Desafios Técnicos e Empresariais Diretrizes WEEE & RoHS. Impactos na indústria de montagem eletrônica

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2 Desafios Técnicos e Empresariais Diretrizes WEEE & RoHS Impactos na indústria de montagem eletrônica

3 Mudança é a lei da vida e aqueles que somente olham para o passado ou presente com certeza perderão o futuro Change is the law of life and those who look only to the past or present are certain to miss the future. -JFK

4 Diretiva RoHS A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptos à demonstrar que seus produtos não contém níveis acima dos limites permitidos das substâncias abaixo listadas: Chumbo Mercúrio Cádmio Cromo hexavalente Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls) Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominated diphenyl ethers) Cádmio < 0,01% peso Outros < 0,1% (materiais homogêneos nos componentes)

5 Diretiva RoHS A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptos à demonstrar que seus produtos não contém níveis acima dos limites permitidos das substâncias abaixo listadas : Chumbo Mercúrio Cádmio Cromo hexavalente Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls) Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominated diphenyl ethers) Cádmio < 0,01% peso Outros < 0,1% para materiais homogêneos nos componentes

6 Quais são os desafios?!" # $ %!" # $ %

7 Retirar o chumbo Maior desafio na indústria PCBA em mais de duas décadas Sobressai à transição da montagem por pinos para SMT Haverá necessidades de implementar duas fábricas em uma Estanho-chumbo deverá ser separado de produtos Lead-free Impactos não somente nos processos de montagem Impacto abrangente no processo, de seleção de materiais ao retorno de campo Cada empresa deverá estar preparada para responder à um esperado aumento de questionamentos sobre o que a empresa está fazendo para se tornar Lead-free

8 Migração para tecnologia Lead-Free

9 Migração para tecnologia Lead-Free RoHS: impacto nas organizações Vendas e Marketing Engenharia: P&D, Processo, Fabricação, Qualidade Fabricação: custos / produtividade Compras Qualidade Assegurada Manutenção Suporte a Campo Recursos: tempo $

10 Migração para tecnologia Lead-Free Considerações comerciais Preço/estabilidade do custo dos materiais Disponibilidade dos elementos Manufaturabilidade Disponibilidade mundial e patentes das ligas Reciclagem de ligas e materiais Quantidade reciclada de materiais em solicitações de mudança (processo) Processo duplo: sem e com chumbo

11 Fatores Primários que Afetam a Soldabilidade Lead Free

12 Insumos Seleção de: Liga de Solda Fluxo PCB Acabamento da cobertura Material Componentes Revestimento dos terminais Material do encapsulamento Equipamentos e Ferramentais Apropriados

13 Ligas de Solda Lead-Free

14 Mercados e Ligas Utilizadas Ligas Utilizadas SnAgCu SnAg SnCu Janela de Fusão Indústrias Automotiva Telecomunicações Automotiva Eletrodoméstico Telecomunicações Empresas Panasonic Nokia Nortel Panasonic Toshiba Visteon Panasonic Nortel SnAgBi SnAgBiCu Militar / Aeroespacial Eletrodoméstico Militar / Aeroespacial Panasonic Hitachi Panasonic SnAgBiCuGe 216 Eletrodoméstico Sony Sn Zn 198,5 Eletrodoméstico Nec Panasonic Toshiba fonte IPC

15 Lead-Free Fluxos

16 Fluxos Níveis de Atividade do Fluxo (% de Haletos) - IPC J-STD-004 Low (0%) L0 Low (<0,5%) L1 Moderate (0%) M0 Moderate (0,5%-2,0%) M1 High (0%) H0 Materiais de Composição Rosin (RO) Resin (RE) Organic (OR) Inorganic (IN) High (>2,0%)- H1 Tipos de Ativadores : Menos Ativo Mais Ativo Rosin R Low Residue - LR Rosin Mildly Activated - RMA Rosin Activated - RA Water Soluble WSF (Hidro-Solúvel) Tipos de Fluxo quanto a Limpeza No Clean Hidrossolúvel - Clean Fluxos mais ativos apresentam melhores resultados para lead-free

17 Pastas de Solda Lead-Free Formulação Liga Metálica (85 90% em peso) Em forma de esferas Spray Drier ou Ultra-Som Diâmetro varia em função da aplicação Tipos 3-4: Celulares/Eletrodom Tipos 7-8 Fabricação de Componentes Fluxo (10 15% em peso)

18 Lead-Free: Acabamento das PCB s, Materiais e Revestimentos dos Componentes

19 Revestimentos PCB e Componentes

20 Acabamento das PCB s Imersão em Au Imersão em Ag Imersão em Sn ENIG (Ni / Au) OSP

21 Material dos Componentes Preocupações com o encapsulamento e revestimento dos terminais dos componentes para o processo Lead Free A qualificação para componentes com encapsulamento plástico lead free (sensíveis à umidade) baseada em normas internacionais Fabricantes estão pesquisando novos plásticos que suportem maiores temperaturas Revestimentos Materiais Base (Metais base) Cobre, latão, Prata-Paladium, Ferro Níquel, Aço, etc Estanho (Sn), Prata (Ag), Ouro (Au)

22 Componentes Sensíveis à Umidade Danos que podem ocorrer Fissuras por umidade Delaminação nas interfaces internas do encapsulamento Os danos acima podem provocar modos de falha como fios de contato elétrico partidos e balls de contatos elétricos levantados

23 Revestimento dos Terminais Aplicação de camada de metal melhorar a soldabilidade, proteger da corrosão e danos mecânicos melhorar sua aparência Requisitos para alternativas de revestimento Ponto de refusão aceitável Características de boa soldabilidade Alta adesão e rigidez mecânica Boa condutividade Possibilidade de Retrabalho Baixo Custo

24 Lead-Free Soldabilidade

25 Soldabilidade A solda é de fundamental importância para os produtos eletrônicos as ligas de solda têm a função primária de formar uma junção entre duas ou mais superfícies metálicas permitindo boa condução elétrica pelo aquecimento as ligas de soldagem são fundidas, após o resfriamento, as ligas unem duas superfícies metálicas Por exemplo: a união dos terminais dos componentes aos pads das PCB s Em relação à soldabilidade a PCB é fundamental no projeto os componentes representam a tecnologia de mercado a soldabilidade define o sucesso de um processo de montagem

26 Soldabilidade Conclusões for 60 min ~ Full wetting 10% wetting > 25% wetting

27 Lead-Free SMT

28 Impactos na Manufatura Eletrônica (1) Loader (2) Printer (3) AOI (4) Chip Shooter (5) Placer (6) Reflow (7) Montagem Manual (8) Wave (9) Inspeção/Testes SnPb Lead-free

29 SMT com Solda Lead Free Variáveis com maiores alterações Temperatura de fusão da liga de solda Química do fluxo: ativação, efeitos de temperatura Auto-alinhamento: tensão superficial e soldabilidade Aumento de solder balls, voids e curtos Confiabilidade dos componentes e do sistema montado Processos de Reparo e Retrabalho Compatíveis Processo de Soldagem Seletiva e Por Onda Compatíveis

30 Screen Printer

31 Impressão da Pasta de Solda Força de Impressão Velocidade de Impressão Frequência de Limpeza do Stencil Espessura do Stencil Abertura (Area Ratio) Design da Abertura Formato da Abertura

34 Estencils Tipos mais comuns de Estencils

35 Colocação dos Componentes (Placer)

36 Colocação dos Componentes SMT Existem, basicamente, dois tipos de Placers: Chip Placer ou Chipshooter e Large Parts ou Fine Pitch Placer Lead-free necessidade de maior acuracidade

37 Forno de Refusão (Reflow)

38 Perfil de Refusão Fonte: Speedline Technologies.

39 Junção Satisfatória SAC Refusão em Ar

40 BGA Resultado de processo Chumbo Pasta A Sn 63 Pb 37 Lead-free Pasta B SAC305 Voids => vazios, lacunas, bolhas, etc

41 LEAD-FREE SOLDA POR ONDA (WAVE)

42 Lead Free Solda Por Onda Equipamento utilizado para efetuar a aplicação de fluxo e metal (solda) fundido, interligando os componentes e placa de circuito impresso por meio de furos metalizados. Desafios: Proporcionar taxas de aquecimento homogêneas; Manter o menor T possível entre componentes;

43 Soldagem por Onda Lead-free Compatibilidade do Material do Pote de Solda com as Ligas de Solda: Corrosão na Máquina de Solda Fragilização da Junta de Solda

44 Janela de Processo

45 Soldabilidade com SAC305 (Onda) Variáveis do Processo que Impactam a Operação de Soldagem e Preenchimento do Furo Fluxo: conteúdo de sólidos, acidez e volume Temperatura dos pré-aquecedores Velocidade do conveyor Tempo de contato Temperatura do pote de solda Contaminação por chumbo Contaminação por cobre Contaminação por ferro

46 Soldagem Manual e Retrabalho Lead Free

47 Retrabalho : Diferenças e Problemas Diferenças Aumento da temperatura em 20 C Maior ênfase na transferência de calor Formação de Intermetálicos Diferenças nos ferramentais e equipamentos Corrosão mais rápida nas pontas dos ferros de solda Problemas Pode danificar rolamentos, motores e resistências Pode influenciar o volume de produção Provocar maior oxidação na PCB Provocar juntas de solda fracas Cuidados com contaminação

48 Lead-Free Métodos de inspeção

49 Inspeção visual Estanho-chumbo Estanho-chumbo é brilhante e homogênea Sem-chumbo : Fosca e granulada Menor geometria do filete Molhagem será menor Aspectos visuais de boas junções de solda: Boa molhagem Quantidade de solda correta Superfície sólida, forte e homogênea

50 Inspeção visual SAC 305 SnPb (eutética)

51 Raio-X verificação de integridade Junta de Solda QFP SnPb eutético Junta de solda QFP SnAgCu Mesmos lay-out e condições de análise Nenhuma Diferença Detectável

52 Lead Free Defeitos de soldagem

53 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Wave) Levantamento do Filete (Fillet Lifting) Solda desprende do Pad de Cobre Pad desprende do material do PCB Junta de Solda racha

54 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Wave) Picos de solda (Spikes - Icicles) Forma apontada Excesso de solda

55 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Wave) Bolas de Solda (Solder Balling) Micro-bolas de Solda

56 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Wave) Buracos / lacunas encapsuladas de Solda Void dentro do PTH (Voids - via metalografia) Causa: escape de gases do PCB Através de rachadura do cobre entre PCB e solda

57 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem superficial (Reflow) Voids vazios, buracos

58 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Wave) Fios de Estanho (Tin Whiskers)

59 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem SMT (Reflow) Solda fora da ilha de terminação (Pad) e no meio dos componentes Ponte (bridging)

60 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem superficial (Reflow) Sem molhagem Efeito Lápide (tombstoning) Pode gerar um circuito aberto

61 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem superficial (Reflow) Temperatura insuficiente Temperatura Excessiva Bom perfil térmico

62 Defeitos de soldagem Lead-Free Montagem superficial (Reflow) Picos de solda (Spikes - Icicles) Liga SAC a 260 o C

63 Lead Free Confiabilidade

64 Confiabilidade Planejamento de Testes de confiabilidade Ensaios de confiabilidade Temperatura e umidade Altas Temperaturas de Estocagem Autoclaves Vibrações Torção Condições de testes e duração 85º C / 85% u.r., 1000 horas 150º C, 1000 horas 121º C / 100% u.r. 96 horas Aplicação induzida de vibração, teste mínimo de integridade, vibração ramdômica em 3 eixos, 1 hora por eixo ± 5-10ºC, temperatura ambiente, > 5 horas Referências JESD22-A101-B JESD22-A103-B JEDS22-A102-C MIL STD 810E Tabela Ciclagem Térmica -40º-125ºC, 15 min ciclo, gradiente < 20ºC/min., câmara 3 zonas ar-ar, monitoramento contínuo in-situ IPC-SM-785, JEDS22-A104-B

65 Confiabilidade Boas junções de solda - sólidas e homogêneas Critérios de aceitabilidade IPC-A-610D SMT PTH Lado 1 SMT PTH Lado 2

66 Caso de Projeto

67 Projeto Caso Implementação e Otimização de Nova Tecnologia de Processo Fabril Lead-free Empresa: > Multinacional, fabricante de equipamentos de telecomunicação > Produção: aproximadamente 3 milhões de unidades/mês

68 Lead-free em PCBA SMT Situação Inicial: Processo Lead-free desde Set04 > Implementação LF com aumento de defeitos de 50% > Início dos trabalhos em Dez DPMU Evolution by Month - Printer Defects (from September to December/04) September October November December

69 Lead-free em PCBA SMT Analisar e otimizar o processo fabril almejando: > Redução de níveis de defeitos de soldagem de PCI s > Capacitação da equipe de colaboradores > Revisão das Condições de Trabalho nas Bancadas de Reparo/ Retrabalho

70 Lead-free em PCBA SMT > Análise das condições de processo > Identificação dos fatores críticos sobre os principais defeitos > Treinamento do pessoal > Realização de experimentos Desenvolvimento materiais e processos alternativos > Consolidação de fatores a incrementar melhorias > Implementação das melhorias em processos

71 Lead-free em PCBA SMT DPMU and SIGMA Evolution DPMU Sigma DPMU SIGMA Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05 Process changed Month 5.00 Conclusion: Reject Null Hypotesis for both DPMU and Scrap, after project implementation both were improved. Note: Pass/Fail proportion test was used.

72 Lead-free em PCBA SMT Bottom Line Results Solder Paste Process RoHS Compliance US$ Impact (Net hard dollars savings validated by Finance) Process Capability for Solder Paste Height Measurement for Mollusk Results: Cp=2.0 & Cpk=1.7 Published Papers Which is the best profile for soldering processes using Lead Free technology IPESI Magazine/2005 Lead Free Implementation - IMAPS/2005 Lead Free solder alloy implementation in a SMT plant IMAPS/2005 Case study correlating the thermal profile and laboratory analysis APEX/2006

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74 Instituto Eldorado Perfil Associação civil sem fins lucrativos, OSCIP Fundada em dez/1997 em Campinas/SP. Em operação desde mar/1999 Atuando na área de TIC, Tecnologia da Informação e Comunicação Dedicada a: Pesquisa e desenvolvimento (P&D) Capacitação profissional Mantida exclusivamente pelos projetos que executa

75 Prêmios e Reconhecimentos Smart Card Alliance Conference Out/ 2005 Transformation Innovation Award 100 maiores de Telecom Anuário Telecom 87ª maior organização de Telecom do Brasil (2004) 200 maiores de TI Anuário Informática Hoje 113ª maior organização de TI do Brasil (2004)

76 Certificações Projeto Testes Gestão

77 Equipe Eldorado 360 profissionais: crescimento de 6 vezes em 6 anos Dec99 Dec00 Dec01 Dec02 Dec03 Dec04 Dec05 Employees Trainees

78 Equipe Eldorado Perfil de formação 310 profissionais em tempo integral 290 em atividades técnicas 50 trainees!

79 Áreas de atuação Gerenciamento de projetos Projetos de P&D Software Software Embarcado Hardware Desenvolvimento de Processos Testes Outros projetos Programas de capacitação Laboratórios

80 Competências Ciência, Engenharia e Processamento de Materiais Metais: processos e materiais de brasagem e soldagem, tratamentos de superfície, recobrimentos, comportamento termo-mecânico e de fraturas, processos de cristalização Polímeros: processamento e engenharia de blendas e compósitos, adesivos Cerâmicas: recobrimentos anti-abrasivos, porcelanatos Técnicas de Análise de Falhas em Materiais Metalografia Verificações e Testes Elétricos Microscopia Ótica Testes de Balanço de Molhamento Microscopia Eletrônica (SEM & MEV) Técnicas de Raios-X Espectroscopia de E. Dispersiva (EDS) Fluorescência, Radiografia & Dispersão Metodologia de Análise de Pastas de Soldas Engenharia Industrial Modelagem Dinâmica Pesquisa Operacional Metodologias e Ferramentas Estatísticas

81 Contatos Joelson Fonseca Desenvolvimento de Processos Fone: Paulo R. S. Ivo Desenvolvimento de Negócios Fone: Instituto de Pesquisas Eldorado Rod. SP340, Campinas-Mogi Mirim, Km 118,5 CEP Campinas SP - Brasil Fone: (19)

82 Muito Obrigado!

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85 Palestrantes Joelson Fonseca > Engenheiro de Materiais > Gerente de P&D do D epto. de Desenvolvimento de Processos > Tem liderado a área nas iniciativas de implementação dos processos Lead-free nas empresas parceiras do IPE desde 2004 > Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais (DEMa/UFSCar) > Especialista em Gestão Estratégica da Inovação Tecnológica (UNICAMP): experiência de 10 anos em P&D na 3M do Brasil, Ipiranga Asfaltos S.A. e Instituto Eldorado

86 Nosso foco é processos de materiais

87 Objetivos Atuar como suporte técnico, consultoria e fonte de treinamentos especializados em: > otimização de processos fabris > implementação de processos de manufatura > projetos de desenvolvimento e otimização de produtos > projetos de desenvolvimento de tecnologias

88 Escopo de Atuação Processos de Manufatura > Otimização e Implantação de Processos > Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas > Melhoria de Qualidade de Processos e Produtos > Desempenho de produtos > Simulação de Processos > Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas de Processos > Melhoria de Lay-out e Fluxo de Processos Industriais > Implementação de Novas Tecnologias > p.ex.: processos de montagem eletrônica tipo Lead-Free

89 Time > Engenheiros de Materiais > Estatísticos > Engenheiros Elétricos e Eletrônicos > Analistas de Sistemas > Engenheiros de Processos e Industriais > Estagiários: estatística e engenharias Estagiários 20% Ph.D. 10% M.Sc. 20% Graduados 10% Especialização 40%

90 Casos de Projetos Otimização de Processo Fabril (PCBA) & Transferência de Tecnologia > Aplicação dos conceitos de: > Matelurgia de Soldagem Branda > Análise de Falhas em Materiais > Análise de Falhas > Delineamento de Experimentos Implementação e Otimização de Nova Tecnologia de Soldagem Branda (Lead-Free PCBA) > Aplicação dos conceitos de: > Metalurgia de Soldagem Branda e Metalurgia de Ligas não-ferrosas > Análise de Falhas em Materiais > Delineamento de Experimentos > Engenharia Robusta Dimensionamento e Otimização de Células e Linhas de Produção > Aplicação dos conceitos de: > Lean Manufacturing > Simulação de Eventos Discretos > Delineamento de Experimentos Dimensionamento e Otimização de Logística Interna de Materiais e Recursos > Aplicação dos conceitos de: > Modelagem Dinâmica de Processos

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