UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS LABELECTRON LABORATÓRIO DE DESENVOLVIMENTO E TESTES DE PROCESSOS E PRODUTOS ELETRÔNICOS ESTÁGIO CURRICULAR II Período a Aluna: Carem Coelho Matrícula: Supervisora (a): Jane Gaspar Coelho Pinto Orientador: José Carlos Boareto Coordenador de Estágios: Paulo A. P. Wendhausen Florianópolis, maio de Concordamos com o conteúdo do relatório. Jane Gaspar Coelho Pinto

2 LABELECTRON LABORATÓRIO DE DESENVOLVIMENTO E TESTES DE PROCESSOS E PRODUTOS ELETRÔNICOS Rua José de Anchieta, 95 Bairro Balneário - Florianópolis/SC CEP Fone (48)

3 AGRADECIMENTOS Primeiro a Fundação Certi LABelectron, pelo convênio de estágio que permitiu e auxiliou esta experiência. Aos orientadores, Engª. Jane Gaspar Coelho Pinto e Engº. José Carlos Boareto pelo acompanhamento dos trabalhos, orientações, conselhos, conhecimento e experiência passados ao longo do período de realização das atividades, sempre de forma objetiva e profissional. Aos Engenheiros Gilberto Kondo e Mário José de Albuquerque da Empresa Parceira Produza S/A, pelos conhecimentos passados durante o acompanhamento da produção fabril, liberdade e confiança. À coordenadoria de estágios em Engenharia de Materiais, Paulo A. P. Wendhausen e Matheus Amorim Carvalho pelo acompanhamento e visitas realizadas durante o estágio. Aos colegas de estágio Luiz Victor N. Naufel e Thiago Bach pelo companheirismo e auxílio nos trabalhos. As pessoas que exercem trabalho fabril na Produza, Tatiane, Renata, Viviane, Juliana, Maria, Carla, Rita pela experiência repassada do conhecimento de alguns processos, auxílio nos trabalhos e companheirismo.

4 1 Introdução Placas de Circuito Impresso PCI Processo de Montagem Tipos de Laminados Processos de Acabamento Superficial Processos de Soldagem Tecnologia SMT (Surface Mount Technology) Tecnologia THT (Through Hole Technology) Principais Atividades Realizadas Soldagem por Onda Máquina de Solda Onda Wave Soldering Fluxo Pré-aquecimento Soldagem Etapas Finais Revisão e Teste Funcional Limpeza das Placas Eletrônicas Aplicação de Revestimento Estudo de Caso - Análise da Junta de Solda Apresentação da PCI Acabamento Superficial ENIG Quantidade de fluxo aplicada Terminais dos Componentes PTH e Dimensão dos Furos Formação da Junta de Solda Formação do Composto Intermetálico Apresentação de Resultados Resultados dos testes com aplicação de fluxo Outras Atividades - Inspeção Visual de BGA e µbga Referências Bibliográficas Anexos... 31

5 1 Introdução Este relatório tem como objetivo apresentar as atividades realizadas durante o estágio curricular II no LABElectron, que é um laboratório-fábrica da Fundação Certi, e tem como objetivo fornecer ao mercado soluções tecnológicas e inovadoras, através do desenvolvimento de projetos e da manufatura de produtos eletrônicos com parceria da empresa PRODUZA S/A. que realiza a montagem de placas eletrônicas em pequenas séries. O estágio foi realizado no setor de Engenharia Industrial (EI) sob a supervisão e orientação da Engª. Jane Gaspar Coelho Pinto e do Engº. José Carlos Boareto. A maior parte das atividades foi diretamente desenvolvida em fábrica, no acompanhamento da montagem de placas eletrônicas de componentes de tecnologia PTH e na soldagem dos mesmos pela máquina de soldagem por onda, utilizando conhecimentos da área de engenharia de materiais para otimização do processo. A máquina de soldagem por onda, assim como outros equipamentos da fábrica, foi adquirida recentemente necessitando de conhecimento do seu funcionamento, confecção dos seus documentos de procedimento operacional e de manutenção. Também 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 à soldagem de componentes também foram realizadas, como a inspeção visual microscópica de solda de componentes do tipo BGA (Ball Grid Array), análise de Raios X, determinação do perfil térmico das placas eletrônicas durante a soldagem por onda com auxílio do equipamento Slim KIC 2000, teste de contaminação por resíduos iônicos após a soldagem, preparação de folhas de processo, inspeção de qualidade e suporte na produção. 1

6 2 Placas de Circuito Impresso PCI As placas de circuito impresso são um componente básico para indústria eletrônica. Consiste num substrato chamado circuito impresso (PCI) onde são impressas trilhas de cobre, que têm a função de se conectar eletricamente aos componentes cada um com sua função específica e a PCI se comporta como um isolante. Os componentes podem ser resistores, capacitores, circuitos integrados, transistores, diodos e componentes magnéticos. As propriedades elétricas do circuito estão ligadas a dimensão das trilhas, como largura, espessura e espaçamento. A fabricação de uma placa de circuito impresso envolve o layout da placa, seleção de componentes, processos de fabricação, montagem e testes. 2.1 Processo de Montagem Existem duas tecnologias de montagem de componentes, a tecnologia de montagem através dos furos (Figura 1) (THT, do inglês Through Hole Technology), onde os pinos ou terminais dos componentes podem ser inseridos automaticamente por máquinas insersoras ou manualmente, e a tecnologia de montagem de superfície (Figura 4) (SMT, do inglês Surface Mount Technology), onde os componentes são 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 aplicação de pasta de solda, dispensando-se grande parte dos furos na placa. [1] 2

7 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 número de faces. O laminado pode ser constituído ou por um aglomerado de papel e resina fenólica, o fenolite, ou fibra de vidro e epóxi, ou ainda o composite que é um conjunto de papel, resina e fibra de vidro. O número 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 Após a fabricação 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 oxidação natural e ainda melhorar a soldabilidade das placas. Muitas PCI s são 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 3

8 (livre de chumbo) (Sn95,5/Ag3/Cu0,5). Devido a implantação das diretivas na Europa a partir de 2006, a RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances, Restrição de Certas Substâncias Perigosas) que restringe o uso de chumbo e outras substâncias perigosas para proteger a saúde humana e o meio ambiente, e WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment, Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos) que estabelece níveis mínimos de reciclagem que devem ser atendidos. Sendo assim os processos de acabamento necessitaram ser modificados. Apesar disso, no Brasil essas diretivas ainda não são obrigatórias. Existem alternativas como: ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), que é uma reação de deslocamento químico para depositar uma camada metálica sobre a superfície de metal da PCI. Nessa reação, o metal de base doa os elétrons que reduzem os íons metálicos carregados positivamente na solução. Motivados pela diferença de potencial, os íons metálicos em solução (por exemplo, íons de ouro no processo ENIG) são depositadas sobre a superfície da placa, deslocando simultaneamente íons da superfície de metal (por exemplo, íons de níquel no processo ENIG) volta solução. Essa reação é considerada auto-limitante, pois uma vez que a superfície de metal é chapeado, não há mais uma fonte de elétrons e a reação pará. Outro acabamento é o OSP (Organic Solderability Preservative), cobertura orgânica que protege o cobre até a soldagem. Forma uma camada protegendo a superfície do cobre até que sofra um processo térmico em que a camada é removida como a soldagem por onda. 2.4 Processos de Soldagem 2.4.1Tecnologia SMT (Surface Mount Technology) Os componentes SMD (Surface Mount Device) são montados sobre a superfície da PCI, após a aplicação da pasta de solda. A soldagem pode ser feita de várias maneiras, as mais usadas são por refusão em fornos, soldagem por onda e também pode ser feita manualmente. No processo de soldagem por refusão, primeiramente ocorre a impressão de pasta de solda sobre as ilhas com auxílio de uma placa de aço conhecida como estêncil. A pasta de solda realiza a conexão elétrica entre os componentes e a PCI, e é constituída por pó metálico contendo Sn, Pb, Ag e outros elementos de acordo com as especificações do processo, e fluxo. 4

9 O próximo passo é a inserção dos componentes realizada de forma automática por máquinas do tipo pick and place (pegar e colocar). Por fim é realizada a soldagem entre o componente e a PCI, através da refusão da pasta de solda, esta etapa é realizada em um forno que aquece a placa enquanto se movimenta por zonas com temperaturas diferenciadas em seu interior com auxílio de uma esteira rolante (conveyor). Em algumas PCI s que têm componentes SMD nos dois lados, o lado top tem o processo acima descrito e o lado bottom tem a impressão da pasta de solda substituída por aplicação de um adesivo epóxi que tem a função de segurar os componentes durante a soldagem por onda. As etapas de inserção e aquecimento também acontecem, porém no forno as zonas de aquecimento são modificadas para que seja feita a cura do adesivo. Após as etapas de inserção e cura do adesivo, a placa é encaminhada até máquina de solda onda onde é realizada a soldagem no lado bottom (Figura 6) Tecnologia THT (Through Hole Technology) Os componentes PTH (Plated Through Hole) que tem seus terminais banhados através do furo são inseridos e soldados dentro do furo. Este tipo de montagem proporciona uma ligação mecânica mais forte comparada a SMT, por este motivo, é utilizado na soldagem de componentes de maior massa, como conectores e capacitores maiores. Os processos de soldagem utilizados são por onda ou manualmente. Figura 7. Processo de montagem PTH 5

10 3 Principais Atividades Realizadas 3.1 Soldagem por Onda Máquina de Solda Onda Wave Soldering O relatório terá um enfoque na soldagem por onda, onde houve um tempo maior de dedicação durante o estágio. Este processo no LABelectron é realizado na máquina POWERFLOW N2 (Figura 8) da marca ERSA, adquirida recentemente, necessitando de estudo dos seus parâmetros e ajustes. Mais adiante será apresentado um estudo de caso de uma PCI que passou por este processo. A POWERFLOW N2, possui três etapas: Fluxagem, pré-aquecimento e soldagem. As PCI s têm seus componentes montados antes de serem inseridas na máquina, têm seu programa carregado pelo software da máquina que faz um ajuste automático das três etapas (Figura 9) e da largura do conveyor (esteira), dependendo do seu tamanho, a placa necessita de auxílio de um pallet para dar apoio no seu carregamento dentro da máquina. Figura 8. Máquina de Soldagem Powerflow N2 6

11 Esteira Pré-aquecimento Fluxador Tanque de solda onda Figura 9. Etapas da máquina de soldagem por onda Fluxo A primeira etapa é área de fluxagem. O fluxo é parte essencial para formação da junta de solda, pode ser aplicado de várias maneiras, por espuma (foam fluxer), onda de fluxo e por spray. A aplicação nesta máquina se dá por spray no lado bottom da placa e pelo software é possível controlar a quantidade e área onde deve ser aplicado. O aplicador de spray consiste num braço robótico que anda de um lado para outro, enquanto a placa recebe a aplicação de fluxo. Nas primeiras máquinas de solda por onda, o fluxo era aplicado manualmente com auxílio de um pincel. A antiga máquina de soldagem por onda utilizada no LABelectron, a Eletrovert modelo Econopack II, fazia a aplicação de fluxo era por um fluxador de espuma, o tanque do fluxador consistia em dois tubos poliméricos porosos, chamado de pedras aeradoras que ficam submersas no fluxo. Os tubos eram conectados a mangueiras de ar comprimido que forçavam a saída desse ar através de poros, que geravam bolhas que fluíam até a superfície do fluxo e são guiadas até a posição de contato com a placa, através de um bocal cônico com uma abertura de 5 mm de largura. 7

12 Figura 10. Fluxador por espuma da máquina 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 sólidos e de acidez. Para garantir essa eficiência era necessário controlar as propriedades do fluxo diariamente e corrigir com diluente, e quando ainda não fosse possível corrigir descartava-se o fluxo, gerando desperdícios. Já na máquina nova o fluxo fica armazenado no reservatório dentro da máquina no seu próprio recipiente, uma mangueira é colocada em seu interior, desta maneira o fluxo não fica exposto ao ar livre evaporando os solventes, não alterando significativamente ao longo do tempo o índice de acidez e o percentual de sólidos no fluxo. O tipo de fluxo deve ser escolhido de acordo com a maneira de aplicação. Ele tem a função de limpar as superfícies que vão ser unidas e desoxidar as superfícies metálicas em altas temperaturas sem decomposição, e assim, garantir melhor molhabilidade dos terminais durante a formação da junta de solda. O fluxo utilizado na máquina POWERFLOW N2 é o RF 800 No Clean do fornecedor Cookson Electronics. O fluxo é composto por resina orgânica extraída da seiva do pinheiro, o Rosin, e outras resinas sintéticas. O ingrediente ativo no Rosin é o ácido abiético que ataca e reduz o óxido de cobre nas ilhas da placa. O No Clean especificado no fluxo, indica Sem Limpeza, porém não quer dizer que não fique resíduo sobre a placa. O resíduo de fluxo vai depender da quantidade aplicada à placa e se vai ser prejudicial ou não, pois resíduos podem ser corrosivos se não limpos adequadamente. Na antiga máquina de soldagem por onda, a Eletrovert, os resíduos de fluxo eram mais agravantes e a limpeza ficava mais difícil, devido a um problema de contaminação do tanque, 8

13 que acabava gerando um resíduo que aderia na placa, este problema aumentado pelo excesso de fluxo aplicador por espuma Pré-aquecimento O pré-aquecimento tem a função de: - Reduzir o choque térmico da placa ao chegar à solda onda; - Ativar o fluxo; - Evaporar o solvente do fluxo; - Evitar o empenamento da placa durante a soldagem. Deve-se tomar cuidado no pré-aquecimento com alguns componentes do tipo PTH e SMD que são mais sensíveis às altas temperaturas, necessário que não sejam montados e soldados na máquina de soldagem por onda, e sim manualmente. A ativação térmica do fluxo é necessária para que depois da soldagem não fiquem materiais ativos do fluxo deixando a placa com aspecto ruim de solda e resíduos de fluxo que podem oxidar terminais e a PCI. Há limites de tempo em que os componentes SMD podem ficar imersos na solda. A metalização que realiza as conexões elétricas nas extremidades dos dispositivos pode ser dissolvida. Em placas de multilayer há problema na obtenção de pré-aquecimento suficiente devido à maior massa térmica nestas placas. Se o pré-aquecimento é apenas aplicado no lado bottom da placa há um problema com o epóxi-vidro que podem ser queimados e o lado top não chega à temperatura suficiente para ativar o fluxo e realizar uma boa junta de solda dos componentes PTH. No LABelectron o sistema de pré-aquecimento da máquina POWERFLOW N2 é na parte bottom, possui três zonas, que emitem calor por convecção e infravermelho. As temperaturas das zonas são aproximadamente 150ºC, 200ºC e 60% de potência emitida de calor. Com essas temperaturas é possível chegar entre 85 a 110ºC na placa que são as temperaturas necessárias para ativar o fluxo. As temperaturas de pré-aquecimento são modificadas de acordo com o tamanho da placa e densidade dos componentes. A temperatura em que a placa chega também é influenciada pela velocidade do conveyor Soldagem 9

14 A zona de soldagem da POWERFLOW N2 é composta por um tanque de solda que contém a liga de solda fundida de SnPb, a bomba que expele a solda pelo nozzle (bocal), e o nozzle. Há formação de duas ondas, uma laminar e outra turbulenta formadas pelo mesmo bocal. O tanque de solda é alimentado pela liga de 63% Sn e 37% Pb, formando uma liga eutética tem que seu ponto de fusão a 183ºC, menor ponto de fusão para uma liga SnPb. O tanque mantém a liga a uma temperatura de 245ºC. A máquina é alimentada com barras de liga de SnPb quando é realizada a retirada da borra do tanque de solda e seu nível de liga está baixo. A PCI tem seu lado bottom molhada pela onda de solda. A soldagem se dá 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 área bottom da placa, forme uma boa junta intermetálica e não transborde sobre a PCI. Para verificar a altura da onda é utilizado um level check (placa de vidro) para que se possa ver o quanto a placa é banhada pela onda. Durante o acompanhamento da soldagem por onda, foram presenciados defeitos deste processo, como: - Sombra que leva alguns pontos de componentes não levarem solda, causada pela máscara de solda aplicada em excesso em locais que não 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; - Não formação 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 préaquecimento, maior tempo de contato com a solda, sendo isso resolvido então com a diminuição da velocidade do conveyor ou aumento da temperatura das zonas. 10

15 Existem maneiras de melhorar a soldagem como: ampliar a onda, produzindo maior contato entre a onda e a placa, o ângulo de inclinação na soldagem para reduzir a incidência 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 máquina de solda onda é laminar e turbulenta no mesmo bocal, tem a função também de eliminar alguns defeitos como sombras, já citadas anteriormente, que podem acontecer em componentes do tipo SMD (Figura 13). A sombra é definida como a área (face traseira) do componente que não entra em contato com a onda laminar, não recebendo quantidade de solda suficiente. Com apenas a onda laminar dependendo da direção em que irá passar pela onda, o componente de um lado pode ficar sem solda, a junção das ondas laminar e turbulenta (Figura 12), a turbulenta tem a função de pegar pontos que podem ficar sem solda devido a sombra causada pelo próprio componente ou gerada por máscara de solda ou terminais de outros componentes. 11

16 Figura 12. Onda turbulenta e laminar mesmo bocal Sentido do movimento da placa Sentido do movimento da placa Pontos que não serão molhados Sombra nos componentes Figura 13. Exemplo de um layout de uma PCI onde componentes SMD causam sombra nos componentes que estão em posição diferente. Figura retirada do livro The Handbook of Machine Soldering, de Ralph W. Woodgate Etapas Finais Após a soldagem as placas passam pelo processo de revisão, teste funcional, limpeza e aplicação de conformal coating (verniz) Revisão e Teste Funcional A revisão após soldagem por onda tem a função de verificar e reparar manualmente defeitos ocorridos como falta de solda, curtos, estalactites, componente deslocado, etc. O teste funcional é realizado para testar as funções da placa. 12

17 Limpeza das Placas Eletrônicas O fluxo utilizado na máquina de soldagem por onda no LABelectron é do tipo No Clean já citado anteriormente, Sem Limpeza refere-se ao fato de que os resíduos que ficam na placa após soldagem automática não são prejudiciais a funcionalidade da placa, portanto não necessitando de limpeza após a soldagem, apenas quando se tem alteração na quantidade. Já com a soldagem manual devido ao alto teor de resíduos do fluxo utilizado podendo gerar contaminação e levar a perda da sua funcionalidade em curto prazo. Para aplicação de verniz na superfície da PCI é necessário que ela esteja limpa, portanto remoção de resíduos de fluxo deve ser feita. A limpeza é realizada manualmente com auxílio de um solvente a base de Fluxoeno da marca Electrolube, o Eflu. É aplicada uma pequena quantidade sobre a superfície da placa e com pincel ou pano anti-estático é realizada a limpeza Aplicação de Revestimento Após a limpeza, alguns componentes como conectores, entradas e saídas da placa são isolados, pois o revestimento aplicado é um isolante elétrico. O revestimento é chamado de Conformal Coating (verniz) consiste numa fina camada polimérica que irá proteger a superfície da placa e dos componentes contra umidade, oxidação, poeira e corrosão. Ele também atenue as vibrações e possíveis tensões mecânicas que as placas venham a sofrer durante o seu funcionamento. O verniz aplicado nas PCI s é de poliuretano (PU) polímero termofixo excelente resistência a ataques químicos. A aplicação é feita com auxílio de um pincel de maneira uniforme evitando o excesso para a não formação de bolhas, o local da aplicação deve ser feito em uma capela ou sob de coifas e utilizando máscaras respiratórias evitando a inalação do produto. A cura do verniz é feita em temperatura ambiente durante 24 horas ou em forno com temperatura de aproximadamente 80ºC durante 90 minutos. 13

18 3.2 Estudo de Caso - Análise da Junta de Solda após o Processo de Soldagem por Onda O LABelectron tem a competência no desenvolvimento de produtos eletrônicos, quando uma nova placa eletrônica é introduzida, primeiramente informações e condições necessárias são geradas para atender às especificações e aos requisitos exigidos no sua confecção. São feitos teste piloto e validação do projeto e processo produtivo. Possuindo então a célula NPI (integração de um novo produto), onde são produzidas, pré-séries e lotes piloto, permitindo ajustar parâmetros de processo ao produto em questão, buscando atingir níveis de qualidade. Eventuais erros e dificuldades de processo são identificados, assim podem-se buscar novas alternativas e soluções, reduzindo retrabalhos e perdas. Devido à introdução desta nova placa e a otimização do processo de soldagem por onda, uma conseqüência foi investigar causas dos defeitos ocorridos. As especificações sobre aceitabilidade de placas eletrônicas podem ser investigadas na norma IPC A 610. A qualidade das juntas soldadas é um fator chave para confiabilidade das PCI. Após a soldagem de uma série de placas verificou-se que a solda quase não 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 possíveis causas foram: oxidação do acabamento superficial, quantidade insuficiente de fluxo, terminal mal pré-formado e dimensão dos furos na PCI. Para análise foram feitas metalografias dos terminais dos componentes PTH e testes com mudanças nas variáveis da máquina de soldagem por onda Apresentação da PCI Esta PCI é fabricada em painéis com nove placas em cada painel. O seu laminado é de tipo multi-layer possuindo várias camadas de cobre impressas no seu interior que são interconectadas. O seu acabamento superficial é 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 impressão da pasta de solda, inserção e soldagem no forno de refusão CONCEPTRONICS. Para a soldagem dos componentes SMD do lado bottom, foi realizada a aplicação da cola adesivadora, inserção e cura da cola no forno de refusão para que na soldagem por onda os 14

19 componentes não fossem arrancados. Os componentes PTH montados no lado top e os SMD do lado bottom são soldados na máquina 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 não serão citados Acabamento Superficial ENIG ENIG Electroless Nickel Immersion Gold Imersão de Níquel em Ouro O ouro é ideal para utilização em acabamentos, pois não forma óxido, não é afetado pela variação de temperatura e pelas condições de armazenamento, o que pode reduzir a vida útil de outros tipos de acabamentos. O ouro se dissolve bem em solda o que produz uma molhabilidade superior. Porém, o ouro pode apresentar problemas quando em excesso. Existe uma norma que especifica a fabricação 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 migração de cobre para a superfície da placa levando a sua oxidação e assim afetando a soldabilidade, é adicionada uma camada de níquel para separar os metais. A camada de deposito de níquel varia de 3 a 5µm de espessura, e de ouro de 0,05 a 0,15µm para evitar a oxidação do níquel. A espessura da deposição varia de acordo com a temperatura, parâmetros químicos, tempo de banho. O banho de níquel é realizado a altas temperaturas e tempo de permanência longo até atingir a espessura necessária. O banho de ouro também é realizado a altas temperaturas e com tempos de paradas. As especificações de temperatura, tempo de permanência, agitação e controle químico, devem ser seguidas para que não ocorram defeitos e afetem a soldabilidade. Um problema que pode ocorrer devido ao processo de fabricação é com a camada de ouro. A função desta camada é proteger o níquel da oxidação, porém a camada de ouro fina é porosa, e o níquel migra para a superfície e ocorre sua oxidação afetando então a soldabilidade, esse defeito é chamado de Black Pad. Alguns desses defeitos só são percebidos 15

20 após 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 Quantidade de fluxo aplicada O fluxo é 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 pré-aquecimento depende de muitas variáveis como a velocidade do conveyor, tipo de componentes e substrato (PCI). O fluxo utilizado já foi citado anteriormente, é o RF800 da marca Cookson Electronics, No Clean, é aplicado por spray no lado bottom da PCI. Durante o préaquecimento a placa deve atingir no lado bottom temperaturas entre 85ºC e 110ºC, segundo o fabricante para que o fluxo seja ativado, remova os óxidos metálicos, forme o cone ideal no terminal PTH e uma boa junta de solda. O perfil térmico do pré-aquecimento pode ser traçado com auxílio de um equipamento, o Slim KIC 2000, possui termopares que são dispostos estrategicamente na PCI, como exemplo dois termopares no lado bottom, um na frente e outro atrás, e no lado top. Isto também garante se estão corretas as temperaturas fixadas na máquina e se atingirá os objetivos do pré-aquecimento. Abaixo o gráfico obtido pelo Slim KIC 2000, indicando as temperaturas na PCI obtidas ao longo tempo apenas do pré-aquecimento da máquina de solda. 16

21 Figura 14. Gráfico obtido pelo Slim KIC 2000 da PCI, temperaturas das zonas da máquina e temperaturas no bottom da PCI durante o pré-aquecimento. Pelo gráfico obtido podemos ver que a placa atingiu a temperatura desejada entre 85ºC e 110ºC, então o pré-aquecimento atingiu o objetivo esperado de ativar o fluxo Terminais dos Componentes PTH e Dimensão dos Furos A pré-formagem dos componentes foi feita manualmente, isso faz com que os terminais fiquem tortos e ao encaixar nos furos exista alguma dificuldade. Os furos também apresentaram um empecilho, devido ao seu dimensionamento, também apresentando dificuldade no encaixe pelas montadoras. Havendo terminais que se encaixam normalmente e outros não Formação da Junta de Solda A força da junta de solda deve forte para resistir suficientemente para agüentar algum cisalhamento, tração, ou uma combinação de ambos que possam ocorrer quando a PCI já estiver em campo. 17

22 Terminal do componente Componente Junta de solda Acabamento de cobre PTH Placa de circuito impresso Figura 15. Exemplo de 100% de preenchimento de furo. Figura retirada do livro Soldering in Electronics Assembly, de Mike Judd & Keith Brindley. É a tensão de superfície da solda que define a molhabilidade de um metal, deve ser utilizada uma solda com uma baixa tensão superficial possível. A superfície a ser soldada deve estar limpa. A norma IPC A 610 especifica a condições mínimas de aceitabilidade de juntas soldadas de furos metalizados. São especificadas a molhabilidade do lado top e bottom, enchimento vertical do furo, porcentagem da área da ilha coberta de solda no lado top e bottom. Figura 16. Enchimento 100% do furo. Condição alvo Figura 17. Enchimento 75% do furo. 18

23 Figura 18. Molhagem Circunferencial 180º Figura 19. Molhagem Circunferencial 270º Figura 20. Condição alvo da formação do cone de solda no lado top Formação do Composto Intermetálico Durante a soldagem a formação do composto intermetálico na junta soldada é de extrema importância para que haja uma boa aderência da liga de solda ao cobre que garanta uma boa resistência mecânica e conduza corrente elétrica na PCI. O composto intermetálico é formado entre a junta de solda e a superfície metalizada da PCI. Com uma soldagem adequada irá formar uma camada intermetálica mínima, posto que apesar de apresentar elevada dureza, mostra-se frágil podendo se tornar quebradiça. A formação do composto intermetálico depende do tipo de solda e do acabamento superficial. Quando o terminal não é banhado através do furo, ficando um elo fraco quando solicitado mecanicamente. Para verificar se houve um bom molhamento no furo metalizado é feita análise microscópica da junta, analisa-se então se houve a formação de composto intermetálico. A formação do composto intermetálico é a prova de que ocorreu o molhamento através do furo. 19

24 Figura 21. Seção ampliada de um terminal de um componente PTH. O composto intermetálico é claramente visível 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 Apresentação de Resultados Serão apresentadas imagens dos terminais soldados da PCI que não tiveram um bom preenchimento. Figura 22. Terminais PTH sem preenchimento total do furo. 20

25 Figura 23. Vista lateral dos terminais PTH, sem formação do cone de solda. Figura 24. Vista superior dos terminais PTH, sem molhagem circunferencial. Serão apresentadas micrografias dos terminais para análise da formação do composto intermetálico em umas das placas em que não se atingiu o resultado do preenchimento e cobertura da ilha no lado top, e em alguns terminais foi retrabalhado para forçar o preenchimento do furo. 21

26 Figura 25. Terminal CN1 aumento 200x. Figura 26. Terminal CN1 aumento 12,5x. O terminal do componente CN1 apresentado nas figuras anteriores apresentou a formação do composto intermetálico (Figura 25), porém não apresentou preenchimento 100% do furo (Figura 26), apresentando em torno de 75%, apesar de ter atingido o mínimo estabelecido pela norma IPC A 610, como a demanda de trabalho na fábrica são de pequenas séries é imprescindível atingir 100% de preenchimento dos furos, pois não se pode ter um controle que todas as placas atingem os 75%, por ser pequenas séries o número de defeitos será grande. Alguns terminais foram retrabalhados para análise do terminal através das micrografias a fim de verificar a qualidade e se não apresentam defeitos, abaixo nas figuras. Figura 27. Terminal D7 retrabalhado, Figura 28. Terminal D7 retrabalhado, 200x. aumento de 50x. 22

27 Nota-se a formação do cone nos lados top e bottom (Figura 27), porém verifica-se uma trinca quando a imagem é aumentada (Figura 28). A formação de trinca, ou vazios é o que pode ocorrer quando os terminais dos componentes são retrabalhados, por isso é necessário ajustes durante a soldagem por onda, pois o retrabalhado não é desejável, levando a PCI em curto prazo perda da sua funcionalidade Resultados dos testes com aplicação de fluxo Foram realizados testes, primeiramente com a aplicação de fluxo de maneira manual no lado top com auxílio de um pincel, aplicando de maneira excessiva e depois a placa posta na máquina de soldagem por onda para realizar a soldagem. Logo após foram obtidas as seguintes imagens: Figura 29. Vista lateral dos terminais PTH, após aplicação de fluxo no lado top. Figura 30. Vista superior dos terminais PTH, após aplicação de fluxo no lado top. 23

28 O segundo teste consistiu em dobrar a quantidade de fluxo aplicada pela máquina de solda onda, de 30 % para 60%. Abaixo as imagens obtidas após a soldagem: Figura 31. Vista lateral dos terminais PTH, após o dobro de fluxo durante a soldagem. Figura 32. Vista superior dos terminais PTH, após o dobro de fluxo durante a soldagem. Visto que o objetivo do pré-aquecimento foi atingido, o problema pode ter ocorrido pela pouca quantidade de fluxo aplicada. Como mostrado nas imagens após a aplicação manual de fluxo no lado top e com o dobro quantidade, verifica-se que houve a formação do cone no lado top da PCI e molhabilidade também. O aumento da quantidade de fluxo pode se desenvolver problemas como resíduos iônicos gerando contaminação e futuros problemas na funcionalidade de PCI s, para certificarmos que a quantidade modificada não haveria problemas, o teste resíduos iônicos foi realizado no equipamento C3 da FORESITE e como mostra no gráfico abaixo a quantidade não é prejudicial, apresentando-se limpa. 24

29 Figura 33. Gráfico do teste de resíduos no lado top da PCI, o fluxo foi aplicado com auxílio de um pincel, nota-se que durante os primeiros 60 segundos a placa manteve-se com a corrente entre 100 e 150µA, apresentando-se então livre quantidade de resíduos prejudiciais, não chegando a atingir os 500µA que indica que a PCI está contaminada. O teste consiste na coleta de resíduos pela aplicação de uma corrente em função do tempo. O limite máximo de corrente medida é de 500µA. O ciclo de leitura do teste leva 180 segundos, se o limite máximo de corrente atingir ou ultrapassar os 500µA, nos primeiros 60 segundos ou menos, a amostra coletada será considerada suja. O limite máximo atingido neste teste foi de 160µA durante os 180 segundos, a placa apresentando-se limpa, sem contaminação por resíduos iônicos. Os outros testes de resíduos realizados com aplicação de 60% de fluxo também apresentaram-se livres de contaminação no lado top e lado bottom. Tendo em vista que a não molhabilidade da ilha pode ocorrer devido à oxidação do acabamento superficial da PCI, como por exemplo, a migração de níquel para a superfície devido à porosidade da camada de ouro aplicada, pode-se verificar que após os testes com o fluxo que o acabamento está em condições de receber solda e não apresenta oxidação. A dimensão do furo pode ter influenciado para que o fluxo não atingisse o lado top do furo para a formação da junta de solda, porém com as micrografias feitas dos terminais dos componentes soldados (Figura 26), pode-se concluir que há espaço entre o terminal e o furo metalizado para que o fluxo pudesse fluir até o extremo oposto do furo. 25

30 3.4 Outras Atividades - Inspeção Visual de BGA e µbga BGA (Ball Grid Array) é um tipo de encapsulamento (packpage) utilizado em circuitos integrados de componentes, onde são inseridos pequenos pontos de solda no seu lado inferior, que são soldados diretamente na PCI, arranjados em grade/matriz. A placa passa pelo procedimento de aplicação de pasta de solda, inserção do componente e soldagem no forno de refusão. O BGA é utilizado em vários tipos de componentes, entre eles chipsets e chips de memória.. É um tipo de encapsulamento onde os terminais de contato são do tipo esfera (ball). São esferas com diâmetro 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 refusão podem ocorrer curtos. Como são componentes com dimensões mínimas se faz necessário auxílio de um equipamento especial na sua inspeção, pois a olho nu não é possível. Para a inspeção de componentes em que não se tem acesso direto internamente para sua verificação, utilizam-se fibras ópticas, micro-câmeras com alta resolução, além de sistema de iluminação, fazendo a imagem aparecer na tela de um computador. O equipamento ERSA ESCOPE, é o que realiza esta inspeção no LABelectron. São inspecionados em BGA, curtos (união) entre as esferas, análise da qualidade da solda, etc. Porém, é possível apenas visualizar curtos que se encontram nas extremidades do BGA. Abaixo estão imagens realizadas pelo equipamento ERSA ESCOPE em que pode ser ver as esferas boas e um defeito como a união entre duas esferas (curto). 26

31 Figura 35. Fotos das esferas. À esquerda balls perfeitos, à direita curto (união) entre balls. Pode-se também verificar as esferas do componente através da inspeção de Raios X. No desenho do componente no seu lado bottom está onde as bolas de solda ficam dispostas. Figura 36. Raios X do componente Figura 37. Desenho do componente retirado da sua ficha de dados 27

32 4. Conclusão O estágio realizado no LABelectron foi de grande importância profissional, visto que me possibilitou conhecer o processo de montagem de placas eletrônicas, dos equipamentos utilizados e aplicação de conceitos a fim melhorar alguns processos. Experiências foram adquiridas com o convívio com profissionais da área desde o chão de fábrica ao diretor, contribuindo para a formação profissional. Sendo que o processo de montagens de placas eletrônicas não é abordado durante as fases acadêmicas do curso de Engenharia de Materiais da UFSC, assim, o estágio na área veio a agregar um novo conhecimento em uma área com muita aplicação tecnológica. Vivenciar o funcionamento de uma empresa, o trabalho de suporte da produção, o relacionamento entre as pessoas, a importância de se envolver nos desafios e de se propor melhorias são alguns aprendizados que o estagiário pôde vivenciar e que somente é possível quando se é parte de uma empresa. 28

33 Referências Bibliográficas [1] MELO, Paulo R. de Sousa; RIOS, Evaristo C. D.; GUTIERREZ, Regina Maria Vinhais. Placas de Circuito Impresso: Mercado Atual e Perspectivas. Disponível em: < cimento/bnset/set1406.pdf>. Acesso em: Abril/2011. [2] MENDES, Luis Tadeu Freire. Estudo Experimental da Migração Eletroquímica em Soldagem Eletrônica Sn/Ag/Cu Lead Free. São Paulo: EPUSP, Volume I. Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, [3] Projeto de Placas de Circuito Impresso. Disponível em: < me/manual/curso/intro.htm>. Acesso em: Abril/2011. [4] MATOS, José Mario. Relatório de Estágio Curricular I. Florianópolis: Laboratório de Desenvolvimento e Testes de Processos e Produtos Eletrônicos Labelectron, Relatório de Estágio, Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, [5] NEVES, Guilherme Oliveira. Relatório de Estágio Curricular III. Florianópolis: Laboratório de Desenvolvimento e Testes de Processos e Produtos Eletrônicos Labelectron, Relatório de Estágio, Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, [6] DORO, Marcos. Sistemática para Implementação da Garantia da Qualidade em Empresas Montadoras de Placas de Circuito Impresso. Florianópolis: UFSC, Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, [7] WOODGATE, R. W.The Handbook of Machine Soldering SMT and TH. 3 ed. New York: Hohn Wiley & Sons Inc.,

34 [8] ASSOCIATION CONNECTING ELECTRONICS INDUSTRIES. IPC-A-610: Acceptability of Electronics Assemblies Training and Certification Program, [9] ASSOCIATION CONNECTING ELECTRONICS INDUSTRIES. IPC-4552: Specification for Electroless Nickel/Immersion Gold (ENIG) Plating for Printed Circuit Boards, [10] COOMBS, Clyde F. Jr. Printed Circuits Handbook. 6th ed. New York: Mc Graw Hill, [11] PCB board surface of the final coating types introduced. Disponível em: < Acesso em: Maio/2011. [12] ENIG Related Problems. Disponível em: < pcb.org/index.php?option=com_content&view=article&id=91:enig-related- problems&catid=36:concept-and-objectives&itemid=57>. Acesso em: Maio/

35 Anexos a) Histórico LABelectron Inaugurado em 21 de agosto de 2002, o LABelectron possibilita oportunidades para empresas de base tecnológica estabelecidas na região de Florianópolis e no estado de Santa Catarina. O modelo adotado foi viabilizado por meio de uma parceria entre a Fundação CERTI, a empresa ALCATEL no Brasil e a empresa MEGAFLEX SUL. Este modelo foi implantado e mantido através de acordos de cooperação técnico-científico da Lei de Informática. As pesquisas em torno do LABelectron favorecem o desenvolvimento de novas tecnologias para a otimização do processo produtivo, da produção e de testes, a ponto de permitir um incremento substancial na qualidade final do produto. No dia 23 de agosto de 2005, a Fundação CERTI em parceria com a FINEP e inaugurou a Engenharia de Desenvolvimento de Placas Eletrônicas (EDP) do LABelectron. No dia 25 de abril de 2008 foi constituída a PRODUZA S/A, se constituindo na mais nova parceira do LABelectron, na vertente de implementação produtiva de produtos e processos eletrônicos com tecnologias inovadoras, focada na prestação de serviços de montagem de protótipos e produção de pequenas séries. 31

36 b) Cronograma de Atividades Graduação: Engenharia de Materiais - UFSC Área: Engenharia Industrial Empresa: LABelectron Estagiária: Carem Coelho Orientador: José Carlos Boareto Cronograma de Atividades Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Semanas Integração Elaboração de PO e IT Estudo de Soldagem por Onda Inspeção de Visual em BGA através ERSA ESCOPE e Raios X Treinamento TPM Treinamento Teste de Resíduos Suporte na produção Estudo de caso Manutenção POWERFLOW N2 Otimização da estação de trabalho de limpeza e aplicação de Conformal Coating Otimização dos parâmetros da POWERFLOW N2 Relatório de estágio Confecção de perfis térmicos Realização Delineamento de Experimento Soldagem por onda 32