Boareto

Coordenador de Estgios: Paulo A. P. Wendhausen

Concordamos com o contedo do relatrio.

_____________________________________

Jane Gaspar Coelho Pinto

Florianpolis, maio de 2011.

LABELECTRON LABORATRIO DE DESENVOLVIMENTO E TESTES DE

PROCESSOS E PRODUTOS ELETRNICOS

Rua Jos de Anchieta, 95

Bairro Balnerio - Florianpolis/SC

CEP 88075-547

Fone (48) 3954-3000

www.labelectron.org.br

AGRADECIMENTOS

Primeiro a Fundao Certi LABelectron, pelo convnio de estgio que permitiu e

auxiliou esta experincia.

Aos orientadores, Eng. Jane Gaspar Coelho Pinto e Eng. Jos Carlos Boareto pelo

acompanhamento dos trabalhos, orientaes, conselhos, conhecimento e experincia passados

ao longo do perodo de realizao das atividades, sempre de forma objetiva e profissional.

Aos Engenheiros Gilberto Kondo e Mrio Jos de Albuquerque da Empresa Parceira

Produza S/A, pelos conhecimentos passados durante o acompanhamento da produo fabril,

liberdade e confiana.

coordenadoria de estgios em Engenharia de Materiais, Paulo A. P. Wendhausen e

Matheus Amorim Carvalho pelo acompanhamento e visitas realizadas durante o estgio.

Aos colegas de estgio Luiz Victor N. Naufel e Thiago Bach pelo companheirismo e

auxlio nos trabalhos.

As pessoas que exercem trabalho fabril na Produza, Tatiane, Renata, Viviane, Juliana,

Maria, Carla, Rita pela experincia repassada do conhecimento de alguns processos, auxlio

nos trabalhos e companheirismo.

1 Introduo .............................................................................................................................. 1

2 Placas de Circuito Impresso PCI ...................................................................................... 2

2.1 Processo de Montagem ................................................................................................... 2

2.2 Tipos de Laminados ........................................................................................................ 3

2.3 Processos de Acabamento Superficial ........................................................................... 3

2.4 Processos de Soldagem ................................................................................................... 4

2.4.1Tecnologia SMT (Surface Mount Technology) ....................................................... 4

2.4.2 Tecnologia THT (Through Hole Technology) ........................................................ 5

3 Principais Atividades Realizadas ......................................................................................... 6

3.1 Soldagem por Onda Mquina de Solda Onda Wave Soldering ............................ 6

3.1.1 Fluxo .......................................................................................................................... 7

3.1.2 Pr-aquecimento ....................................................................................................... 9

3.1.3 Soldagem ................................................................................................................... 9

3.1.4 Etapas Finais ........................................................................................................... 12

3.1.4.1 Reviso e Teste Funcional................................................................................... 12

3.1.4.2 Limpeza das Placas Eletrnicas ......................................................................... 13

3.1.4.3 Aplicao de Revestimento ................................................................................. 13

3.2 Estudo de Caso - Anlise da Junta de Solda .............................................................. 14

3.2.1 Apresentao da PCI ............................................................................................. 14

3.2.1.1 Acabamento Superficial ENIG ....................................................................... 15

3.2.1.2 Quantidade de fluxo aplicada ............................................................................ 16

3.2.1.3 Terminais dos Componentes PTH e Dimenso dos Furos .............................. 17

3.2.1.4 Formao da Junta de Solda .............................................................................. 17

3.2.1.5 Formao do Composto Intermetlico .............................................................. 19

3.3 Apresentao de Resultados ........................................................................................ 20

3.3.1 Resultados dos testes com aplicao de fluxo ...................................................... 23

3.4 Outras Atividades - Inspeo Visual de BGA e BGA ............................................. 26

Referncias Bibliogrficas ..................................................................................................... 29

Anexos ...................................................................................................................................... 31

1

1 Introduo

Este relatrio tem como objetivo apresentar as atividades realizadas durante o estgio

curricular II no LABElectron, que um laboratrio-fbrica da Fundao Certi, e tem como

objetivo fornecer ao mercado solues tecnolgicas e inovadoras, atravs do desenvolvimento

de projetos e da manufatura de produtos eletrnicos com parceria da empresa PRODUZA

S/A. que realiza a montagem de placas eletrnicas em pequenas sries.

O estgio foi realizado no setor de Engenharia Industrial (EI) sob a superviso e

orientao da Eng. Jane Gaspar Coelho Pinto e do Eng. Jos Carlos Boareto. A maior parte

das atividades foi diretamente desenvolvida em fbrica, no acompanhamento da montagem de

placas eletrnicas de componentes de tecnologia PTH e na soldagem dos mesmos pela

mquina de soldagem por onda, utilizando conhecimentos da rea de engenharia de materiais

para otimizao do processo.

A mquina de soldagem por onda, assim como outros equipamentos da fbrica, foi

adquirida recentemente necessitando de conhecimento do seu funcionamento, confeco dos

seus documentos de procedimento operacional e de manuteno. Tambm foi realizado um

estudo de caso de um produto que passou pelo processo de soldagem por onda que apresentou

defeitos e precisaram ser corrigidos.

Outras atividades relacionadas soldagem de componentes tambm foram realizadas,

como a inspeo visual microscpica de solda de componentes do tipo BGA (Ball Grid

Array), anlise de Raios X, determinao do perfil trmico das placas eletrnicas durante a

soldagem por onda com auxlio do equipamento Slim KIC 2000, teste de contaminao por

resduos inicos aps a soldagem, preparao de folhas de processo, inspeo de qualidade e

suporte na produo.

2

2 Placas de Circuito Impresso PCI

As placas de circuito impresso so um componente bsico para indstria eletrnica.

Consiste num substrato chamado circuito impresso (PCI) onde so impressas trilhas de cobre,

que tm a funo de se conectar eletricamente aos componentes cada um com sua funo

especfica e a PCI se comporta como um isolante. Os componentes podem ser resistores,

capacitores, circuitos integrados, transistores, diodos e componentes magnticos. As

propriedades eltricas do circuito esto ligadas a dimenso das trilhas, como largura,

espessura e espaamento. A fabricao de uma placa de circuito impresso envolve o layout da

placa, seleo de componentes, processos de fabricao, montagem e testes.

2.1 Processo de Montagem

Existem duas tecnologias de montagem de componentes, a tecnologia de montagem

atravs dos furos (Figura 1) (THT, do ingls Through Hole Technology), onde os pinos ou

terminais dos componentes podem ser inseridos automaticamente por mquinas insersoras ou

manualmente, e a tecnologia de montagem de superfcie (Figura 4) (SMT, do ingls Surface

Mount Technology), onde os componentes so inseridos automaticamente ou manualmente.

Figura 1. Exemplo de Montagem THT Figura 2. Componente PTH

Na tecnologia SMT os componentes SMD (Surface Mounting Device) passam por um

processo de aplicao de pasta de solda, dispensando-se grande parte dos furos na placa. [1]

3

Figura 3. Componente SMD Figura 4. Exemplo de montagem SMT

2.2 Tipos de Laminados

Uma PCI pode ser classificada de acordo com o seu laminado (material base) e nmero

de faces. O laminado pode ser constitudo ou por um aglomerado de papel e resina fenlica, o

fenolite, ou fibra de vidro e epxi, ou ainda o composite que um conjunto de papel, resina e

fibra de vidro. O nmero de faces (Figura 5) onde o cobre fica depositado pode ser face

simples, dupla-face e multi-camadas ou multi-layer.

Figura 5. Tipos de laminados

Figura 6. Lados correspondentes a PCI, superior (top), inferior (bottom).

2.3 Processos de Acabamento Superficial

Aps a fabricao do laminado juntamente com o cobre, as placas de circuito impresso

necessitam passar por um processo de acabamento superficial que proteja o cobre contra sua

oxidao natural e ainda melhorar a soldabilidade das placas.

Muitas PCIs so revestidas com o acabamento em HASL (Hot Air Solder Leveling)

solda nivelada por ar quente, que utiliza a liga de estanho e chumbo (Sn63/Pb37) e lead free

4

(livre de chumbo) (Sn95,5/Ag3/Cu0,5). Devido a implantao das diretivas na Europa a partir

de 2006, a RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances, Restrio de Certas

Substncias Perigosas) que restringe o uso de chumbo e outras substncias perigosas para

proteger a sade humana e o meio ambiente, e WEEE (Waste Electrical and Electronic

Equipment, Resduos de Equipamentos Eltricos e Eletrnicos) que estabelece nveis mnimos

de reciclagem que devem ser atendidos. Sendo assim os processos de acabamento

necessitaram ser modificados. Apesar disso, no Brasil essas diretivas ainda no so

obrigatrias.

Existem alternativas como: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), que uma

reao de deslocamento qumico para depositar uma camada metlica sobre a superfcie de

metal da PCI. Nessa reao, o metal de base doa os eltrons que reduzem os ons metlicos

carregados positivamente na soluo. Motivados pela diferena de potencial, os ons

metlicos em soluo (por exemplo, ons de ouro no processo ENIG) so depositadas sobre a

superfcie da placa, deslocando simultaneamente ons da superfcie de metal (por exemplo,

ons de nquel no processo ENIG) volta soluo. Essa reao considerada auto-limitante,

pois uma vez que a superfcie de metal chapeado, no h mais uma fonte de eltrons e a

reao par.

Outro acabamento o OSP (Organic Solderability Preservative), cobertura orgnica

que protege o cobre at a soldagem. Forma uma camada protegendo a superfcie do cobre at

que sofra um processo trmico em que a camada removida como a soldagem por onda.

2.4 Processos de Soldagem

2.4.1Tecnologia SMT (Surface Mount Technology)

Os componentes SMD (Surface Mount Device) so montados sobre a superfcie da

PCI, aps a aplicao da pasta de solda. A soldagem pode ser feita de vrias maneiras, as mais

usadas so por refuso em fornos, soldagem por onda e tambm pode ser feita manualmente.

No processo de soldagem por refuso, primeiramente ocorre a impresso de pasta de

solda sobre as ilhas com auxlio de uma placa de ao conhecida como estncil. A pasta de

solda realiza a conexo eltrica entre os componentes e a PCI, e constituda por p metlico

contendo Sn, Pb, Ag e outros elementos de acordo com as especificaes do processo, e fluxo.

5

O prximo passo a insero dos componentes realizada de forma automtica por mquinas

do tipo pick and place (pegar e colocar).

Por fim realizada a soldagem entre o componente e a PCI, atravs da refuso da

pasta de solda, esta etapa realizada em um forno que aquece a placa enquanto se movimenta

por zonas com temperaturas diferenciadas em seu interior com auxlio de uma esteira rolante

(conveyor).

Em algumas PCIs que tm componentes SMD nos dois lados, o lado top tem o

processo acima descrito e o lado bottom tem a impresso da pasta de solda substituda por

aplicao de um adesivo epxi que tem a funo de segurar os componentes durante a

soldagem por onda. As etapas de insero e aquecimento tambm acontecem, porm no forno

as zonas de aquecimento so modificadas para que seja feita a cura do adesivo. Aps as etapas

de insero e cura do adesivo, a placa encaminhada at mquina de solda onda onde

realizada a soldagem no lado bottom (Figura 6).

2.4.2 Tecnologia THT (Through Hole Technology)

Os componentes PTH (Plated Through Hole) que tem seus terminais banhados atravs

do furo so inseridos e soldados dentro do furo. Este tipo de montagem proporciona uma

ligao mecnica mais forte comparada a SMT, por este motivo, utilizado na soldagem de

componentes de maior massa, como conectores e capacitores maiores. Os processos de

soldagem utilizados so por onda ou manualmente.

Figura 7. Processo de montagem PTH

6

3 Principais Atividades Realizadas

3.1 Soldagem por Onda Mquina de Solda Onda Wave Soldering

O relatrio ter um enfoque na soldagem por onda, onde houve um tempo maior de

dedicao durante o estgio. Este processo no LABelectron realizado na mquina

POWERFLOW N2 (Figura 8) da marca ERSA, adquirida recentemente, necessitando de

estudo dos seus parmetros e ajustes. Mais adiante ser apresentado um estudo de caso de

uma PCI que passou por este processo. A POWERFLOW N2, possui trs etapas: Fluxagem,

pr-aquecimento e soldagem.

As PCIs tm seus componentes montados antes de serem inseridas na mquina, tm

seu programa carregado pelo software da mquina que faz um ajuste automtico das trs

etapas (Figura 9) e da largura do conveyor (esteira), dependendo do seu tamanho, a placa

necessita de auxlio de um pallet para dar apoio no seu carregamento dentro da mquina.

Figura 8. Mquina de Soldagem Powerflow N2

7

Figura 9. Etapas da mquina de soldagem por onda

3.1.1 Fluxo

A primeira etapa rea de fluxagem. O fluxo parte essencial para formao da junta

de solda, pode ser aplicado de vrias maneiras, por espuma (foam fluxer), onda de fluxo e por

spray. A aplicao nesta mquina se d por spray no lado bottom da placa e pelo software

possvel controlar a quantidade e rea onde deve ser aplicado. O aplicador de spray consiste

num brao robtico que anda de um lado para outro, enquanto a placa recebe a aplicao de

fluxo. Nas primeiras mquinas de solda por onda, o fluxo era aplicado manualmente com

auxlio de um pincel.

A antiga mquina de soldagem por onda utilizada no LABelectron, a Eletrovert

modelo Econopack II, fazia a aplicao de fluxo era por um fluxador de espuma, o tanque do

fluxador consistia em dois tubos polimricos porosos, chamado de pedras aeradoras que

ficam submersas no fluxo. Os tubos eram conectados a mangueiras de ar comprimido que

foravam a sada desse ar atravs de poros, que geravam bolhas que fluam at a superfcie do

fluxo e so guiadas at a posio de contato com a placa, atravs de um bocal cnico com

uma abertura de 5 mm de largura.

Pr-aquecimento

Fluxador

Esteira

Tanque de

solda onda

8

Figura 10. Fluxador por espuma da mquina Eletrovert, modelo Econopack II

O tanque do fluxador fica aberto e o fluxo exposto ao ar, isso faz com que evapore,

modificando o teor de slidos e de acidez. Para garantir essa eficincia era necessrio

controlar as propriedades do fluxo diariamente e corrigir com diluente, e quando ainda no

fosse possvel corrigir descartava-se o fluxo, gerando desperdcios.

J na mquina nova o fluxo fica armazenado no reservatrio dentro da mquina no seu

prprio recipiente, uma mangueira colocada em seu interior, desta maneira o fluxo no fica

exposto ao ar livre evaporando os solventes, no alterando significativamente ao longo do

tempo o ndice de acidez e o percentual de slidos no fluxo.

O tipo de fluxo deve ser escolhido de acordo com a maneira de aplicao. Ele tem a

funo de limpar as superfcies que vo ser unidas e desoxidar as superfcies metlicas em

altas temperaturas sem decomposio, e assim, garantir melhor molhabilidade dos terminais

durante a formao da junta de solda. O fluxo utilizado na mquina POWERFLOW N2 o

RF 800 No Clean do fornecedor Cookson Electronics.

O fluxo composto por resina orgnica extrada da seiva do pinheiro, o Rosin, e

outras resinas sintticas. O ingrediente ativo no Rosin o cido abitico que ataca e reduz o

xido de cobre nas ilhas da placa. O No Clean especificado no fluxo, indica Sem Limpeza,

porm no quer dizer que no fique resduo sobre a placa. O resduo de fluxo vai depender da

quantidade aplicada placa e se vai ser prejudicial ou no, pois resduos podem ser corrosivos

se no limpos adequadamente.

Na antiga mquina de soldagem por onda, a Eletrovert, os resduos de fluxo eram mais

agravantes e a limpeza ficava mais difcil, devido a um problema de contaminao do tanque,

9

que acabava gerando um resduo que aderia na placa, este problema aumentado pelo excesso

de fluxo aplicador por espuma.

3.1.2 Pr-aquecimento

O pr-aquecimento tem a funo de:

- Reduzir o choque trmico da placa ao chegar solda onda;

- Ativar o fluxo;

- Evaporar o solvente do fluxo;

- Evitar o empenamento da placa durante a soldagem.

Deve-se tomar cuidado no pr-aquecimento com alguns componentes do tipo PTH e

SMD que so mais sensveis s altas temperaturas, necessrio que no sejam montados e

soldados na mquina de soldagem por onda, e sim manualmente.

A ativao trmica do fluxo necessria para que depois da soldagem no fiquem

materiais ativos do fluxo deixando a placa com aspecto ruim de solda e resduos de fluxo que

podem oxidar terminais e a PCI.

H limites de tempo em que os componentes SMD podem ficar imersos na solda. A

metalizao que realiza as conexes eltricas nas extremidades dos dispositivos pode ser

dissolvida. Em placas de multilayer h problema na obteno de pr-aquecimento suficiente

devido maior massa trmica nestas placas. Se o pr-aquecimento apenas aplicado no lado

bottom da placa h um problema com o epxi-vidro que podem ser queimados e o lado top

no chega temperatura suficiente para ativar o fluxo e realizar uma boa junta de solda dos

componentes PTH.

No LABelectron o sistema de pr-aquecimento da mquina POWERFLOW N2 na

parte bottom, possui trs zonas, que emitem calor por conveco e infravermelho. As

temperaturas das zonas so aproximadamente 150C, 200C e 60% de potncia emitida de

calor. Com essas temperaturas possvel chegar entre 85 a 110C na placa que so as

temperaturas necessrias para ativar o fluxo. As temperaturas de pr-aquecimento so

modificadas de acordo com o tamanho da placa e densidade dos componentes. A temperatura

em que a placa chega tambm influenciada pela velocidade do conveyor.

3.1.3 Soldagem

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A zona de soldagem da POWERFLOW N2 composta por um tanque de solda que

contm a liga de solda fundida de SnPb, a bomba que expele a solda pelo nozzle (bocal), e o

nozzle. H formao de duas ondas, uma laminar e outra turbulenta formadas pelo mesmo

bocal.

O tanque de solda alimentado pela liga de 63% Sn e 37% Pb, formando uma liga

euttica tem que seu ponto de fuso a 183C, menor ponto de fuso para uma liga SnPb. O

tanque mantm a liga a uma temperatura de 245C. A mquina alimentada com barras de

liga de SnPb quando realizada a retirada da borra do tanque de solda e seu nvel de liga est

baixo.

A PCI tem seu lado bottom molhada pela onda de solda. A soldagem se d pelo

mecanismo de capilaridade causado pelo fluxo, chegando ao lado top dos furos dos

componentes PTH formando uma junta de solda. A altura da onda deve ser controlada para

que a onda banhe toda a rea bottom da placa, forme uma boa junta intermetlica e no

transborde sobre a PCI. Para verificar a altura da onda utilizado um level check (placa de

vidro) para que se possa ver o quanto a placa banhada pela onda.

Durante o acompanhamento da soldagem por onda, foram presenciados defeitos deste

processo, como:

- Sombra que leva alguns pontos de componentes no levarem solda, causada pela

mscara de solda aplicada em excesso em locais que no levariam solda, ou causada por

outros componentes do tipo SMD ou terminais de componentes PTH;

- Curto entre terminais do mesmo componente, ou de componentes diferentes;

- No formao do cone de solda no lado top da PCI;

- Molhagem insuficiente de terminais;

- Excesso de solda como solder balls, teia de solda.

Alguns destes problemas podem ser resolvidos com um tempo maior no pr-

aquecimento, maior tempo de contato com a solda, sendo isso resolvido ento com a

diminuio da velocidade do conveyor ou aumento da temperatura das zonas.

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Existem maneiras de melhorar a soldagem como: ampliar a onda, produzindo maior

contato entre a onda e a placa, o ngulo de inclinao na soldagem para reduzir a incidncia

de curtos, como mostrado na figura a seguir.

Figura 11. Placa sendo transportada com (a) Conveyor horizontal. (b) Conveyor inclinado.

Figura retirada do livro The Handbook of Machine Soldering, de Ralph W. Woodgate

A onda gerada pela mquina de solda onda laminar e turbulenta no mesmo bocal,

tem a funo tambm de eliminar alguns defeitos como sombras, j citadas anteriormente, que

podem acontecer em componentes do tipo SMD (Figura 13). A sombra definida como a rea

(face traseira) do componente que no entra em contato com a onda laminar, no recebendo

quantidade de solda suficiente. Com apenas a onda laminar dependendo da direo em que ir

passar pela onda, o componente de um lado pode ficar sem solda, a juno das ondas laminar

e turbulenta (Figura 12), a turbulenta tem a funo de pegar pontos que podem ficar sem solda

devido a sombra causada pelo prprio componente ou gerada por mscara de solda ou

terminais de outros componentes.

12

Figura 12. Onda turbulenta e laminar mesmo bocal

Figura 13. Exemplo de um layout de uma PCI onde componentes SMD causam sombra nos

componentes que esto em posio diferente. Figura retirada do livro The Handbook of

Machine Soldering, de Ralph W. Woodgate

3.1.4 Etapas Finais

Aps a soldagem as placas passam pelo processo de reviso, teste funcional, limpeza

e aplicao de conformal coating (verniz).

3.1.4.1 Reviso e Teste Funcional

A reviso aps soldagem por onda tem a funo de verificar e reparar manualmente

defeitos ocorridos como falta de solda, curtos, estalactites, componente deslocado, etc.

O teste funcional realizado para testar as funes da placa.

Sentido do

movimento da

placa

Pontos que no

sero molhados

Sentido do

movimento da

placa

Sombra nos componentes

13

3.1.4.2 Limpeza das Placas Eletrnicas

O fluxo utilizado na mquina de soldagem por onda no LABelectron do tipo No

Clean j citado anteriormente, Sem Limpeza refere-se ao fato de que os resduos que ficam na

placa aps soldagem automtica no so prejudiciais a funcionalidade da placa, portanto no

necessitando de limpeza aps a soldagem, apenas quando se tem alterao na quantidade.

J com a soldagem manual devido ao alto teor de resduos do fluxo utilizado podendo

gerar contaminao e levar a perda da sua funcionalidade em curto prazo. Para aplicao de

verniz na superfcie da PCI necessrio que ela esteja limpa, portanto remoo de resduos de

fluxo deve ser feita.

A limpeza realizada manualmente com auxlio de um solvente a base de Fluxoeno da

marca Electrolube, o Eflu. aplicada uma pequena quantidade sobre a superfcie da placa e

com pincel ou pano anti-esttico realizada a limpeza.

3.1.4.3 Aplicao de Revestimento

Aps a limpeza, alguns componentes como conectores, entradas e sadas da placa so

isolados, pois o revestimento aplicado um isolante eltrico. O revestimento chamado de

Conformal Coating (verniz) consiste numa fina camada polimrica que ir proteger a

superfcie da placa e dos componentes contra umidade, oxidao, poeira e corroso. Ele

tambm atenue as vibraes e possveis tenses mecnicas que as placas venham a sofrer

durante o seu funcionamento.

O verniz aplicado nas PCIs de poliuretano (PU) polmero termofixo excelente

resistncia a ataques qumicos. A aplicao feita com auxlio de um pincel de maneira

uniforme evitando o excesso para a no formao de bolhas, o local da aplicao deve ser

feito em uma capela ou sob de coifas e utilizando mscaras respiratrias evitando a inalao

do produto. A cura do verniz feita em temperatura ambiente durante 24 horas ou em forno

com temperatura de aproximadamente 80C durante 90 minutos.

14

3.2 Estudo de Caso - Anlise da Junta de Solda aps o Processo de Soldagem por Onda

O LABelectron tem a competncia no desenvolvimento de produtos eletrnicos,

quando uma nova placa eletrnica introduzida, primeiramente informaes e condies

necessrias so geradas para atender s especificaes e aos requisitos exigidos no sua

confeco. So feitos teste piloto e validao do projeto e processo produtivo. Possuindo

ento a clula NPI (integrao de um novo produto), onde so produzidas, pr-sries e lotes

piloto, permitindo ajustar parmetros de processo ao produto em questo, buscando atingir

nveis de qualidade. Eventuais erros e dificuldades de processo so identificados, assim

podem-se buscar novas alternativas e solues, reduzindo retrabalhos e perdas.

Devido introduo desta nova placa e a otimizao do processo de soldagem por

onda, uma conseqncia foi investigar causas dos defeitos ocorridos. As especificaes sobre

aceitabilidade de placas eletrnicas podem ser investigadas na norma IPC A 610. A qualidade

das juntas soldadas um fator chave para confiabilidade das PCI.

Aps a soldagem de uma srie de placas verificou-se que a solda quase no apresentou

uma boa molhabilidade no lado top do terminal PTH, ou seja, um total preenchimento do

furo. Foram deduzidas causas para o defeito ocorrido com base no conhecimento adquirido no

acompanhamento do processo de soldagem. As possveis causas foram: oxidao do

acabamento superficial, quantidade insuficiente de fluxo, terminal mal pr-formado e

dimenso dos furos na PCI. Para anlise foram feitas metalografias dos terminais dos

componentes PTH e testes com mudanas nas variveis da mquina de soldagem por onda.

3.2.1 Apresentao da PCI

Esta PCI fabricada em painis com nove placas em cada painel. O seu laminado de

tipo multi-layer possuindo vrias camadas de cobre impressas no seu interior que so

interconectadas. O seu acabamento superficial do tipo ENIG, possui componentes PTH

(top) e SMD (top e bottom).

Para a soldagem dos componentes SMD do lado top, a PCI passou pela impresso da

pasta de solda, insero e soldagem no forno de refuso CONCEPTRONICS. Para a

soldagem dos componentes SMD do lado bottom, foi realizada a aplicao da cola

adesivadora, insero e cura da cola no forno de refuso para que na soldagem por onda os

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componentes no fossem arrancados. Os componentes PTH montados no lado top e os SMD

do lado bottom so soldados na mquina de soldagem por onda POWERFLOW N2.

Lembrando que o problema ocorrido foi na soldagem dos componentes PTH.

Obs.: Devido esta placa ser um produto de um cliente, imagens e nomes no sero

citados.

3.2.1.1 Acabamento Superficial ENIG

ENIG Electroless Nickel Immersion Gold Imerso de Nquel em Ouro

O ouro ideal para utilizao em acabamentos, pois no forma xido, no afetado

pela variao de temperatura e pelas condies de armazenamento, o que pode reduzir a vida

til de outros tipos de acabamentos. O ouro se dissolve bem em solda o que produz uma

molhabilidade superior.

Porm, o ouro pode apresentar problemas quando em excesso. Existe uma norma que

especifica a fabricao deste tipo de acabamento a IPC 4552, que especifica a espessura das

camadas do revestimento deste processo.

O ouro se dissolve facilmente em cobre, para evitar a mistura de cobre com o ouro e a

migrao de cobre para a superfcie da placa levando a sua oxidao e assim afetando a

soldabilidade, adicionada uma camada de nquel para separar os metais.

A camada de deposito de nquel varia de 3 a 5m de espessura, e de ouro de 0,05 a

0,15m para evitar a oxidao do nquel. A espessura da deposio varia de acordo com a

temperatura, parmetros qumicos, tempo de banho.

O banho de nquel realizado a altas temperaturas e tempo de permanncia longo at

atingir a espessura necessria. O banho de ouro tambm realizado a altas temperaturas e

com tempos de paradas. As especificaes de temperatura, tempo de permanncia, agitao e

controle qumico, devem ser seguidas para que no ocorram defeitos e afetem a soldabilidade.

Um problema que pode ocorrer devido ao processo de fabricao com a camada de

ouro. A funo desta camada proteger o nquel da oxidao, porm a camada de ouro fina

porosa, e o nquel migra para a superfcie e ocorre sua oxidao afetando ento a

soldabilidade, esse defeito chamado de Black Pad. Alguns desses defeitos s so percebidos

16

aps o processo de soldagem o que pode levar a perda de um lote de PCI ou levando as PCI

para o retrabalho e reparo levando ao alto custo no processo.

3.2.1.2 Quantidade de fluxo aplicada

O fluxo aplicado no lado bottom da PCI em quantidade especificada pelo seu

fabricante. A quantidade deve ser suficiente para que o aquecimento ative-o e durante a

soldagem forme uma boa junta de solda. O pr-aquecimento depende de muitas variveis

como a velocidade do conveyor, tipo de componentes e substrato (PCI).

O fluxo utilizado j foi citado anteriormente, o RF800 da marca Cookson

Electronics, No Clean, aplicado por spray no lado bottom da PCI. Durante o pr-

aquecimento a placa deve atingir no lado bottom temperaturas entre 85C e 110C, segundo o

fabricante para que o fluxo seja ativado, remova os xidos metlicos, forme o cone ideal no

terminal PTH e uma boa junta de solda.

O perfil trmico do pr-aquecimento pode ser traado com auxlio de um

equipamento, o Slim KIC 2000, possui termopares que so dispostos estrategicamente na PCI,

como exemplo dois termopares no lado bottom, um na frente e outro atrs, e no lado top. Isto

tambm garante se esto corretas as temperaturas fixadas na mquina e se atingir os

objetivos do pr-aquecimento.

Abaixo o grfico obtido pelo Slim KIC 2000, indicando as temperaturas na PCI

obtidas ao longo tempo apenas do pr-aquecimento da mquina de solda.

17

Figura 14. Grfico obtido pelo Slim KIC 2000 da PCI, temperaturas das zonas da mquina e

temperaturas no bottom da PCI durante o pr-aquecimento.

Pelo grfico obtido podemos ver que a placa atingiu a temperatura desejada entre 85C

e 110C, ento o pr-aquecimento atingiu o objetivo esperado de ativar o fluxo.

3.2.1.3 Terminais dos Componentes PTH e Dimenso dos Furos

A pr-formagem dos componentes foi feita manualmente, isso faz com que os

terminais fiquem tortos e ao encaixar nos furos exista alguma dificuldade. Os furos tambm

apresentaram um empecilho, devido ao seu dimensionamento, tambm apresentando

dificuldade no encaixe pelas montadoras. Havendo terminais que se encaixam normalmente e

outros no.

3.2.1.4 Formao da Junta de Solda

A fora da junta de solda deve forte para resistir suficientemente para agentar algum

cisalhamento, trao, ou uma combinao de ambos que possam ocorrer quando a PCI j

estiver em campo.

18

Figura 15. Exemplo de 100% de preenchimento de furo. Figura retirada do livro Soldering in

Electronics Assembly, de Mike Judd & Keith Brindley.

a tenso de superfcie da solda que define a molhabilidade de um metal, deve ser

utilizada uma solda com uma baixa tenso superficial possvel. A superfcie a ser soldada

deve estar limpa.

A norma IPC A 610 especifica a condies mnimas de aceitabilidade de juntas

soldadas de furos metalizados. So especificadas a molhabilidade do lado top e bottom,

enchimento vertical do furo, porcentagem da rea da ilha coberta de solda no lado top e

bottom.

Figura 16. Enchimento 100% do furo. Figura 17. Enchimento 75% do furo.

Condio alvo

Junta de

solda

Terminal do

componente

Componente

Placa de circuito

impresso Acabamento de

cobre PTH

19

Figura 18. Molhagem Circunferencial 180 Figura 19. Molhagem Circunferencial 270

Figura 20. Condio alvo da formao do cone de solda no lado top

3.2.1.5 Formao do Composto Intermetlico

Durante a soldagem a formao do composto intermetlico na junta soldada de

extrema importncia para que haja uma boa aderncia da liga de solda ao cobre que garanta

uma boa resistncia mecnica e conduza corrente eltrica na PCI.

O composto intermetlico formado entre a junta de solda e a superfcie metalizada da

PCI. Com uma soldagem adequada ir formar uma camada intermetlica mnima, posto que

apesar de apresentar elevada dureza, mostra-se frgil podendo se tornar quebradia. A

formao do composto intermetlico depende do tipo de solda e do acabamento superficial.

Quando o terminal no banhado atravs do furo, ficando um elo fraco quando solicitado

mecanicamente.

Para verificar se houve um bom molhamento no furo metalizado feita anlise

microscpica da junta, analisa-se ento se houve a formao de composto intermetlico. A

formao do composto intermetlico a prova de que ocorreu o molhamento atravs do furo.

20

Figura 21. Seo ampliada de um terminal de um componente PTH. O composto

intermetlico claramente visvel entre a solda do lado esquerdo e o acabamento de cobre.

Figura retirada do livro The Handbook of Machine Soldering, de Ralph W. Woodgat

3.3 Apresentao de Resultados

Sero apresentadas imagens dos terminais soldados da PCI que no tiveram um bom

preenchimento.

Figura 22. Terminais PTH sem preenchimento total do furo.

21

Figura 23. Vista lateral dos terminais PTH, sem formao do cone de solda.

Figura 24. Vista superior dos terminais PTH, sem molhagem circunferencial.

Sero apresentadas micrografias dos terminais para anlise da formao do composto

intermetlico em umas das placas em que no se atingiu o resultado do preenchimento e

cobertura da ilha no lado top, e em alguns terminais foi retrabalhado para forar o

preenchimento do furo.

22

Figura 25. Terminal CN1 aumento 200x. Figura 26. Terminal CN1 aumento 12,5x.

O terminal do componente CN1 apresentado nas figuras anteriores apresentou a

formao do composto intermetlico (Figura 25), porm no apresentou preenchimento 100%

do furo (Figura 26), apresentando em torno de 75%, apesar de ter atingido o mnimo

estabelecido pela norma IPC A 610, como a demanda de trabalho na fbrica so de pequenas

sries imprescindvel atingir 100% de preenchimento dos furos, pois no se pode ter um

controle que todas as placas atingem os 75%, por ser pequenas sries o nmero de defeitos

ser grande. Alguns terminais foram retrabalhados para anlise do terminal atravs das

micrografias a fim de verificar a qualidade e se no apresentam defeitos, abaixo nas figuras.

Figura 27. Terminal D7 retrabalhado, Figura 28. Terminal D7 retrabalhado, 200x.

aumento de 50x.

23

Nota-se a formao do cone nos lados top e bottom (Figura 27), porm verifica-se uma

trinca quando a imagem aumentada (Figura 28). A formao de trinca, ou vazios o que

pode ocorrer quando os terminais dos componentes so retrabalhados, por isso necessrio

ajustes durante a soldagem por onda, pois o retrabalhado no desejvel, levando a PCI em

curto prazo perda da sua funcionalidade.

3.3.1 Resultados dos testes com aplicao de fluxo

Foram realizados testes, primeiramente com a aplicao de fluxo de maneira manual

no lado top com auxlio de um pincel, aplicando de maneira excessiva e depois a placa posta

na mquina de soldagem por onda para realizar a soldagem. Logo aps foram obtidas as

seguintes imagens:

Figura 29. Vista lateral dos terminais PTH, aps aplicao de fluxo no lado top.

Figura 30. Vista superior dos terminais PTH, aps aplicao de fluxo no lado top.

24

O segundo teste consistiu em dobrar a quantidade de fluxo aplicada pela mquina de

solda onda, de 30 % para 60%. Abaixo as imagens obtidas aps a soldagem:

Figura 31. Vista lateral dos terminais PTH, aps o dobro de fluxo durante a soldagem.

Figura 32. Vista superior dos terminais PTH, aps o dobro de fluxo durante a soldagem.

Visto que o objetivo do pr-aquecimento foi atingido, o problema pode ter ocorrido

pela pouca quantidade de fluxo aplicada. Como mostrado nas imagens aps a aplicao

manual de fluxo no lado top e com o dobro quantidade, verifica-se que houve a formao do

cone no lado top da PCI e molhabilidade tambm.

O aumento da quantidade de fluxo pode se desenvolver problemas como resduos

inicos gerando contaminao e futuros problemas na funcionalidade de PCIs, para

certificarmos que a quantidade modificada no haveria problemas, o teste resduos inicos foi

realizado no equipamento C3 da FORESITE e como mostra no grfico abaixo a quantidade

no prejudicial, apresentando-se limpa.

25

Figura 33. Grfico do teste de resduos no lado top da PCI, o fluxo foi aplicado com auxlio

de um pincel, nota-se que durante os primeiros 60 segundos a placa manteve-se com a

corrente entre 100 e 150A, apresentando-se ento livre quantidade de resduos prejudiciais,

no chegando a atingir os 500A que indica que a PCI est contaminada.

O teste consiste na coleta de resduos pela aplicao de uma corrente em funo do

tempo. O limite mximo de corrente medida de 500A. O ciclo de leitura do teste leva 180

segundos, se o limite mximo de corrente atingir ou ultrapassar os 500A, nos primeiros 60

segundos ou menos, a amostra coletada ser considerada suja.

O limite mximo atingido neste teste foi de 160A durante os 180 segundos, a placa

apresentando-se limpa, sem contaminao por resduos inicos. Os outros testes de resduos

realizados com aplicao de 60% de fluxo tambm apresentaram-se livres de contaminao

no lado top e lado bottom.

Tendo em vista que a no molhabilidade da ilha pode ocorrer devido oxidao do

acabamento superficial da PCI, como por exemplo, a migrao de nquel para a superfcie

devido porosidade da camada de ouro aplicada, pode-se verificar que aps os testes com o

fluxo que o acabamento est em condies de receber solda e no apresenta oxidao.

A dimenso do furo pode ter influenciado para que o fluxo no atingisse o lado top do

furo para a formao da junta de solda, porm com as micrografias feitas dos terminais dos

componentes soldados (Figura 26), pode-se concluir que h espao entre o terminal e o furo

metalizado para que o fluxo pudesse fluir at o extremo oposto do furo.

26

3.4 Outras Atividades - Inspeo Visual de BGA e BGA

BGA (Ball Grid Array) um tipo de encapsulamento (packpage) utilizado em

circuitos integrados de componentes, onde so inseridos pequenos pontos de solda no seu lado

inferior, que so soldados diretamente na PCI, arranjados em grade/matriz.

A placa passa pelo procedimento de aplicao de pasta de solda, insero do

componente e soldagem no forno de refuso. O BGA utilizado em vrios tipos de

componentes, entre eles chipsets e chips de memria.. um tipo de encapsulamento onde os

terminais de contato so do tipo esfera (ball). So esferas com dimetro menor que 1 mm.

Figura 34. Imagem de um componente BGA.

Existem micro BGAs que possuem afastamento (pitches) ente 0,5 e 0,4 mm durante a

soldagem no forno de refuso podem ocorrer curtos. Como so componentes com dimenses

mnimas se faz necessrio auxlio de um equipamento especial na sua inspeo, pois a olho nu

no possvel.

Para a inspeo de componentes em que no se tem acesso direto internamente para

sua verificao, utilizam-se fibras pticas, micro-cmeras com alta resoluo, alm de sistema

de iluminao, fazendo a imagem aparecer na tela de um computador. O equipamento ERSA

ESCOPE, o que realiza esta inspeo no LABelectron.

So inspecionados em BGA, curtos (unio) entre as esferas, anlise da qualidade da

solda, etc. Porm, possvel apenas visualizar curtos que se encontram nas extremidades do

BGA. Abaixo esto imagens realizadas pelo equipamento ERSA ESCOPE em que pode ser

ver as esferas boas e um defeito como a unio entre duas esferas (curto).

27

Figura 35. Fotos das esferas. esquerda balls perfeitos, direita curto (unio) entre balls.

Pode-se tambm verificar as esferas do componente atravs da inspeo de Raios X. No

desenho do componente no seu lado bottom est onde as bolas de solda ficam dispostas.

Figura 36. Raios X do componente Figura 37. Desenho do componente retirado

da sua ficha de dados

28

4. Concluso

O estgio realizado no LABelectron foi de grande importncia profissional, visto que

me possibilitou conhecer o processo de montagem de placas eletrnicas, dos equipamentos

utilizados e aplicao de conceitos a fim melhorar alguns processos.

Experincias foram adquiridas com o convvio com profissionais da rea desde o cho

de fbrica ao diretor, contribuindo para a formao profissional. Sendo que o processo de

montagens de placas eletrnicas no abordado durante as fases acadmicas do curso de

Engenharia de Materiais da UFSC, assim, o estgio na rea veio a agregar um novo

conhecimento em uma rea com muita aplicao tecnolgica.

Vivenciar o funcionamento de uma empresa, o trabalho de suporte da produo, o

relacionamento entre as pessoas, a importncia de se envolver nos desafios e de se propor

melhorias so alguns aprendizados que o estagirio pde vivenciar e que somente possvel

quando se parte de uma empresa.

29

Referncias Bibliogrficas

[1] MELO, Paulo R. de Sousa; RIOS, Evaristo C. D.; GUTIERREZ, Regina Maria Vinhais.

Placas de Circuito Impresso: Mercado Atual e Perspectivas. Disponvel em:

. Acesso em: Abril/2011.

[2] MENDES, Luis Tadeu Freire. Estudo Experimental da Migrao Eletroqumica em

Soldagem Eletrnica Sn/Ag/Cu Lead Free. So Paulo: EPUSP, 2009. Volume I.

Dissertao de Mestrado, Engenharia Eltrica, Escola Politcnica da Universidade de So

Paulo, So Paulo, 2009.

[3] Projeto de Placas de Circuito Impresso. Disponvel em:

. Acesso em: Abril/2011.

[4] MATOS, Jos Mario. Relatrio de Estgio Curricular I. Florianpolis: Laboratrio de

Desenvolvimento e Testes de Processos e Produtos Eletrnicos Labelectron, 2010. Relatrio

de Estgio, Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianpolis,

2010.

[5] NEVES, Guilherme Oliveira. Relatrio de Estgio Curricular III. Florianpolis:

Laboratrio de Desenvolvimento e Testes de Processos e Produtos Eletrnicos Labelectron,

2010. Relatrio de Estgio, Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Santa Catarina,

Florianpolis, 2010.

[6] DORO, Marcos. Sistemtica para Implementao da Garantia da Qualidade em

Empresas Montadoras de Placas de Circuito Impresso. Florianpolis: UFSC, 2004.

Dissertao de Mestrado Programa de Ps-Graduao em Metrologia Cientfica e Industrial,

Universidade Federal de Santa Catarina, Florianpolis, 2004.

[7] WOODGATE, R. W.The Handbook of Machine Soldering SMT and TH. 3 ed. New

York: Hohn Wiley & Sons Inc., 1996.

30

[8] ASSOCIATION CONNECTING ELECTRONICS INDUSTRIES. IPC-A-610:

Acceptability of Electronics Assemblies Training and Certification Program, 2010.

[9] ASSOCIATION CONNECTING ELECTRONICS INDUSTRIES. IPC-4552:

Specification for Electroless Nickel/Immersion Gold (ENIG) Plating for Printed Circuit

Boards, 2002.

[10] COOMBS, Clyde F. Jr. Printed Circuits Handbook. 6th ed. New York: Mc Graw Hill,

2008.

[11] PCB board surface of the final coating types introduced. Disponvel em:

. Acesso em: Maio/2011.

[12] ENIG Related Problems. Disponvel em: . Acesso em: Maio/2011.

31

Anexos

a) Histrico LABelectron

Inaugurado em 21 de agosto de 2002, o LABelectron possibilita oportunidades para

empresas de base tecnolgica estabelecidas na regio de Florianpolis e no estado de Santa

Catarina. O modelo adotado foi viabilizado por meio de uma parceria entre a Fundao

CERTI, a empresa ALCATEL no Brasil e a empresa MEGAFLEX SUL. Este modelo foi

implantado e mantido atravs de acordos de cooperao tcnico-cientfico da Lei de

Informtica.

As pesquisas em torno do LABelectron favorecem o desenvolvimento de novas

tecnologias para a otimizao do processo produtivo, da produo e de testes, a ponto de

permitir um incremento substancial na qualidade final do produto.

No dia 23 de agosto de 2005, a Fundao CERTI em parceria com a FINEP e

inaugurou a Engenharia de Desenvolvimento de Placas Eletrnicas (EDP) do LABelectron.

No dia 25 de abril de 2008 foi constituda a PRODUZA S/A, se constituindo na mais

nova parceira do LABelectron, na vertente de implementao produtiva de produtos e

processos eletrnicos com tecnologias inovadoras, focada na prestao de servios de

montagem de prottipos e produo de pequenas sries.

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b) Cronograma de Atividades

Graduao: Engenharia de Materiais - UFSC

rea: Engenharia Industrial Empresa: LABelectron

Estagiria: Carem Coelho Orientador: Jos Carlos Boareto

Cronograma de Atividades Janeiro Fevereiro Maro Abril Maio

Semanas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Integrao

Elaborao de PO e IT

Estudo de Soldagem por Onda

Inspeo de Visual em BGA atravs ERSA ESCOPE e Raios X

Treinamento TPM

Treinamento Teste de Resduos

Suporte na produo

Estudo de caso

Manuteno POWERFLOW N2

Otimizao da estao de trabalho de limpeza e aplicao

de Conformal Coating

Otimizao dos parmetros da POWERFLOW N2

Relatrio de estgio

Confeco de perfis trmicos

Realizao Delineamento de Experimento Soldagem por

onda