DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE MONTAGEM DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

Transcrição

1 DESENVOLVIMENTO E OTIMIZAÇÃO DE PROCESSO DE MONTAGEM DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO José Mário Carneiro Vilela, Ana Luiza Resende de Castro, Paulo Ernesto Freiheit Côrtes, Wilson de Carvalho Junior, Luiza Marta de Mello Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais - CETEC, Av. José Cândido da Silveira, 2000, Belo Horizonte, MG, Brasil, CEP , vilela@cetec.br José Carlos Grilo Rodrigues, Laércio Caldeira, Tales Cleber Pimenta, Evandro Daniel Calderaro Cotrim, Robson Luiz Moreno, Antônio José de Souza, Luiz Fernando Barca Universidade Federal de Itajubá UNIFEI, Av. BPS, 1303, Itajubá, MG, Brasil, CEP , jcgrilo@gerson.iee.efei.br Ivan Carlos Braz Jabil Circuits do Brasil, Rua Haeckel Ben-Hur Salvador, 800, Contagem, MG, Brasil, CEP , ivan_braz@jabil.com Danielle de Souza Franco Rua Paissandú, 137, Belo Horizonte, MG, Brasil, CEP , dani-franco@bol.com.br Resumo. Neste trabalho foi projetada, montada e analisada uma placa de caracterização destinada a apoiar o desenvolvimento de um processo de montagem em dupla face de placas de circuito impresso. O projeto da placa foi realizado por técnicos da Lucent Technologies, tendo sido as placas montadas nesta empresa, em Belo Horizonte. Análises macro e microestruturais dos pontos de solda foram realizadas na Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais, CETEC-MG. Ensaios de confiabilidade foram realizados na Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI. As principais características da linha de montagem a serem atendidas são: utilização de solda PbSn de composição eutética; aplicação de solda e cola com estêncil; processo de solda por refusão na face superior da placa para componentes de superfície; processo de solda por onda na face inferior da placa para componentes de superfície posicionados na face inferior e componentes de furo passsante posicionados na face superior. Os principais resultados obtidos foram: o tamanho mínimo das áreas de solda deve ser de 1,5mmx0,3mm, com passo mínimo de 0,5 mm; componentes mais pesados como QFPs, PLCCs, capacitores eletrolíticos devem ser montados somente na parte superior da placa; deve-se utilizar estêncil de espessura de 0,2 mm para impressão da cola; deve-se utilizar preferencialmente pontos de colas em forma de barra. Não foi constatada influência da geometria das áreas de solda, do posicionamento vertical ou horizontal dos componentes, do formato dos pinos. Não foi observada a ocorrência de sombreamento dos pontos de solda causado pela solda onda. Não foram observadas alterações significativas após os ensaios de confiabilidade. Palavras-chave: montagem de placas de circuito impresso, caracterização de processo, projeto para a manufatura. 1. INTRODUÇÃO A montagem de placas de circuito impresso é uma das etapas básicas do processo produtivo da indústria eletro-eletrônica. Avanços tecnológicos deste setor industrial têm caminhado no sentido do

2 aumento das funções disponíveis nos equipamentos, o que implica em crescente densidade, bem como redução das dimensões de componentes nas placas de circuito impresso (Hutchins, 1995; Hwang, 1996). O projeto de placas de circuito impresso influencia fortemente não só nas suas funções, mas também em aspectos significativos de qualidade, confiabilidade, custo, fabricação e aceitação no mercado. Assim sendo, para otimização do processo de montagem destas placas faz-se necessária a perfeita sintonia entre as áreas de projeto e de montagem. Os projetistas de placas de circuito impresso são orientados pelas regras de detalhamento, nas quais são especificadas diretrizes com a finalidade de adequar o projeto à linha de produção. Para obtenção das regras de detalhamento utiliza-se normalmente uma placa destinada à caracterização do processo de montagem. Através dos resultados obtidos nesta placa pode-se explorar os limites do processo como, por exemplo, geometrias mínimas a serem utilizadas, densidade máxima de componentes, dimensões dos componentes utilizados. Este campo de atuação industrial, denominado projeto para a manufatura ou DFM (Design for Manufacturing), vem sendo cada vez mais empregado no desenvolvimento de novos processos e produtos reduzindo o tempo de implementação de novos processo e de lançamento de novos produtos.(tyler et al, 1999; Solberg et al, 2000) Neste trabalho foi projetada, montada e analisada uma placa de caracterização destinada a apoiar o desenvolvimento de um processo de montagem em dupla face de placas de circuito impresso. Esta placa objetivou, especificamente, o estudo do processo de soldagem dos componentes às placas de circuito impresso. 2. METODOLOGIA O projeto da placa foi realizado por técnicos da Lucent Technologies. As placas foram montadas na linha desta empresa, em Belo Horizonte. As principais características da linha de montagem a serem atendidas são: utilização de solda PbSn de composição eutética sem processo de limpeza após a soldagem; aplicação de solda e cola com estêncil; processo de solda por refusão na face superior da placa para componentes de superfície (SMD surface mounted devices ); processo de solda por onda na face inferior da placa para componentes de superfície posicionados na face inferior e componentes de furo passante (PTH pin through hole ) posicionados na face superior. O processo de montagem desenvolvido seguiu as mesmas etapas utilizadas em outras linhas de montagem da Lucent, empregando um estêncil de aço inoxidável com 0,15 mm de espessura para impressão da pasta de solda e um de 0,2 mm para impressão da cola. A pasta de solda utilizada foi a eutética chumbo-estanho pasta UP78 (63Sn37Pb) - e a cola foi a Loctite A refusão foi realizada em forno de convecção. Solda onda foi realizada na temperatura de 240 C ± 5 C. A seqüência de operações utilizada encontra-se descrita a seguir: Lado Inferior: 1. Deposição do adesivo através do método de impressão serigráfica (screen printing) 2. Colocação dos componentes de superfície (SMD) 3. Cura do adesivo no forno de refusão Lado Superior: 4. Deposição da pasta de solda pelo método de impressão serigráfica 5. Colocação dos componentes de superfície (SMD) 6. Solda dos componentes por refusão 7. Inserção manual dos componentes de furo passante (PTH) 8. Solda onda dos componentes do lado inferior e dos PTH Análises macro e microestruturais dos pontos de solda foram realizadas na Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais, CETEC-MG. As placas foram submetidas a inspeção visual a olho nu e com utilização de lupas. Para análise da microestrutura da solda, as placas foram serradas e alguns componentes criteriosamente escolhidos foram embutidos em resina epóxi e submetidos à preparação metalográfica devidamente adequada ao tipo de amostra (Holt, 1997; Nelsen, 1997; Reiter et al., 1995; Junior, 2002), de modo a expor os pontos de solda. A microestrutura da solda foi

3 observada por microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, microssondagem eletrônica e microscopia de força atômica. Ensaios de confiabilidade de permanência em atmosfera salina, vibração e ciclagem térmica, foram realizados no Laboratório para Teste de Equipamentos de Telecomunicação LTET, na Escola de Engenharia da Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI. As principais características avaliadas na placa de caracterização foram: tipos de componentes a serem utilizados e posição destes nas placas; aspectos do processo de cola utilizado; geometrias utilizadas nos estêncils de impressão da pasta de solda e cola, e possíveis alterações nas placas ou na microestrutura da solda após a realização dos ensaios de confiabilidade. Os diferentes tipos de componentes testados na placa encontram-se relacionados abaixo: capacitores cerâmicos e eletrolíticos (SMD) conectores (SMD e PTH) diodos (SMD e PTH) - SO, SOT circuitos integrados (SMD, PTH) - DIP 8, DIP 16, PLCC, QFP, SO, SOJ, SOL, TSOP transistores (SMD e PTH)- TO220, TO92, SOT fusíveis rede de resistores resistores (SMD, PTH) trimpots (SMD) potenciômetros (PTH) Objetivando reduzir o custo da placa de caracterização, no caso de componentes mais caros, como por exemplo alguns circuitos integrados, foram utilizados componentes dummies, ou seja, componentes sem o dispositivo em seu interior. As Figuras 1a e 1b mostram os lados superior e inferior da placa de caracterização após o processo de montagem da mesma. Figura 1a. Lado superior da placa de caracterização.

4 Figura 1b. Lado inferior da placa de caracterização. 3. RESULTADOS 3.1. Regras de Detalhamento Tamanho e Espaçamento Entre os Áreas de Solda Na primeira linha do lado superior da placa (Figura 1a) encontram-se montados diferentes componente QFPs nos quais foram testados o tamanho e os espaçamentos das áreas de solda. Os resultados obtidos mostraram que o tamanho mínimo das áreas de solda é de 0,30 mm x 1,50 mm e o passo mínimo entre elas é de 0,5 mm. Portanto esta regra aplica-se a componentes com dimensões iguais ou superiores às do QFP-28X A utilização de geometrias menores do que estas provocariam um aumento de curto circuitos entre as áreas de solda. Geometria das Áreas de Solda Foram testadas áreas de solda retangulares e com cantos arredondados. Apesar de reportado na literatura que áreas de solda com cantos arredondados são mais apropriadas, neste trabalho não foi verificada qualquer influência da geometria do contorno das áreas de solda nos ponto de solda, podendo-se utilizar qualquer umas delas. Distribuição dos Componentes nos Lados Superior e Inferior da Placa Esta regra foi testada montando os mesmos componentes nos lados superior e inferior da placa. Como pode ser observado nas Figuras 1a e 1b, vários componentes maiores e mais pesados estão faltando no lado inferior da placa. Este fato indica que os componentes mais pesados não puderam ser montados no lado inferior da placa uma vez que eles não fixam no processo de colagem. São eles: os QFPs, os PLCCs, os transistores TO220 e os capacitores eletrolíticos. Posicionamento dos Componentes : Vertical, Horizontal e 45 o A soldagem dos componentes SMD é realizada usualmente pelo processo de refusão. No processo desenvolvido neste trabalho, os componentes SMD do lado inferior da placa são soldados por processo de onda. Assim sendo, os mesmos componentes foram posicionados verticalmente, horizontalmente e a 45 o em relação à onda de solda. Os componentes em 45 o (QFPs e PLCCs) não

5 puderam ser avaliados quanto a este parâmetro uma vez que não colaram. Os outros componentes, posicionados paralelamente e transversalmente à onda, apresentaram pequena assimetria nos pontos de solda, o que não compromete o seu desempenho. Assim sendo, os componentes podem ser posicionados vertical e horizontalmente na placa. Sombra Causada pelos Componentes no Processo de Solda Onda No processo de solda onda, a onda pode ser bloqueada por algum componente, causando o sombreando de componentes vizinhos e impossibilitando a solda dos mesmos (Strauss, 1994). Para testar esta este efeito resistores foram posicionados próximos a dispositivos TSOP-32-W (linha G, Colunas 6, 7 e 8 do lado inferior). A altura do componente causador da sombra (TSOP-32-W) após a colagem é de aproximadamente 2 mm e o espaçamento entre ele e os resistores é de 2 mm, 3 mm, 4 mm e 7 mm. Não foi observado sombreamento destes componentes, indicando que esta distância é adequada ao processo de solda onda. Ladrões de Solda Para captura de eventual excesso de solda que pudesse ocorrer no processo por onda, foram colocadas áreas de solda grandes, denominadas ladrões de solda, nos cantos dos componentes PLCC e QFP, como pode ser observado nas linhas A e B do lado inferior (Figura 1b). Foi constatado acúmulo de solda nestas áreas, evitando a ocorrência de curto entre as áreas de solda reais. No entanto, a eficiência dos ladrões de solda não pode ser definitivamente comprovada uma vez que estes componentes, por serem muito pesados, não colaram e, consequentemente, não puderam ser soldados. Formato dos Terminais dos Componentes Foram testados componentes de furo passante PTHs (montados por solda onda) e SMDs (montados por solda onda e solda refusão) com diferentes formas de pinos. Nos componentes SMD foram testados os sem pinos (Metal Electrode Leadless) e pinos com formatos J e L. Não foram observadas não conformidades nos pontos de solda relacionadas com a forma dos pinos. Dimensão dos Pontos de Cola Foram testados pontos de cola de diferentes tamanhos. Pontos de cola menores resultaram em alturas também menores, dificultando a colagem dos componentes. Pontos de cola muito grandes podem espalhar-se muito durante a colocação dos componentes, estendendo-se até as áreas de solda, prejudicando assim a soldagem. Desta forma, no caso de componentes discretos (resistores, capacitores) os pontos de cola não devem ter dimensão maior do que 50% da separação entre as áreas de solda dos componentes. Número de Pontos de Cola Foram testados 1 e 2 pontos de cola em alguns componentes. No caso de componentes discretos com dimensões reduzidas apenas um ponto de cola é suficiente. No caso de componentes pesados (QFPs, os PLCCs, os transistores TO220 e os capacitores eletrolíticos) dois pontos de cola não foram suficientes para a colagem dos mesmos. Geometria dos Pontos de Cola Foram testados pontos de cola circulares e em forma de barras. Ambas as geometrias resultaram na mesma altura da cola e colaram igualmente bem os dispositivos, sendo que a forma de barra possibilita a aplicação de uma quantidade maior de cola. Por segurança, a geometria em forma de barra deve ser utilizada, quando possível. Estêncil de Solda O estêncil de solda de 0,15 mm de espessura mostrou-se adequado para o processo de solda no lado superior da placa.

6 Estêncil de Cola Para testar a espessura do estêncil a ser utilizado no processo de colagem dos componentes no lado inferior da placa foram feitos 2 estêncils para aplicação da cola: um com espessura de 0,15 mm (espessura utilizada no estêncil para aplicação de solda) e outro com espessura de 0,2 mm. Foi constatado que o estêncil de cola com espessura de 0,15 mm não foi adequado, resultando em pontos de cola com pouca altura, impossibilitando a fixação de vários componentes. O estêncil com espessura de 0,2 mm resultou em pontos de cola com altura adequada para a colagem dos componentes. Portanto, o estêncil de cola deve ter espessura de 0,2 mm Análise Macro e Microestrutural Para análise das possíveis não conformidades macroestruturais apresentadas pelo processo as placas de caracterização foram inspecionadas a olho nu e com Lupa. Nas Figuras 1a e 1b pode ser observada a ausência de alguns componentes. No caso do lado superior (Figura 1a) isto se deve ao fato de algum componente não estar disponível na ocasião da montagem da placa ou ao fato da estrutura projetada não ter sido corretamente reproduzida na placa, como ocorreu com as cadeias de resistores para teste da resistividade dos pontos de solda localizadas na parte de baixo do lado superior. Fora estes casos, esta ausência de componentes observada no lado inferior (Figura 1b) significa que não ocorreu a aderência no processo de colagem, devido ao peso excessivo dos mesmos. Defeitos como pinos desalinhados, tortos, e em curto, e arrancamento de áreas de solda puderam ser observados em algumas placas, como mostrado nas Figuras 2a e 2b. Estes defeitos, que, neste caso, podem ser atribuídos a inserção manual de componentes ou algum retrabalho no processo de montagem, são facilmente evitáveis e não significam uma limitação nas regras de detalhamento. (a) (b) Figura 2. Desalinhamento de componentes; pinos e/ou pads defeituosos: (a) componente QFP28X E8. Ampliação: 10x. (b) componente SOL-16-W E8. Ampliação: 7x. Análises da microestrutura dos pontos de solda foram realizadas através de Microscopia Ótica, Microscopia Eletrônica de Varredura/Microsssondagem Eletrônica e Microscopia de Força Atômica. A Figura 3 mostra imagem de microscopia ótica de um ponto de solda no qual pode-se observar a microestrutura, constituída de partículas ricas em Pb (fase α - escura ) em matriz rica em Sn (fase β - clara). Pode-se observar ainda a presença de vazios (2 pontos escuros) na solda. Devido ao pequeno tamanho destes vazios eles não chegam a constituir uma não conformidade no processo de solda (ANSI, 1994).

7 Figura 3. Microestrutura da solda do componente CC-1210-P: matriz rica em Sn (fase β - clara) e partículas ricas em Pb (fase α - escura). Ampliação: 480x. As Figuras 4a e 4b mostram imagens de Microscopia de Força Atômica da camada intermetálica formada entre a solda e a área de solda de uma componente após o processo de soldagem e após ensaio de ciclagem térmica. Pode-se observar que após a ciclagem térmica da placa não ocorre alteração significativa na camada intermetálica. 1µm 1µm (a) (b) Figura 4. Imagem de microscopia de força atômica da camada intermetálica entre solda e pad - componente TSOP-32-W E8: (a) Como Recebido. (b) Após Ciclagem Térmica. 4. CONCLUSÕES A utilização de uma placa de caracterização mostrou-se bastante útil no desenvolvimento do processo de montagem de placas de circuito impresso. As regras de detalhamento básicas relacionadas ao processo de soldagem puderam ser extraídas a partir dos resultados obtidos nesta placa. No desenvolvimento de novas placas de circuito impresso os projetistas utilizam, normalmente, aplicativos roteadores para conectarem os componentes e alterarem seus posicionamentos sobre a placa. Após esta atividade, é preciso fazer uso das regras de projeto através de um aplicativo específico (DRC Design Roule Checker), normalmente parametrizado pela empresa conforme

8 experiência que ela possua. As regras de detalhamento definidas neste trabalho, assim como os resultados encontrados, são excelentes referências de como parametrizar um DRC para ajustar o projeto ao processo de montagem. Esta atividade reduz drasticamente o número de ciclos de protótipos, custo e tempo de desenvolvimento de um novo produto. 5. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao Programa RHAE/CNPq pelas bolsas concedidas para realização deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Acceptability of Electronic Assemblies, ANSI/IPC-A-610, B, USA, dez Hutchins, C.L., 1995, Understanding and Using Surface Mount and Fine Pitch Technology, C. Hutchins & Associates, USA, 224p. Hwang, J.S., 1996, Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing, McGraw-Hill, USA, 622p. Holt, S.; 1997, Microeletronic, Part I: Cutting, Mouting, Tech Notes, Vol.. 3, No. 1, Buehler Ltd., 5p. Junior, W.C., 2002, Relatório Técnico Final de Bolsa de Iniciação Tecnológica Industrial, CETEC, Belo Horizonte, 35p. Nelsen, J.A., 1995, Microsectioning for Soldered Connection Analysis, Tech Notes, Vol. 1, No. 7, Buehler Ltd., 4p. Reiter, K.; Reiter, M.; Ahrens, T., 1996, Specials Aspect of the Metallographic Preparation of Electronic and Microeletronic Devices. Structure, Vol. 34, Struers, 9p. Solberg et al., 2000, SMT The Building Blocks, Vol. 14, No. 7, pp Strauss, R., 1994, Surface Mount Technology, Butterworth-Heinemann Ltd, England, 361p. Tyler et al., 1999, SMT Pathways to SMT, Vol. 13, No. 7, pp DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF PRINTED CIRCUIT BOARD ASSEMBLY PROCESS José Mário Carneiro Vilela, Ana Luiza Resende de Castro, Paulo Ernesto Freiheit Côrtes, Wilson de Carvalho Junior, Luiza Marta de Mello Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais - CETEC, Av. José Cândido da Silveira, 2000, Belo Horizonte, MG, Brasil, CEP , vilela@cetec.br José Carlos Grilo Rodrigues, Laércio Caldeira, Tales Cleber Pimenta, Evandro Daniel Calderaro Cotrim, Robson Luiz Moreno, Antônio José de Souza, Luiz Fernando Barca Universidade Federal de Itajubá UNIFEI, Av. BPS, 1303, Itajubá, MG, Brasil, CEP , jcgrilo@gerson.iee.efei.br Ivan Carlos Braz Jabil Circuits do Brasil, Rua Haeckel Ben-Hur Salvador, 800, Contagem, MG, Brasil, CEP , ivan_braz@jabil.com Danielle de Souza Franco Rua Paissandú, 137, Belo Horizonte, MG, Brasil, CEP , dani-franco@bol.com.br Abstract. In order to support the development of a printed circuit board (PCB) double face assembly process a characterization PCB was designed, mounted and analyzed. The design and the assembly of the board was performed at Lucent Technologies, in Belo Horizonte. Analysis of the

9 solder joints were performed at Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais, CETEC-MG. Reliability tests were accomplished at Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI. The main characteristics of the assembly process were: use of eutectic PbSn no-clean solder paste, stencilprinting process for adhesive and solder paste, reflow soldering on the top side for SMD components and wave soldering on the bottom SMD components and PTH components at the top side. The main results were: the minimal size of the solder lands should be 1.5 mm x 0.3 mm with a minimal spacing between them of 0.5 mm; heavier components such as QFPs, PLCCs and electrolitic capacitors should be mounted only on the top side of the PCB; for the adhesive stencilprinting process stencil thickness should be 0,2 mm; for the solder paste stencil-printing process stencil thickness should be 0,15 mm; adhesive to hold components on the PCB should have bar shape. It was not observed any influence of the rectangular or rounded shape corners of the solder lands, of the vertical or horizontal position of the components and of the component leads shape on the solder joints. Shadowing at the wave solder process was also not observed. Solder joints did not show any significant alterations after reliability tests. Keywords: printed circuit board assembly, process characterization, design for manufacture.