Rogério Henrique de Magalhães Pinto

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Rogério Henrique de Magalhães Pinto Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem UMinho 2015 Rogério Henrique de Magalhães Pinto fevereiro de 2015

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3 Universidade do Minho Escola de Engenharia Rogério Henrique de Magalhães Pinto Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia de Materiais Trabalho efetuado sob a orientação de Professor Doutor Aníbal José Reis Guedes Engenheiro José Luís Sousa Ribas fevereiro de 2015

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5 AGRADECIMENTOS Os meus agradecimentos são endereçados para todas as pessoas que contribuíram para a realização da minha Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais. Gostaria de agradecer ao Prof. Doutor Aníbal Guedes, que me orientou pacientemente neste desafio e pela constante disponibilidade em atender às minhas dúvidas. Quero agradecer à Bosch Car Multimedia SA por apoiar o meu desenvolvimento pessoal e profissional e por suportar os encargos financeiros para a realização desta dissertação. Um agradecimento especial para o Engenheiro Luís Ribas pela oportunidade de ingressar na sua equipa de trabalho. Um agradecimento especial também para o Ricardo Alves e Gonçalo Costa pelo acompanhamento, orientação e completa disponibilidade em atender às minhas dúvidas e estarem presentes em todos os momentos deste trabalho. Também prestar os meus agradecimentos ao Pedro Carvalho, colaborador do laboratório químico Marques Ferreira pelo constante auxílio e grande companheirismo demonstrado ao longo deste ano. Gostaria de agradecer à Elsa Ribeiro, colaborada da Universidade do Minho, pela ajuda na aquisição das imagens de microscopia eletrónica de varrimento. Um muito obrigado aos meus amigos que sempre me apoiaram e incentivaram excessivamente a não desistir ao longo desta dissertação, em especial à Catarina Miranda, à Marta Correia, ao Pedro Carvalho e à Vânia Rego. Sem o vosso apoio e amizade, este ano de trabalhado não seria tão gratificante. Aos meus pais, avós e irmã por me apoiarem sempre incondicionalmente nesta longa caminhada e por acreditarem desmesuradamente nas minhas capacidades, o meu enorme obrigado por tudo, sem eles nada disto teria sido possível. iii

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7 RESUMO O principal acabamento superficial utilizado em placas de circuito impresso era o HASL (Hot Air Solder Leveling) usando uma liga de solda Sn63Pb37 (% ponderal). No entanto, com a passagem para processos de soldagem lead free, e tendo em conta os problemas inerentes ao acabamento, este foi excluído dos produtos ligados à indústria automóvel. O principal objetivo da dissertação foi avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos de soldagem sem chumbo na morfologia, composição química e na resistência mecânica (resistência ao corte à temperatura ambiente) das juntas de solda. As placas foram produzidas em 4 grupos com diferentes condições, avaliando-se essencialmente o efeito da temperatura e do tipo de soldagem. As técnicas de análise, os testes mecânicos e a caracterização feita nos produtos em estudo demonstraram que placas soldadas com este tipo de acabamento, e de acordo com os requisitos Car Multimedia (CM), apresentam boa qualidade e cumprem as especificações Bosch, não se encontrando defeitos ou anomalias nas juntas soldadas nos processos de soldagem estudados, nomeadamente o processo de reflow e de onda. Relativamente ao crescimento dos produtos de reação entre a pasta de solda e os materiais de base, estes manifestaram-se de forma diferente para os dois processos de soldagem. No caso de pads de componentes SMD (Surface Mount Device) o crescimento máximo verificado é de 5,27µm enquanto que em furos de componentes TH (Through Hole) o crescimento é mais elevado no topo do que na parte inferior da placa, devido ao movimento dinâmico da soldagem por onda. O envelhecimento associado a perfis térmicos máximos segundo requisitos CM causa um aumento da camada intermetálica entre 0,3 e 1µm. A soldagem mediante acabamentos superficiais HASL resulta na formação de camadas intermetálicas de Sn-Cu-Ni nas interfaces entre a liga de solda (Sn-Ag-Cu) e o cobre dos pads. Na liga de solda verificou-se a formação de duas fases diferentes, uma extremamente rica em estanho e outra onde se evidenciou a presença da prata. A caracterização mecânica das juntas de solda foi efetuada mediante a realização de ensaios de resistência ao corte em condensadores, tendo-se verificado que a força máxima de corte estava compreendida entre 25 e 30N. A fratura ocorreu pelos componentes a ligar e não pela junta de solda. PALAVRAS-CHAVE HASL (Hot Air Solder Leveling) Camada intermetálica Solda sem chumbo Soldagem Eletrónica v

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9 ABSTRACT The main surface finish used in printed circuit boards was the HASL (Hot Air Solder Leveling) using the solder alloy Sn63Pb37 (% weight). However, with the transition for lead free soldering processes, and taking into account the problems associated with the surface finish, this was discarded for products related to the automotive industry. The main objective of this thesis was to evaluate the influence of different thermal profiles and lead free soldering processes in morphology, chemical composition and mechanical properties (shear strength at room temperature) of solder joints. The plates were produced in 4 groups with different conditions, assessing essentially the effect of temperature and the type of soldering. The analysis techniques, mechanical testing and characterization of the products under study demonstrated that soldered plates with this type of finish, and according to the Car Multimedia (CM) requirements, have good quality and meet the Bosch specifications. No anomalies or defects were found in the soldered joints on the studied soldering processes, in particular the process of reflow and wave. For the growth of the reaction products between the solder paste and the base material this has manifested itself differently for the two soldering processes. In the case of pads for SMD components (Surface Mount Device) the maximum growth verified was 5.27µm whilst in the holes of TH components (Through Hole) the increase is higher at the top than at the bottom of the plate due to the dynamic movement of the wave soldering. The aging associated with maximum thermal profiles according to CM requirements cause an increase in intermetallic layer between 0.3 and 1µm. Soldering in HASL surface finishes resulting in the formation of the intermetallic layers of Sn-Cu-Ni between the solder alloy (Sn-Ag-Cu) and the copper pads. In the solder alloy it was found the formation of two different phases, one is extremely rich in tin and other revealed the presence of silver. The mechanical characterization of solder joints was analyzed by shear strength tests in capacitors and it was verified that the maximum shear force which these components support is between 25 and 30N. The fracture occurred by the components to be connected and not in the solder joint. KEYWORDS HASL (Hot Air Solder Leveling) Intermetallic layer Lead free solders Soldering Electronic vii

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11 ÍNDICE Agradecimentos... iii Resumo... v Abstract... vii Índice de Figuras... xiii Índice de Tabelas... xvii Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos... xix Capitulo 1. Introdução Enquadramento Objetivos Estrutura da dissertação... 3 Capitulo 2. Os PCBs Printed Circuit Board (PCB) Classificação dos PCBs Percurso histórico Acabamentos Superficiais do PCB Hot Air Solder Leveling HASL lead free Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Produção de PCBAs (printed circuit board assembled) Componentes eletrónicos Through Hole Technology Surface Mount Technology Combinação das tecnologias TH e SMT Princípios de soldagem Principais aspetos físicos e químicos da soldagem Pastas de solda Pastas de solda Fluxos ix

12 3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base Processos de soldagem Impressão da pasta de solda Inserção de componentes Processo de soldagem por Reflow Processo de soldagem por onda Defeitos de produção de PCBAs Capitulo 4. Procedimento experimental Introdução Materiais Métodos de processamento Envelhecimento dos PCBs Perfis térmicos Técnicas de caracterização Inspeção da impressão de liga de solda (SPI) e Inspeção ótica automática (AOI) Inspeção visual e Inspeção de scanner de raios-x Cortes seccionais Resistência ao Corte Microscopia eletrónica de varrimento (MEV) / Espectroscopia de dispersão de energias (EDS) Capitulo 5. Resultados e discussão Introdução Inspeção da impressão da pasta de solda (SPI) Inspeção ótica automática (AOI) Soldagem por reflow Inspeção ótica automática (AOI) Soldagem por onda In circuit test (ICT) Inspeção visual PCB sem e com envelhecimento Passagem de PCBs através de 2 reflows x

13 5.6.3 Inspeção visual após os processos de soldagem Inspeção por scanner de raios-x Cortes seccionais PCB sem e com envelhecimento Comparação de PCB com PCB com 2 passagens no forno PCBAs após todos os processos de soldagem Crescimento das camadas intermetálicas Efeito do envelhecimento no PCB Efeito dos perfis térmicos em PCBs não montados Efeito do envelhecimento e dos perfis térmicos (reflow) em PCBAs Efeito do processo de soldagem por onda Resistência mecânica das juntas de solda Resistência ao corte após o primeiro reflow Resistência ao corte após segundo reflow Resistência ao corte após soldagem por onda Avaliação do modo de falha Caracterização morfológica Topografia superficial do acabamento superficial HASL lead free Composição química das interfaces Capitulo 6. Conclusões Capitulo 7. Trabalhos futuros Referências Bibliográficas ANEXO I ANEXO II ANEXO III ANEXO IV ANEXO V xi

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15 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11]... 7 Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12] Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13] Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14] Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no acabamento HASL [8] Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8] Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3] Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31] Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1] Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33] Figura 18. Sequência típica de etapas para a produção de um PCBA (Bosch) Figura 19. Equipamento de impressão de pasta EKRA [35] Figura 20. Equipamento de inserção de componentes Siplace. a) Equipamento Siplace; b) Alimentador de componentes; c) Nozzles do equipamento [36, 37] Figura 21. Diversos métodos de soldagem por reflow [Adaptado de 3] Figura 22. Perfil térmico típico usado no processo de soldagem por reflow [16] xiii

16 Figura 23. Equipamento de soldagem por onda. a) Equipamento completo Vitronics-Soltec; b) Sistema de fluxação por spray; c) Sistema de pré aquecimento; d) Sequência de ondas de solda fundida [38]. 36 Figura 24. Condições dos PCBs dos grupos de produção Figura 25. Fluxograma detalhado para cada grupo de produção de 25 PCBs Figura 26. Câmara Heraeus Voctsch HC 0020 utilizada para o envelhecimento dos PCBs Figura 27. Forno de reflow REHM utilizado na produção dos produtos [43] Figura 28. Perfil térmico nominal (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição Figura 29. Perfil térmico nominal (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição Figura 30. Perfil térmico máximo (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição Figura 31. Perfil térmico máximo (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição Figura 32. Perfil térmico nominal - soldagem por onda Figura 33. Perfil térmico máximo - soldagem por onda Figura 34. Equipamentos de inspeção. a) Equipamento de SPI; b) Equipamento de AOI [45, 46] Figura 35. a) Microscópio ótico Leica; b) Equipamento de inspeção scanner de raios-x Phoenix [47]. 57 Figura 36. Sequência para obtenção de cortes seccionais. a) Corte em resina; b) Equipamento de desbaste e polimento Struers; c) Ataque químico Figura 37. Microscópio Keyence VHX-2000 [49] Figura 38. Zonas de cortes seccionais. a) Lado inferior da placa; b) Lado superior da placa Figura 39. Pontos de medição da zona 1. a) Vista geral da soldagem dos dois DFPs; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada pad; c) Detalhe da medição da espessura Figura 40. Pontos de medição da zona 2. a) Vista geral da soldagem do BGA; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada bola de solda; c) Detalhe da medição da espessura Figura 41. Pontos de medição da zona 5. a) Vista geral da soldagem do componente TH; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada furo; c) Detalhe da medição da espessura Figura 42. Representação dos componentes analisados e suas posições. a) Desenho técnico da zona de análise; b) Imagem real da zona de análise Figura 43. Representação dos resultados práticos obtidos no ensaio de resistência ao corte Figura 44. Resultados da impressão da liga de solda altura Figura 45. Resultados de AOI. a) Resultados do lado inferior do PCB; b) Resultados do lado superior do PCB xiv

17 Figura 46. Resultados de inspeção AOI - soldagem por onda Figura 47. Resultados do In Circuit Test Figura 48. Inspeção visual entre PCBs com e sem envelhecimento Figura 49. Inspeção visual entre PCBs com duas passagens pelo forno de reflow Figura 50. Resultados da inspeção visual após os processos de soldagem Figura 51. Resultados da inspeção por scanner de raios-x Figura 52. Cortes seccionais em PCBs com e sem envelhecimento Figura 53. Comparação de PCB com PCB sujeito a duas passagens pelo forno com perfis máximos. 78 Figura 54. PCBAs após todos os processos de soldagem Figura 55. Espessura da camada intermetálica - efeito do envelhecimento Figura 56. Crescimento intermetálico entre PCBs sem e com envelhecimento Figura 57. Espessura da camada intermetálica em PCBs após passagens no forno de reflow. a) DFP - lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA Figura 58. Imagens de MEV do pad do componente DFP. a) PCB após envelhecimento; b) PCB após envelhecimento e duas passagens pelo forno com perfis máximos Figura 59. Espessura da camada intermetálica em PCBA sujeitos a todas as variáveis. a) DFP - lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA Figura 60. Imagens de MEV do pad do componente DFP soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo Figura 61. Espessuras da camada intermetálica no furo do transformador. a) Condição inicial (PCB); b) Após o primeiro reflow; c) Após o segundo reflow; d) Espessura da camada intermetálica do transformador soldado Figura 62. Imagens de MEV do furo do transformador soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo Figura 63. Resultados da força máxima suportada após o primeiro reflow Figura 64. Resultados da força máxima suportada após o segundo reflow Figura 65. Resultados da força máxima suportada após a soldagem por onda Figura 66. Resultados dos modos de falha predominantes Figura 67. Zona analisada. a) Cortes das zonas do PCB; b) Imagem da zona específica de análise Figura 68. Imagens de MEV da análise da zona anterior. a) Superfície do pad; b) Superfície do pad após duas passagens pelo forno xv

18 Figura 69. Análise EDS da zona anterior. a) Análise das partículas; b) Análise da superfície do acabamento Figura 70. Imagem de EDS das duas zonas. a) Pad zona 1; b) Furo da zona Figura 71. Imagem de EDS das duas zonas após processos de soldagem. a) Pad zona 1; b) Furo da zona Figura 72. Tabela de conversão de temperatura húmida para humidade relativa Figura 73. Gráfico referente à temperatura de 85ºC para o envelhecimento Figura 74. Gráfico referente à temperatura húmida representando 75% humidade relativa Figura 75. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado superior Figura 76. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado inferior Figura 77. Códigos de modos de falha de acordo com IEC Figura 78. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI DFP lado inferior Figura 79. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - DFP lado superior Figura 80. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - BGA Figura 81. Espectro referente a um ponto da camada intermetálica Figura 82. Espectro referente a uma partícula dispersa da camada intermetálica Figura 83. Espectro referente à solda do centro da junta soldada xvi

19 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23] Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4] Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28] Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho [3] Tabela 5. Defeitos comuns na produção de PCBAs [22, 39] Tabela 6. Diferentes pastas de solda utilizadas no presente trabalho [40-42] Tabela 7. Condições de Envelhecimento Tabela 8. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil nominal Tabela 9. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. Inferior) Tabela 10. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. superior) Tabela 11. Tabela comparativa entre perfis nominais e máximos Tabela 12. Tabela comparativa entre os parâmetros da soldagem por onda Tabela 13. Equipamento do teste, condições ambientais e standards aplicados Tabela 14. Medições de espessura do acabamento do DFP lado inferior da placa Tabela 15. Medição da espessura do acabamento para o BGA e DFP inseridos no segundo lado Tabela 16. Medições de espessura do acabamento ao longo do furo do transformador Tabela 17. Espessura do acabamento superficial do DFP do lado inferior após duas passagens pelo forno Tabela 18. Espessuras do acabamento superficial após duas passagens pelo forno (componentes segundo lado) Tabela 19. Espessuras do acabamento superficial no furo do transformador após as duas passagens pelo forno Tabela 20. Composição química das partículas Tabela 21. Composição química da zona 1 e Tabela 22. Composição química da zona 1 e 5 após soldagem xvii

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21 LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS Ag Prata AOI Automatic Optical Inspection BGA Ball Grid Array CET Coeficiente de Expansão Térmica Cu Cobre DFP Dual Flat Pack EDS Espectroscopia de Dispersão de Energias ENIG Electroless Nickel, Immersion Gold FR-2 Flame Resistant 2 FR-4 Flame Resistant 4 HASL Hot Air Solder Levelling ICT In Circuit Test IPC Institute for Printed Circuit MEV Microscopia Eletrónica de Varrimento Ni Níquel OSP Organic Surface Preservative Pb Chumbo PCB Printed Circuit Board PCBA Printed Circuit Board Assembled PTFE PoliTetraFluoroEtileno QFP Quad Flat Pack RoHS Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances SMD Surface Mount Device SMT Surface Mount Technology Sn Estanho SPI Solder Paste Inspection TH Through Hole WEEE Waste Electrical and Electronic Equipment xix

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23 Capitulo 1. Introdução CAPITULO 1. INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento A indústria eletrónica é um dos ramos mais competitivos atualmente. O constante desenvolvimento tecnológico faz com que cada empresa seja obrigada à inovação e otimização contínua dos seus produtos. Os produtos eletrónicos de hoje em dia funcionam com base em PCBs (Printed circuit boards Placas de circuito impresso). Os PCBs são a forma mais compacta de ligar componentes elétricos sem a necessidade de fios. A miniaturização e o aumento da densidade de componentes nas placas de circuito impresso levam a exigências acrescidas na produção, produtividade e custos, exigindo um maior controlo sobre os processos de fabrico e soldagem dos PCBs [1]. A soldagem possibilita criar, transmitir, processar ou armazenar algum sinal ou estado eletromagnético para executar a função desejada, proporcionando também a necessária integridade estrutural para permitir a função elétrica de base [2]. Os processos mais utilizados industrialmente são processos de soldagem por onda e soldagem por reflow [3]. Até 2006 a principal pasta de solda utilizada na indústria eletrónica era constituída por uma liga eutéctica de estanho e chumbo (Sn63Pb37). Esta pasta é constituída por partículas de liga metálica e por um fluxo (resina, ativadores, aditivos reológicos e solventes) [4]. A partir de 2006 foram implementadas as diretivas europeias do ambiente, restringindo o uso de substâncias específicas consideradas perigosas (RoHS) e de resíduos de equipamentos elétricos e 1

24 Capitulo 1. Introdução eletrónicos (WEEE). Com estas diretivas pretende-se diminuir/eliminar a utilização de chumbo, entre outros materiais, em montagens eletrónicas devido aos efeitos nocivos que estes acarretam quer para o ambiente, quer para a saúde humana. [5, 6]. A proibição do chumbo nos produtos eletrónicos levou a indústria a preocupar-se com os seus processos de soldagem, visto que as pastas de solda alternativas à tradicional Sn-Pb têm, entre outras características, ponto de fusão superior. O ponto de fusão superior leva a que as temperaturas de processamento sejam superiores, o que por sua vez se traduz em tempos excessivos de soldagem a que o PCB e os componentes estarão sujeitos, podendo aumentar o número de defeitos e diminuir a fiabilidade dos produtos [4, 7, 8]. De forma a cumprir a legislação e o objetivo de transição/ uso para pastas de solda sem chumbo os processos tiveram de ser ajustados, sendo que os três principais elementos a serem revistos são a pasta de solda, os componentes e os acabamentos superficiais. O acabamento superficial consiste numa camada protetora aplicado na camada superficial de cobre do PCB, o qual acaba por ser dissolvido pela solda no decorrer dos processos de soldagem. A BOSCH Car Multimedia Portugal procura adaptar-se às restrições de processamento tornando todos os seus produtos livres de chumbo. Nesse sentido existe a produção de PCBs com acabamento superficial HASL (Hot Air Solder Leveling-Solda nivelada por ar quente), contudo este acabamento é utilizado em soldagens com e sem chumbo. A avaliação deste tipo de acabamento nos processos BOSCH de soldagem sem chumbo é o objetivo principal desta dissertação. 1.2 Objetivos Com a necessidade de alteração de todos os processos para processos lead free e tendo caído em desuso o acabamento superficial mais usado até esta alteração, pretende-se avaliar se este tipo de acabamento pode ser reintroduzido nos processos de soldagem BOSCH. Assim, o objetivo desta dissertação passa por avaliar o efeito nas juntas soldadas e nas camadas intermetálicas do acabamento superficial HASL dos PCBs e a influência neste dos processos de soldagem. De forma mais específica, esta dissertação foca-se no seguinte objetivo: 2

25 Capitulo 1. Introdução Avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos de soldagem na morfologia, composição química e na resistência mecânica (resistência ao corte à temperatura ambiente) das juntas de solda. 1.3 Estrutura da dissertação No capítulo 1 é apresentada uma breve introdução ao tema da dissertação, onde são apresentadas as motivações à realização deste estudo bem como os objetivos a atingir. O capítulo 2 aborda o tópico sobre o que é um PCB, as diferentes classificações de PCBs, bem como o seu desenvolvimento ao longo do tempo. Neste capítulo são ainda apresentados os diferentes acabamentos superficiais aplicados aos PCBs, dando enfoque ao acabamento superficial HASL. No capítulo 3 é feita a revisão dos vários tópicos associados à soldagem na indústria eletrónica. Passando desde a produção de PCBAs, tipos de componentes eletrónicos, as diferentes tecnologias de montagem até aos princípios básicos da soldagem e às diferentes etapas que precedem os diferentes processos de soldagem. Ainda neste capítulo é abordado o tópico das camadas intermetálicas e uma descrição do estado da arte no que diz respeito a todos os tópicos aqui revistos. No capítulo 4 são apresentadas as técnicas de caracterização bem como os materiais e os parâmetros utilizados nos processos de soldagem. O capítulo 5 será onde todas as técnicas, testes e resultados experimentais serão apresentados de forma a atingir os objetivos da dissertação, descrevendo em que condições se realizaram as diferentes técnicas de caracterização e os respetivos resultados. No capítulo 6 são apresentadas as conclusões da dissertação, baseadas nos resultados obtidos tendo em perspetiva os objetivos a atingir. Finalmente no capítulo 7 são apresentadas propostas de trabalhos futuros, entre as quais propostas de testes de fiabilidade que complementariam toda a caracterização deste acabamento superficial. 3

26 Capitulo 1. Introdução 4

27 Capitulo2. Os PCBs CAPITULO 2. OS PCBS 2.1 Printed Circuit Board (PCB) Os equipamentos eletrónicos são uma combinação de componentes elétricos e eletrónicos montados em PCBs de forma a produzirem a função para a qual foram concebidos [9]. O PCB foi patenteado pela primeira vez em 1943 por Paul Eisler e é responsável pelo suporte mecânico dos componentes eletrónicos e pela conectividade elétrica do circuito. O PCB é constituído por um substrato de fibra de vidro impregnado em resina epóxi que possui circuitos metálicos impressos de cobre de face simples ou multicamada, sendo estes últimos os mais utilizados hoje em dia [10]. Um PCB, além de ser constituído pelo material base FR-4 (resina epóxi e fibra de vidro) e pelas pistas de cobre possui pads (terminais) de cobre, locais onde é feita a ligação dos componentes elétricos superficiais (SMD) ao PCB, e ainda vias condutoras, que são furos metalizados que atravessam completamente o PCB para a ligação de componentes TH [9]. A figura 1 apresenta uma representação esquemática da constituição de um PCB. 5

28 Capitulo 2. Os PCBs Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB Classificação dos PCBs Os PCBs podem ser classificados segundo vários aspetos, o que torna a sua classificação confusa e ambígua. No entanto, é comum a classificação dos PCBs ser feita em três classes, segundo a aplicação a que se destinavam os produtos, nesse sentido diz-se que existem: PCBs de consumo, PCBs profissionais e PCBs de alta fiabilidade. Esta classificação é feita por ordem crescente no que toca aos requisitos dos produtos, ou seja, pela ordem acima referida os produtos são de classe para classe mais caros, mais complexos, com maior exigência na qualidade e com elevado controlo dos processos de produção [9]. Hoje em dia utiliza-se uma classificação de PCBs mais simples e compreensível, que consiste na quantidade de camadas de cobre que cada placa contém. Assim sendo, existem os seguintes tipos de PCBs [9, 11]: PCB de face simples: consiste numa placa onde apenas um dos lados do substrato contém o circuito impresso de cobre, denominado de lado da solda, onde anteriormente eram montados componentes TH, ficando o corpo do componente do lado oposto [11]; Hoje em dia estes PCBs (figura 2 (a)) são pouco utilizados; PCB de dupla face: como o próprio nome indica, este tipo de placa contém o circuito de cobre nos dois lados do material isolante, possibilitando uma maior densidade de componentes e 6

29 Capitulo2. Os PCBs simultaneamente a montagem de componentes SMD e TH [11]; A figura 2 (b) apresenta este tipo de PCB. PCB de multicamada: este tipo de placas é constituído por várias camadas de circuitos de cobre, e é utilizado em situações onde a densidade de ligações necessárias é demasiado alta para se usar apenas duas camadas; O uso destes PCBs tem facilitado a redução do peso e volume das ligações, que são proporcionais ao tamanho e peso dos componentes que ligam; Normalmente são usadas em produtos de grande complexidade, com elevada performance e mais caros, no entanto hoje em dia com o desenvolvimento da tecnologia e a produção em massa, placas com 4 ou 6 camadas são já produzidas com quase a mesma facilidade com que as de dupla face [9, 11]; Na figura 2 (c) está representada um PCB com multicamada. Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11]. 7

30 Capitulo 2. Os PCBs Além das classificações anteriores, os PCBs podem ser também classificados segundo o tipo de material de isolamento, existindo assim placas rígidas, constituídas por vários tipos de materiais, placas semirrígidas, que consistem na combinação de placas rígidas e flexíveis, em que as partes rígidas suportam os componentes que estão conectadas pelas partes flexíveis [9, 12]. Por fim, existem ainda as placas flexíveis constituídas por substratos de poliéster ou poliamida, com espessuras na gama de 0,1mm. Estas placas contêm cobre nas faces, podendo ser de face simples, dupla ou multicamada, sendo que as mais utilizadas são de face simples. Este tipo de produtos é volumetricamente eficiente sendo por isso usados amplamente em equipamentos eletrónicos [9, 12]. Na figura 3 observa-se uma representação esquemática dos diversos tipos de placas flexíveis. Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12] Percurso histórico A grande evolução dos PCBs é relativamente recente, no entanto durante o ano de 1904 Frank Sprague, fundador da Elétrica Sprague e aprendiz de Thomas Edison, teve a ideia de eliminar a soldagem por fio ponto a ponto [9]. 8

31 Capitulo2. Os PCBs Apenas em 1925 Charles Ducas, fez a primeira contribuição significativa para a evolução dos PCBs, quando decidiu patentear a sua proposta de montagem de depósitos de metais elétricos diretamente no material isolante, de forma a simplificar a construção de aparelhos elétricos [9, 13]. Entre 1925 e 1935 várias patentes foram criadas devido aos desenvolvimentos ocorridos na fabricação dos PCBs, mais especificamente o desenvolvimento de diferentes métodos de aplicação do metal condutor sobre o substrato isolante [9]. Este foi o início dos processos aditivos e subtrativos utilizados hoje em dia. O processo aditivo consiste na adição da pista condutora à superfície de material base. Por outro lado, no processo subtrativo o material base já contém a superfície coberta com a camada condutora, posteriormente é transferido o padrão desejado e o excesso do material condutor é removido deixando apenas o padrão desejado [11]. A maior contribuição para o desenvolvimento da tecnologia de circuitos impresso foi dada por Paul Eisler em 1943, que propunha a aplicação de um revestimento de cobre em forma de folha sobre o material isolante, de forma a ser usado posteriormente como o material base para a produção da placa de circuito [9, 13]. Paul Eisler propôs também a utilização de folhas condutoras nos dois lados da placa, onde seriam interligadas eletricamente através de through eyelets, em detrimento da tecnologia TH que mais tarde se transformou na principal tecnologia de PCBs [9]. Mais tarde na década de 1970, as placas de circuito impresso entram firmemente na maioria dos ramos da eletrónica. Desde então todos os processos envolvidos na produção de PCBs têm sido alvo de investigação e desenvolvimento, com o objetivo de se obterem produtos com qualidade e mais complexos possíveis [9]. Na figura 4, é possível observar-se Paul Eisler e o seu rádio. Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13]. 9

32 Capitulo 2. Os PCBs Relativamente ao material de base utilizado na produção dos PCBs, aquando da produção apenas de PCBs de face simples, era usual recorrer à utilização de substratos à base de papel e de uma resina fenólica de baixo custo, denominados XPC-FR [10]. Na Europa usavam o mesmo tipo de fenolite (FR-2), mas de maior qualidade que emitia menor odor quando submetida a alta tensão ou alta temperatura, enquanto nos EUA utilizavam um compósito de papel e vidro impregnado em resina epóxi (CEM-1), um material com maior resistência mecânica mas de maior custo, em comparação com as soluções anteriormente referidas [10]. A produção das placas de FR-2 era relativamente simples, consistindo na moldação e prensagem a quente. No entanto, estas placas eram altamente higroscópicas, o que levava à deterioração das suas características isolantes [13]. Durante os anos 60 surgirão as placas de FR-4, constituídas por resina epóxi e fibra de vidro. Este tipo de placa apresenta qualidade superior às anteriores FR-2, superando os problemas de absorção de humidade, conferindo assim boas propriedades isolantes e estabilidade dimensional [13]. Este é o tipo de PCBs mais usado hoje em dia, no entanto para casos onde é necessário polarização dielétrica surgiram as placas de PTFE (PoliTetraFluoroEtileno Polímero usualmente conhecido por teflon), ou placas de poliamida ou poliéster, bastante utilizadas em placas de circuitos flexíveis [13]. 2.2 Acabamentos Superficiais do PCB Um acabamento superficial pode ser definido como um revestimento aplicado na camada superficial de um PCB, o qual é dissolvido na liga de solda aquando do processo de soldagem. Na figura 5 está representado esquematicamente um acabamento superficial. Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14]. 10

33 Capitulo2. Os PCBs Após a produção do PCB, é necessário proteger o cobre com um acabamento superficial final para evitar a sua oxidação [14, 15]. O acabamento superficial pode servir várias funções interrelacionadas, tais como [16]: Providenciar uma superfície soldável para formar uma forte junta de solda; Proteger os circuitos de cobre subjacentes à oxidação, ou outras formas de corrosão, até à montagem; Providenciar uma barreira para minimizar a dissolução de cobre durante os processos de soldagem. Como referido anteriormente, prevenir a oxidação é de extrema importância, pois uma soldabilidade consistente de pads e PTH (Plated Through holes) é uma condição essencial para processos de soldagem com uma reduzida taxa de defeitos/rejeição de produtos [3]. Existem vários tipos de acabamentos superficiais, o que dá origem ao aparecimento de interfaces diferentes, o que por sua vez influencia a microestrutura e propriedades mecânicas das juntas de solda [8, 17]. Quando falamos de espessuras de ligação menores que 100µm, o efeito da interface solda/substrato vai ser bastante importante. Com ligações tão finas as propriedades da junta irão resultar não só da liga de solda utilizada, mas também da formação de compostos intermetálicos os quais terão grande influência na fiabilidade da junta [17, 18]. Até aos anos 90 a melhor alternativa era o uso da pasta de estanho-chumbo (SN63/Pb37) aplicada pelo processo de HASL. No entanto com a implementação das diretivas europeias RoHs e WEEE, proibindo a utilização de chumbo e também pelas limitações técnicas do HASL, que começaram a ser reconhecidas a este acabamento, surgiu então a necessidade da utilização de novas técnicas [16]. Dos vários acabamentos superficiais é de destacar os mais usados [10, 14-16]: Organic Solderability Preservative OSP: o acabamento OSP (figura 6 a)) consiste num revestimento orgânico que protege a superfície de cobre até aos processos de soldagem, tipicamente formam camadas de espessura entre 0,2 e 0,5µm; Esta camada orgânica irá preservar o cobre até que a placa passe por algum processo térmico que removerá esta camada [10]; Este tipo de acabamento é bastante usado em alternativa ao HASL leaded e mesmo em comparação com as alternativas para lead free, pois é um método barato, de fácil 11

34 Capitulo 2. Os PCBs aplicação e que apresenta uma superfície regular e plana [16, 19]; No entanto, como é incolor é de difícil inspeção, apresenta problemas em aguentar várias passagens por processos térmicos e de espalhamento, deixando parte da superfície dos pads sujeita a oxidação; e apresenta tempo de vida reduzido em armazenamento (6-12 meses) [14, 16]; Electroless Nickel/ Imersion Gold ENIG: este tipo de acabamento (figura 6 b)) consiste na imersão do PCB num banho onde se deposita uma camada de níquel, através de um agente redutor, que pode apresentar 3 a 6µm de espessura; É um processo onde não se aplica corrente em que, após a primeira etapa, passa por uma imersão num banho de ouro, onde uma fina camada de ouro é depositada sobre a camada de níquel com espessura compreendida entre 0,05 e 0,10µm [10, 16]; Durante a soldagem com este tipo de acabamento, uma parte de ouro dissolve-se deixando uma camada de níquel livre não oxidada para se formar a ligação com a liga de solda [16]; Este tipo de acabamento apresenta ótima coplanaridade e molhabilidade, a camada de níquel previne a dissolução de cobre e apresenta um tempo de vida superior a 12 meses em armazenamento; Por outro lado é um acabamento dispendioso, com um processo que requer um apertado controlo e uma vez que a camada de ouro é fina e porosa, o níquel pode migrar para a superfície oxidando e prejudicando a soldabilidade, dando origem a um defeito denominado de Black Pad que poderá obrigar à reparação ou rejeição desses produtos [16]. Imersion Tin: como o próprio nome indica é um processo de imersão da placa num banho de estanho (figura 6 c)) para formar uma densa camada de estanho sobre o cobre exposto [16]; Neste tipo de acabamento as dimensões estão diretamente relacionadas com a formação dos seus compostos intermetálicos, no entanto a espessura varia entre 0,8 e 1,2µm; Este processo é relativamente simples, o acabamento apresenta uma boa coplanaridade e um tempo de vida superior a 12 meses em condições próprias. Por outro lado, é necessário um apertado controlo para prevenir o crescimento de filamentos de estanho que podem resultar em curto-circuito e deve ainda apresentar uma camada de estanho puro à superfície para prevenir problemas de molhabilidade e soldabilidade caso os compostos intermetálicos se prolonguem até à superfície [16]. 12

35 Capitulo2. Os PCBs Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin. Como esta dissertação se irá focar no acabamento superficial HASL, o subcapítulo que se segue será exclusivamente dedicado a esse acabamento Hot Air Solder Leveling HASL lead free Como referido anteriormente, até à imposição das diretivas europeias o acabamento HASL (Sn63Pb37) era de longe o mais utilizado, por ser essencialmente constituído pela mesma pasta de solda usada para a soldagem dos componentes, conferindo assim uma melhor compatibilidade a nível metalúrgico [3, 16]. Como refere Willis [20], Nothing solders like solder, ou seja, nada seria um melhor acabamento do que a própria pasta de solda utilizada na soldagem do componente. Com a alteração dos processos para lead free existiram aspetos que tiveram de ser levados em conta, mais especificamente [16]: Temperaturas de processo superiores; Maior tempo de contacto; Pré aquecimento da placa; O uso de óleos e fluxos com elevada resistência à temperatura; Aumentar o controlo da composição da pasta, devido à dissolução de cobre superior que ocorre com pasta de solda lead free. Durante o processo HASL o solder mask tem a necessidade de ser limpo e gravado para preparar a superfície para o contacto com a pasta de solda. De seguida ocorre a aplicação de fluxo, a placa é pré aquecida e imersa num banho de liga de solda lead free, normalmente de estanho fundido entre 260 e 270ºC durante tempo suficiente para ocorrer a molhagem do cobre. Após a imersão da placa, 13

36 Capitulo 2. Os PCBs esta passa por um conjunto de facas de ar quente de forma a nivelar a espessura de metal líquido sobre o PCB [8]. Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no acabamento HASL [8]. Usualmente as facas de ar quente (figura 7) são desniveladas entre elas, podendo mesmo operar a pressões diferentes, de forma a garantirem as espessuras necessárias de cada lado do PCB e a promover a remoção da liga de dentro dos furos [3, 8]. Segundo Shepherd, Bath e Willis [16, 20] com este processo é possível obter espessuras na ordem dos 2 a 15µm, no entanto a experiência prática com os produtos Bosch revelou ser possível obter espessuras entre 2 e 80µm [21]. Este acabamento é preferencial a outro devido essencialmente aos seguintes aspetos [8, 14]: Permite acabamentos de maior espessura e assegura boa soldabilidade, mesmo em períodos longos de armazenamento incontrolado; Garante boa soldabilidade mesmo após ciclos térmicos de soldagem por reflow e consegue melhor enchimento dos furos na soldagem por onda, em comparação com os outros acabamentos; Processo simples e barato. Contudo, como qualquer outro processo, têm as suas desvantagens, sendo as principais [8, 19]: Fraca coplanaridade devido à inconsistente espessura do acabamento (figura 8); Usa temperaturas elevadas de processo que podem danificar o PCB. 14

37 Capitulo2. Os PCBs Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL. Um aspeto de grande importância é a tensão superficial, pois, juntamente com o volume de liga de solda deixada nos pads após a passagem pelas facas de ar, desempenha o maior papel na determinação do perfil do acabamento [8]. Na figura 9 é possível observar que, dependendo da maneira como as forças de tensão superficial operam, existe a tendência de o acabamento ser mais espesso em pads pequenos [8]. Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8]. 15

38 Capitulo 2. Os PCBs 16

39 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica CAPITULO 3. SOLDAGEM NA INDÚSTRIA ELETRÓNICA 3.1 Produção de PCBAs (printed circuit board assembled) O termo PCBAs é referente à etapa seguinte à produção do PCB, isto é, à montagem dos componentes na placa e sua respetiva soldagem. No que diz respeito à obtenção de um produto final, existem empresas responsáveis pela produção apenas do PCB, empresas que produzem a placa e fazem a respetiva montagem, sendo estas menos comuns e empresas que só fazem a montagem e soldagem dos componentes ao PCB. A Bosch Car Multimédia Portugal é uma das empresas que não é responsável pela produção do PCB, mas sim pela montagem dos componentes e processos de soldagem dos mesmos. Diferentes produtos desempenham diferentes funções, logo necessitam de diferentes componentes eletrónicos e diferentes processos de soldagem, o que por sua vez implica o uso de diferentes procedimentos, equipamentos, materiais e condições que irão caracterizar a obtenção de um produto em específico [3]. Assim, a produção de um PCBA pode englobar inúmeros processos de manutenção do PCB e outros tantos processos ligados aos componentes elétricos, como a inserção, fixação, soldagem, proteção (através da aplicação de revestimentos contra a humidade ou extratores de calor), processos de inspeção e montagem final dos produtos [4]. 17

40 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Componentes eletrónicos Os componentes eletrónicos de forma simplista podem ser definidos como elementos eletrónicos que transmitem corrente elétrica [10]. Normalmente, a ligação dos componentes ao PCB ocorre através de pernos de ligação ou de pads metálicos e, esses componentes, uma vez montados ficam interligados entre si [10]. Quando se fala de componentes eletrónicos, deve-se fazer referência a dois tipos de tecnologias de montagem, isto é, ou os pads possuem furos para a montagem dos componentes TH ou são montados diretamente na superfície dos pads, componentes SMD, sendo também possível ter a montagem de componentes segundo estas duas tecnologias no mesmo PCB, o que é o caso mais usual hoje dia [3, 10]. Na tabela 1 pode ver-se um conjunto de componentes SMD e TH utilizados na indústria eletrónica [22, 23]. Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23]. Componentes SMD Componentes TH QFP (Quad Flat Pack) DIP (Dual Inline Package) BGA (Ball Grid Array) Condensadores eletrolíticos 18

41 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Through Hole Technology Como mencionado anteriormente, este tipo de tecnologia de montagem usa componentes com pinos que são inseridos em furos que atravessam o PCB e que estão conectados eletricamente a todo o circuito, sendo posteriormente soldados. Esta tecnologia é usada desde os anos 20, onde os componentes eram soldados ponto a ponto, no entanto só teve grande destaque com o aparecimento da soldagem por onda, no início dos anos 60 [3, 10]. A grande desvantagem deste tipo de tecnologia é a de que os componentes TH são, regra geral, grandes dispositivos, o que não permite placas de circuito com grande densidade de componentes, limitando as funções do PCB, a miniaturização e densificação dos produtos. Na figura 10 é possível observar uma placa de circuito com tecnologia TH [10]. Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH. Por outro lado esta tecnologia permitia a redução de custos em algumas aplicações, uma vez que este tipo de componente é normalmente montado manualmente, e mesmo quando o processo é automático os custos associados a equipamentos e à produção podem ser inferiores aos associados à montagem SMT e ao seu processo de soldagem por eleição, soldagem por reflow [10] Surface Mount Technology No processo de montagem SMT, os componentes são montados e soldados em pads à superfície da placa, permitindo assim montagens só num lado ou nos dois lados da placa. Este tipo de montagem é automático durante todo o processo de produção, desde a aplicação da pasta, inserção 19

42 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica de componentes e fusão da pasta, isto porque estes componentes são muito pequenos, sensíveis e necessitam de grande precisão e controlo em todos os parâmetros do processo [3, 10]. Os componentes eletrónicos criados desta forma são denominados dispositivos de montagem superficial e possuem terminais curtos ou não possuem terminais [4]. A tecnologia SMT teve início antes dos anos 60, aquando do desenvolvimento de um microcircuito híbrido com substrato cerâmico, onde era difícil a colocação de furos. No entanto, só nos anos 80 é que se tornou relevante, permitindo o uso de componentes mais pequenos e a produção de placas com grande densidade de componentes, contribuindo assim para a miniaturização e funcionalidade das placas de circuito impresso [3, 10]. Na figura 11 pode observar-se uma placa com processo de montagem SMT, onde se vê claramente a evolução na miniaturização e complexidade das placas. Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população Combinação das tecnologias TH e SMT Hoje em dia a utilização das duas tecnologias, TH e SMT, na mesma placa é uma prática recorrente. Nestes casos, é usual começar com a soldagem de componentes SMD no topo da placa pelo processo de reflow. Os componentes TH iriam interferir com os processos de impressão de pasta e inserção dos SMD, por isso são soldados posteriormente e pela parte inferior da placa, pelo processo de onda [10]. Nos casos em que existem componentes SMD também na parte inferior da placa, estes podem ser soldados também pelo processo de onda, no entanto necessitam de ser seguros à placa pela 20

43 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica colocação de pontos de cola, antes de passarem pelo processo de onda, como se pode observar na figura 12 [3, 10]. Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola. 3.2 Princípios de soldagem A arte de juntar materiais similares ou dissimilares, advém do início da humanidade com o intuito de criar ferramentas, produzir produtos até à edificação de estruturas [2]. Como qualquer outro tipo de tecnologia, o seu desenvolvimento ocorreu naturalmente com o passar dos tempos e hoje em dia podem-se juntar vários materiais, de várias maneiras e recorrendo a processos sofisticados [2]. A junção de materiais pode ser requerida para que o conjunto desempenhe um determinado conjunto de funções, de onde se destacam três principais categorias: conferir funções estruturais, mecânicas e elétricas [2]. Existem diversas técnicas de ligação de materiais. Brasagem, soldadura, soldagem são alguns exemplos [2]. Soldadura: É o processo, mais comum, de unir dois ou mais materiais através da aplicação de temperatura ou pressão ou a combinação dos dois para permitir que a ligação ocorra. Neste caso ocorre a fusão dos dois materiais a ligar; Brasagem: Este processo é caracterizado pela utilização de um material de enchimento que irá fundir a temperaturas superiores a 450ºC de forma a ligar os dois materiais de base; Soldagem: À semelhança do caso anterior, a soldagem utiliza também um material de enchimento. O processo de soldagem distingue-se do anterior pela temperatura de fusão até 450ºC do material de enchimento. 21

44 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica No caso do presente trabalho, estamos perante processos de soldagem, mais especificamente soldagem por reflow e por onda. Na figura 13 está representado o sistema da junta de solda que se pode formar na indústria eletrónica. Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda Principais aspetos físicos e químicos da soldagem A soldagem não é uma simples ligação física de dois materiais, passa pela formação química de uma ligação intermolecular [9]. Para entender o que acontece na formação de uma junta de solda é necessário compreender os aspetos básicos que afetam a soldagem [24]. De forma a obter-se uma junta de solda com qualidade é necessário controlar vários parâmetros e condições, como os diferentes materiais da pasta, do componente e do acabamento superficial, mas também as condições de processamento [9, 24]. Todos os processos de soldagem têm as suas próprias características, no entanto, estes diferem entre si pela forma como a temperatura, o fluxo e a pasta de solda são aplicadas. Para conseguir uma boa soldabilidade por toda a placa é necessário o uso de um perfil de temperatura adequado, na verdade este é um ponto essencial de forma a garantir que o máximo de temperatura a que os componentes estarão sujeitos não é comprometido. Os parâmetros e condições possíveis de controlar de forma a conseguir uma boa junta de solda são numa primeira instância a escolha correta da pasta de solda, tendo em conta a granulometria das partículas, suas propriedades e do fluxo. Por outro lado, a correta definição do perfil térmico desde as 22

45 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica velocidades de aquecimento e arrefecimento, a temperatura máxima e o tempo de cada estágio, irão definir os requisitos e propriedades das juntas a formar. A escolha da pasta de solda, dos componentes a soldar e os parâmetros referidos anteriormente terão influência nas condições de molhabilidade da solda sobre o substrato, nas diferenças entre os vários coeficientes de expansão térmica dos materiais a ligar bem como nas propriedades mecânicas da junta obtida [24, 25]. 3.3 Pastas de solda Pastas de solda A pasta de solda como mencionado anteriormente, é constituída por partículas de uma liga metálica e fluxo que serve de veículo. Quando o ponto de fusão da pasta é atingido, as partículas coalescem formando uma massa liquida uniforme que em contacto com o pad tende a formar compostos intermetálicos nas interfaces [4]. Do ponto de vista dos processos de soldagem, as características relevantes das pastas de solda são: o tamanho das partículas, a sua metalurgia, a sensibilidade à temperatura e humidade, o tipo de fluxo e seus resíduos, a viscosidade, etc. Dito isto, a viscosidade é na verdade uma das características mais importantes devido às características de escoamento da mistura. Por outro lado, o tamanho das partículas e a sua distribuição influência as características da impressão da pasta [4]. A escolha da pasta de solda passa também pelo tamanho das partículas uma vez que para casos específicos de distâncias entre pads muito reduzidas ( 0,5mm) não se podem utilizar pastas com partículas de dimensões exageradas. Na tabela 2, apresentam-se as classificações das pastas de solda de acordo com o tamanho de partículas [4]. 23

46 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4]. Intervalo de tamanho Tamanho de Tamanho de Tamanho Tipo de liga de partículas. No partículas mínimo. partículas mínimo. máximo de solda mínimo 80% Menos de 1% Menos de 10% (µm) (µm) (µm) (µm) I II III IV V VI A composição e propriedades da pasta, aquando da soldagem, irão formar diferentes compostos intermetálicos que por sua vez influenciarão a microestrutura e propriedades das juntas [3, 4]. Um dos pontos mais importantes na soldagem é a temperatura de soldagem, ou seja, todas as partes a serem soldadas devem atingir a temperatura em que a solda se funde e molha as superfícies. No entanto, o atingir da temperatura de fusão das pastas de solda pode significar o uso de temperaturas que podem danificar componentes não permitindo o seu correto funcionamento. Esta questão teve grande relevância com o uso das pastas de solda lead free. Quando se procedeu ao uso de pastas ternárias, industrialmente, continuou-se a usar o termo temperatura de fusão, sendo que no caso destas pastas esta temperatura corresponde à temperatura de liquidus. A pasta mais estudada e usada sempre foi a pasta Sn63b37, com uma temperatura de fusão de 183ºC, no entanto com a imposição das diretivas europeias do ambiente, diferentes pastas lead free foram desenvolvidas, tabela 3. As pastas de solda Sn-Ag-Cu (SAC) tornaram-se a principal alternativa como pasta lead free, devido à sua boa molhabilidade, resistência à fadiga e plasticidade, quando comparadas com outras pastas lead free. Contrariamente às suas antecessoras, as pastas SAC apresentam um ponto de fusão superior (217 a 221ºC) e devido à sua composição podem criar diferentes compostos intermetálicos influenciando as propriedades das juntas soldadas [4, 27]. 24

47 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28]. Pasta de solda Ponto de fusão (ºC) Temperatura de operação (ºC) Janela de processo (ºC) Sn-Pb Sn-Ag-Cu Sn-Cu-Ni Devido à diferença de temperaturas observadas com as diferentes pastas, recorre-se frequentemente a uma etapa de pré aquecimento nos processos de soldagem de forma a prevenir o choque térmico, facilitar o molhamento e também para ativar o fluxo [9, 16] Fluxos O sucesso de qualquer operação de soldagem depende da condição e do comportamento das duas superfícies em contacto, o substrato e a solda fundida. O fluxo tem de atuar sobre estas duas superfícies [3]. Durante o tempo de contacto, o fluxo deve remover completamente todos os óxidos superficiais tanto do substrato como da solda para que nada interfira na reação entre os dois. No entanto, durante a reação que ocorre a temperaturas, usualmente, acima de 200ºC, o fluxo deve evitar a formação de novos óxidos. Na figura 14, está representada esquematicamente a função do fluxo [3]. Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3]. 25

48 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Os fluxos, na sua maioria, são inertes à temperatura ambiente mas altamente redutores a altas temperaturas, o que retarda e/ou evita a formação de óxidos. Além da remoção dos óxidos os fluxos têm como segunda função facilitar o molhamento durante a soldagem, aumentando a tensão superficial e promovendo a molhabilidade [4]. Existem vários tipos de fluxos, desde fluxos solúveis em água a fluxos resinosos. Os Fluxos resinosos têm diferentes níveis de atividade. Os de maior concentração de agentes ativos favorecem a remoção de óxidos e a molhabilidade. Este tipo de fluxo pode requerer ou não a limpeza da placa após a soldagem, dependendo do nível de ativação do fluxo. Os fluxos solúveis em água podem ser orgânicos ou não e normalmente é necessário proceder à limpeza das placas. Existem ainda fluxos no-clean que não necessitam de limpeza, pois os resíduos sólidos presentes na placa após soldagem são mínimos [3]. 3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base A reação entre o metal que será soldado (substrato) e a solda fundida é uma reação exotérmica e autossustentada, isto é, não requer uma fonte de energia externa para continuar, uma vez que seja iniciada. Durante o contacto entre o cobre e a liga fundida átomos de cobre tendem a difundir no metal liquido. Junto à superfície de cobre a concentração de átomos é elevada formando assim uma interface com composição diferente da liga metálica. Esta interface designa-se de camada intermetálica [3]. Normalmente esta interface é considerada o ponto de maior fragilidade do conjunto das partes a ligar. Isto porque tipicamente estes compostos são duros e frágeis, podendo constituir zonas propícias para a formação de fissuras ou fraturas. Dito isto, os compostos intermetálicos são o indicativo da ligação química na interface e se o processo de soldagem formou uma boa ligação. No entanto os compostos intermetálicos podem influenciar as propriedades das juntas, assim como influenciar os processos de molhamento e de ligação [29]. Estes produtos de reação formam uma camada inicial durante o processo de soldagem que continua a crescer no estado sólido, e especialmente a temperaturas elevadas, até um ponto em que as camadas já formadas impedem o transporte de reagentes adicionais [29]. O crescimento da camada intermetálica segue um crescimento parabólico que pode ser expresso pela equação 1: 26

49 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Onde, X é a espessura da camada intermetálica t é o tempo k é uma constante de crescimento a uma temperatura especifica No caso do presente estudo está-se perante camadas intermetálicas características, devido ao sistema Sn-Cu formado durante o acabamento superficial, e o sistema Sn-Ag-Cu referente à pasta de solda usada. Na tabela 4, podem-se observar diferentes compostos intermetálicos que se formam em diferentes substratos. Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho [3]. Substrato do pad Cu Compostos intermetálicos Cu 3 Sn (Ɛ); Cu 6 Sn 5 (ƞ) Ni Ni 3 Sn 2, Ni 3 Sn 4, Ni 3 Sn 7 Fe FeSn, FeSn 2 Ag Ag 3 Sn Estes sistemas irão produzir diferentes compostos intermetálicos que no seu conjunto irão definir as propriedades e a fiabilidade das juntas soldadas. Na figura 15 estão apresentados os diagramas de fases dos dois sistemas. 27

50 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31]. O sistema Sn-Cu (figura 15 a)) representa o que acontece no acabamento HASL, formam-se tipicamente duas camadas intermetálicas Cu 6 Sn 5 e Cu 3 Sn, tipicamente denominadas de fase η e ε respetivamente. O ponto eutéctico deste sistema está localizado a 99,3 %ponderal (Sn) e 0,7 %ponderal (Cu) à temperatura de 227ºC. A transformação eutéctica associada a este sistema é a seguinte [30]: As pastas de solda SAC são sistemas ternários (figura 15 b)), em que normalmente é observada a formação de duas fases, uma rica em estanho e uma outra contendo prata. Dispersas pelo volume de solda é possível encontrar-se ainda pequenas partículas dos produtos de reação, normalmente Ag 3 Sn, e partículas da fase Cu 6 Sn 5, fase formada junto da interface cobre/solda que após atingir o limite máximo de crescimento se dispersam pela junta, como se pode observar na figura

51 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1]. Por vezes, as partículas de Ag 3 Sn crescem até um ponto em que podem afetar a fiabilidade das juntas se se formarem em regiões de concentração de tensões. Estas estruturas podem estar relacionadas com velocidades de arrefecimento lentas na soldagem [32]. Como referido anteriormente, as partículas intermetálicas (Ag 3 Sn e Cu 6 Sn 5 ) podem fortalecer as juntas de solda, funcionando como paredes à propagação de fissuras; podem induzir a formação de grãos finos quanto mais finas forem as partículas, o que produzirá uma microestrutura fina também. No entanto se estas camadas se tornarem espessas demais o efeito será o oposto e as juntas de solda ficarão fragilizadas devido à natureza frágil dos compostos e devido à diferença entre os coeficientes de expansão térmica destes compostos e da pasta de solda [32]. 3.5 Processos de soldagem Numa típica linha de produção de PCBAs podem-se ter outros processos antes da etapa da soldagem propriamente dita, por exemplo, a impressão da pasta de solda e a inserção dos componentes. Na figura 17 pode observar-se uma linha típica de produção (reflow) [33]. 29

52 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33]. Dependendo do produto a obter, podem-se ter diferentes sequências do processo de montagem das placas. O caso mais simples é aquele em que apenas se têm componentes SMD num lado do PCB. Nesse caso, as etapas essenciais passam pela impressão de pasta de solda, inserção dos componentes e pelo processo de soldagem por reflow [10, 34]. O segundo caso é aquele em que a placa contém apenas componentes SMD, mas nas duas faces. As etapas do caso anterior repetem-se e, de seguida, ocorre a inversão da placa e repetem-se de novo a impressão, inserção e soldagem por reflow [10, 34]. O caso mais complexo na montagem de PCBs é aquele em que se têm componentes SMD e TH. Aqui as etapas de produção são um pouco diferentes, passando usualmente por três processos térmicos que podem ser realizados em diferentes sequências, no entanto a forma mais comum é a apresentada na figura 18 [10, 34]. Figura 18. Sequência típica de etapas para a produção de um PCBA (Bosch). 30

53 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Impressão da pasta de solda A impressão de pasta é uma das etapas iniciais da produção de PCBAs que desempenha um papel importante no sucesso da soldagem. Neste processo a placa é colocada debaixo de um stencil que contém várias aberturas, que coincidem com os pads na placa onde serão inseridos os componentes [4, 9]. Aquando do movimento do squeegee sobre o stencil, a pasta é pressionada contra este e passa através das aberturas para a placa, daí ser de grande importância a precisão das aberturas do stencil com os pads da placa [4, 9]. Uma das propriedades importantes para este processo é a viscosidade da pasta de solda, que irá caracterizar o comportamento de escoamento através do stencil. No entanto, a pasta deve ser tixotrópica, isto é, a sua viscosidade diminuir durante o processo de aplicação, devido a alterações da sua estrutura interna quando submetida a ação mecânica, mas recupera quando a força de corte é removida [3, 9]. Assim é assegurado que a pasta irá fluir para a placa corretamente [9]. Os principais parâmetros a controlar são: a homogeneidade da velocidade do squeegee, a pressão, o ângulo do squeegee, a distância do stencil à placa, a espessura e o alinhamento do stencil, bem como as condições de temperatura e humidade, tanto do ambiente como da própria pasta de solda [4, 9]. Na figura 19 apresenta-se uma máquina de impressão de pasta [35]. Figura 19. Equipamento de impressão de pasta EKRA [35]. 31

54 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Inserção de componentes Na etapa de inserção de componentes, máquinas automáticas (máquinas pick-and-place) são responsáveis pela colocação dos componentes SMD no seu devido lugar no PCB, onde já foi colocada a pasta de solda (figura 20 a)) [4]. De forma simplista, o funcionamento destes equipamentos passa por recolher o componente correto de um alimentador (figura 20 b)), através de um nozzle (figura 20 c)), e de seguida coloca-lo na placa. A cabeça do nozzle move-se segundo eixos X-Y, até à coordenada correspondente, orienta o componente corretamente e insere-o sobre a pasta de solda [10, 36]. O propósito destas máquinas é a inserção de componentes a altas velocidades com elevada exatidão e precisão, de forma a evitar defeitos nos produtos finais [10]. Os principais parâmetros a controlar além da precisão da inserção, passam pela pressão e distância de colocação de forma a não provocar o espalhamento excessivo da pasta ou danificar o encapsulamento do próprio componente [10]. Figura 20. Equipamento de inserção de componentes Siplace. a) Equipamento Siplace; b) Alimentador de componentes; c) Nozzles do equipamento [36, 37]. 32

55 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Processo de soldagem por Reflow Os processos de soldagem podem-se dividir em dois métodos, métodos em que a aplicação de solda e de temperatura ocorre separadamente, como o caso da soldagem por reflow, ou métodos em que a solda e a temperatura são aplicadas simultaneamente, como a soldagem por onda [11]. Quando se usa o termo soldagem por reflow podem-se ter métodos onde a temperatura pode ser localizada, casos como soldagem a laser, gás quente, soldagem manual, ou casos onde a temperatura é aplicada globalmente na placa, convecção ar quente, infravermelhos, combinação das duas, ou por fase de vapor, figura 21 [3]. Figura 21. Diversos métodos de soldagem por reflow [Adaptado de 3]. Após a inserção dos componentes as placas entram no forno de reflow para se proceder à soldagem, este processo consiste na aplicação de calor sobre o PCB de forma a fundir a pasta e efetuar a ligação dos componentes proporcionando a conexão eletromecânica com o PCB [3, 4]. 33

56 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Este tipo de soldagem ocorre em fornos de infravermelhos com convecção forçada, onde a transferência de calor é realizada através de movimentação molecular, ou seja, as moléculas de gaz aquecidas pelo infravermelho transferem calor ao PCB quando entram em contacto com este [4]. Hoje em dia é usual a utilização de fornos que usam atmosfera inerte, mais especificamente recorre-se ao uso de azoto. Existem vários benefícios no uso de atmosferas inertes durante os processos de soldagem, como por exemplo, a eliminação de formação de óxidos, o que se traduz em maior soldabilidade da placa; permite o uso de fluxos menos ativos, podendo assim eliminar-se a limpeza do PCB após a soldagem; além disso melhora a tensão superficial da solda fundida o que reduz o risco de pontes de solda, prevenindo curtos e permite melhor molhabilidade dos pads [4, 11]. O processo de reflow tem como objetivo a fusão da pasta, proporcionando uma boa molhagem e solidificação que vá criar uma junta de solda com robustez. O perfil térmico usado neste processo, normalmente divide-se em 4 zonas: pré aquecimento, soak, reflow e arrefecimento [3]. O controlo destas quatro zonas é de grande importância e é o que irá definir o perfil térmico a utilizar para um produto específico, como se pode ver na figura 22 temos as diferenças entre perfil térmico com pasta de solda com e sem chumbo. Figura 22. Perfil térmico típico usado no processo de soldagem por reflow [16]. 34

57 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Zona de Pré aquecimento Na etapa de pré aquecimento, o PCB e os componentes são aquecidos a uma taxa de aquecimento lenta (1 a 3ºC/s), desde a temperatura ambiente até ao intervalo de 80 a 150ºC. Os materiais voláteis da pasta são evaporados e é iniciada a ativação do fluxo de forma a limpar todos os óxidos na superfície dos pads. Este aquecimento lento inicial previne que se provoque choque térmico tanto no PCB como nos componentes, mas também previne que ocorra projeção de bolas de solda devido a rápidos aquecimentos [9, 16]. Zona Soak A zona de soak é a continuação do pré aquecimento, porque aproxima os componentes da temperatura de soldagem. O fluxo ativo mantém a superfície livre de novas oxidações, contudo a principal função desta zona é permitir que os componentes de maior tamanho, ou com menor condutividade térmica, atinjam a mesma temperatura que os demais. Resumindo a zona de soak permite a distribuição uniforme da temperatura pela superfície do PCB [16]. Zona de Reflow É na zona de reflow que a pasta de solda funde, isto é, a temperatura aumenta até passar a temperatura de liquidus da pasta de solda, para pasta lead fre entre 217 e 221ºC. Tipicamente a temperatura de pico está entre 245 e 260ºC e o tempo acima da temperatura de liquidus deve andar entre 30 e 90s de forma a providenciar um bom molhamento e formar uma junta de solda de qualidade. Temperaturas e tempos acima dos referidos podem provocar choques térmicos no PCB e permitir o crescimento excessivo da camada intermetálica, tornando a junta de solda mais quebradiça [16]. Zona de arrefecimento Durante a etapa de arrefecimento a junta de solda formada é arrefecida até a temperatura ambiente. A taxa de arrefecimento também é crítica, pois irá ser responsável pela morfologia formada na junção intermetálica. Arrefecimentos lentos irão provocar o crescimento excessivo da camada intermetálica e a formação de grãos grandes, resultando em fraca resistência à fadiga. Por essa razão, os arrefecimentos rápidos são preferíveis, pois formam uma estrutura granular fina, garantindo melhores propriedades mecânicas [16]. 35

58 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Processo de soldagem por onda No caso da soldagem por onda, o PCB com os componentes TH montados na face superior, passa através de uma onda de liga fundida que é bombeada sobre a parte inferior da placa, fazendo a ligação das interfaces (figura 23). Este método de soldagem tem uma vantagem que consiste na possibilidade de ser utilizado tanto em componentes TH, onde os pinos atravessam furos (e são preenchidos pela solda através de capilaridade), como em componentes SMD) [9]. Figura 23. Equipamento de soldagem por onda. a) Equipamento completo Vitronics-Soltec; b) Sistema de fluxação por spray; c) Sistema de pré aquecimento; d) Sequência de ondas de solda fundida [38]. À semelhança da soldagem por reflow, a onda divide-se em 3 zonas: aplicação de fluxo, pré aquecimento e zona de soldagem. [3] O controlo das temperaturas da zona de pré aquecimento, da liga fundida e do tempo de contacto é de extrema importância e irá influenciar as características físicas e morfológicas da junta de solda [4]. Zona de aplicação de fluxo À semelhança da função do fluxo existente na pasta de solda no reflow, a aplicação de fluxo é necessária para a obtenção de superfícies limpas de impurezas e óxidos, o que possibilita uma boa molhabilidade pela solda para garantir a fixação eletromecânica adequada [9]. 36

59 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica A etapa de fluxação é essencial à formação da junta de solda, à semelhança da passagem pela onda de solda, o fluxo é aplicado na parte inferior da placa e pode ser aplicado de várias formas, por espuma ou por spray (figura 23 b)), sendo esta última a mais usada na atualidade [9, 16]. As principais funções desta etapa passam pela remoção de impurezas e oxidações da superfície da placa, aumentar a molhagem e facilitar o efeito de capilaridade responsável pelo enchimento dos furos e ainda proteger a superfície de reoxidações aquando da passagem pela etapa de pré aquecimento [9]. Existem vários tipos de fluxo utilizados na indústria eletrónica, como mencionado anteriormente, no entanto, no caso de processos de soldagem lead free em processos no-clean, os fluxos à base de água VOC-free (Volatile organic compound-free) são os mais indicados, porque são fluxos mais ativos e mais estáveis a altas temperaturas [16]. Aplicação insuficiente de fluxo pode levar a problemas de molhabilidade na solda, enquanto aplicações em excesso podem provocar o aparecimento de bolas de solda ou resíduos do fluxo que podem afetar a soldagem dos produtos [16]. Zona de pré aquecimento No caso da soldagem por onda, é necessário recorrer a um pré aquecimento dos produtos com o intuito semelhante ao do processo de soldagem por reflow. Dito isto, as principais razões para recorrer a um pré-aquecimento entre a fluxação e a soldagem passam por [9]: o Ativar o fluxo de forma a remover os óxidos da superfície e facilitar o enchimento dos furos durante a soldagem. Evaporar o solvente do fluxo, caso contrário pode provocar defeitos no enchimento (blow holes) por entrar na onda de solda; o Prevenir efeitos de choque térmico tanto em componentes como na própria placa devido à subida extremamente rápida da temperatura desde a temperatura ambiente até à temperatura da soldagem por onda 250ºC; o Minimizar o tempo de contacto da soldagem, isto é, se a placa não passasse por esta etapa, a temperatura necessária para soldar derivaria apenas da temperatura da solda, o que significaria a necessidade de tempos de contacto mais longos. 37

60 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica O pré aquecimento torna-se assim uma parte importante do perfil térmico da soldagem por onda, onde a gama de temperaturas pode variar entre 95 e 130ºC, com velocidades de aquecimento inferiores a 3 ºC/s [16]. Esta transferência de temperatura pode ocorrer através de métodos de convecção de ar quente, por radiação através de lâmpadas de infravermelhos ou por combinação deste dois métodos, figura 23 c) [16]. Zona de soldagem por onda A soldagem por onda tem duas funções básicas: transferir calor para os pinos dos componentes, pads e para os furos metalizados; libertar solda para formar a junção eletromecânica (figura 23 d)) [9]. A zona de soldagem é caracterizada por um tanque de solda onde a liga fundida, que pode apresentar temperaturas na ordem de 265 ± 5ºC, é bombeada através de um bocal molhando a placa pela parte inferior, dando-se a soldagem pelo mecanismo de capilaridade e pressão hidrostática, formando a junta de solda [9, 16]. Os equipamentos de soldagem por onda podem conter sistemas com uma ou duas ondas de solda e com vários formatos da onda, no entanto é usual recorrer a sistemas com dupla onda. Nestes sistemas há a combinação de uma primeira onda turbulenta e uma segunda laminar. O objetivo da primeira onda é o de permitir um molhamento completo, em que a solda atinge toda a superfície mesmo entre componentes. A segunda onda é responsável pela formação do menisco da solda fundida em cada junta de solda [9]. Para se conseguir uma soldagem por onda com qualidade deve-se proceder a um controlo apertado de vários parâmetros, como por exemplo o tipo e quantidade de fluxo, a liga de solda, a velocidade do conveyor, a temperatura e velocidade de aquecimento, o tempo e comprimento de contacto, atmosfera de soldagem, entre outras variáveis [16]. Os processos de soldagem, mais especificamente os perfis térmicos usados irão influenciar a formação da camada intermetálica, que por sua vez irá influenciar as características de junta. No caso da soldagem por reflow, como é uma soldagem estática, a camada intermetálica tende a aumentar, enquanto que na soldagem por onda, que é uma soldagem dinâmica, a camada intermetálica tem tendência a diminuir, o que pode provocar superfícies não soldáveis devido a cobre exposto [7]. 38

61 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Defeitos de produção de PCBAs Nesta secção apresentam-se alguns dos defeitos mais comuns na indústria eletrónica. Da mesma forma que se recorrem a standards para os diversos processos envolvidos na produção de produtos finais, também são utilizados standards com os requisitos de aceitação de defeitos. As anomalias ou defeitos podem estar relacionados diretamente com toda a panorâmica de processos envolvidos na produção de um produto, mas também relacionados com os materiais das placas ou componentes [3]. No caso de defeitos/falhas provenientes dos materiais podem ser, por exemplo, contaminações dos materiais (placa ou pasta) ou provenientes das propriedades destes [3]. De forma a facilitar o processo de visualização, identificação e catalogação dos vários tipos de defeito bem como os critérios de aceitação segundo os requisitos para a montagem eletrónica, a Bosch recorre à IPC A 610. Este standard especifica 3 classes de critérios de aceitação [22]: Classe 1: Produtos eletrónicos em geral. Nesta classe os produtos são destinados a aplicações onde o principal requisito é a função do produto completo; Classe 2: Produtos eletrónicos para serviços específicos. Nesta segunda classe, estão inseridos produtos onde uma performance continua e uma vida longa é necessária, bem como produtos onde o trabalho ininterrupto é desejado. Classe 3: Produtos eletrónicos de elevada performance. Por fim nesta categoria, incluemse produtos onde o funcionamento contínuo e em alta performance é crítico, produtos em que o tempo de inatividade não é tolerado ou produtos que têm de funcionar quando assim for necessário, como o caso de equipamento de suporte de vida. Na tabela 5 podem-se encontrar alguns dos defeitos mais comuns em PCBAs [22, 39]. 39

62 Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Tabela 5. Defeitos comuns na produção de PCBAs [22, 39]. Defeito Bolas de solda Descrição do defeito Este defeito pode evidenciar-se após o processo de soldagem por reflow e pode ser resultado de incompatibilidade entre a solda e o soldermask, problemas de humidade ou de evaporação do fluxo. Solder shorts/bridging Enchimento incompleto de TH Podem resultar da deficiente aplicação de pasta ou do processo de soldagem, tendo em conta a miniaturização constante dos componentes que se traduz por distâncias entre pads cada vez menores. Resultando assim na ligação por solda de dois pads resultando em curto-circuito. Este caso não é considerado especificamente um defeito. É um requisito/especificação e usualmente está relacionado com problemas de molhabilidade, fluxação ou de temperatura. Porosidade Como é de prever o principal fator que está na origem deste tipo de defeito é a humidade que pode ficar aprisionada na própria placa ou na solda, que aquando da passagem por um processo térmico de soldagem pode ter uma incorreta evaporação. Tombstone Este caso especifico é usualmente observado em produtos com acabamentos superficiais HASL. Este defeito provém principalmente de acabamentos desnivelados, que resultam em impressões de pasta deficientes, logo soldagem inconstante. Pode resultar de casos em que um dos pads é dissipador térmico soldando mais tarde ou nem soldando. 40

63 Capitulo 4. Procedimento experimental CAPITULO 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 Introdução No presente capítulo são apresentados os materiais, os métodos de processamento, as técnicas de inspeção e caracterização dos produtos obtidos bem como os procedimentos necessários para a sua caracterização. Os materiais de estudo neste trabalho passam pelo acabamento superficial dos PCBs (pasta de solda SN100CL), e pela junta de solda formada após os processos de soldagem recorrendo a duas pastas de solda diferentes (SAC 405 e SAC 305) [40-42]. Como referido anteriormente, o principal objetivo passa pela caracterização da evolução das juntas de solda e das camadas intermetálicas formadas com diferentes processos de soldagem em PCBs com acabamento superficial HASL lead free. As técnicas de inspeção e caracterização passaram por técnicas de inspeção automática (SPI inspeção da impressão de pasta e AOI inspeção das juntas de solda após soldagem), Inspeção visual, inspeção de scanner de raios-x, microscopia eletrónica de varrimento (MEV) e ensaios de resistência ao corte de forma a verificar a resistência mecânica das juntas de solda. A melhor opção de análise da qualidade das juntas de solda bem como da formação intermetálica é a realização de cortes seccionais. Estes cortes seccionais foram utilizados para determinar as espessuras do acabamento bem como as espessuras das camadas intermetálicas. Na figura 24 encontra-se representado o fluxograma dos diferentes grupos de produção. 41

64 Capitulo 4. Procedimento experimental Produção 100 PCBs Perfis Nominais 50 PCBs Perfis Máximos 50 PCBs Grupo 1 Sem Envelhecimento 25 PCBs Grupo 2 Com Envelhecimento 25 PCBs Grupo 3 Sem Envelhecimento 25 PCBs Grupo 4 Com Envelhecimento 25 PCBs Figura 24. Condições dos PCBs dos grupos de produção. Com estes quatro grupos de produção pretende-se cobrir todas as hipóteses possíveis a que este tipo de acabamento poderá estar sujeito após a chegada à fábrica (armazenamentos de um ano e passar por perfis máximos de soldagem). Mas o principal aspeto a tentar-se compreender foi o que o pior caso possível (envelhecimento dos PCBs e utilização de perfis máximos nos dois processos de soldagem) poderia influenciar no estado do próprio acabamento bem como na formação da própria junta e no crescimento intermetálico. Dos quatro grupos de produção anteriores (25 PCBs cada), cada um teve uma sequência de produção a seguir semelhante, diferindo apenas nos perfis de temperatura a que estiveram sujeitos nos processos de soldagem. A seguir são apresentados alguns pontos da sequência de produção: a) 2 PCBs (1 de cada extremidade do pack) foram removidos após o envelhecimento, pois esperava-se que apresentassem alterações na superfície em contacto com o plástico; b) 3 PCBs foram retirados de cada grupo para avaliação do acabamento após a passagem por 1 e 2 reflows (sem aplicação de pasta de solda nem inserção de componentes); c) 20 PCBs seguiram o processo normal de produção do produto (impressão de pasta, SPI, inserção de componentes, processos de soldagem e AOI; d) 3 PCBs foram removidos a cada processo de soldagem para inspeção e análises. 42

65 Capitulo 4. Procedimento experimental Na figura 25 encontra-se o fluxograma da produção detalhada de cada grupo de 25 amostras. Figura 25. Fluxograma detalhado para cada grupo de produção de 25 PCBs. 43

66 Capitulo 4. Procedimento experimental 4.2 Materiais As pastas de solda usadas neste trabalho, SN100CL, SAC 405 e SAC 305, foram desenvolvidos e caracterizados pela NIHON Superior, Heraeus e Stannol Ecoloy, respetivamente. A pasta usada no acabamento superficial é da inteira responsabilidade do fornecedor de PCBs, uma vez que a Bosch é responsável apenas pela soldagem dos PCBAs. O desenvolvimento e caracterização destas pastas permite-nos conhecer as propriedades dos materiais utilizados. Na tabela 6, apresentam-se algumas das características destas pastas. Tabela 6. Diferentes pastas de solda utilizadas no presente trabalho [40-42]. Pastas de solda Composição (% ponderal) Ponto de fusão (ºC) Massa volúmica (g/cm 3 ) SN100CL Sn-Cu-Ni-Ge 227 7,4 SAC 405 Sn95,5Ag4,0Cu0, ,4 SAC 305 Sn96,5Ag3,0Cu0, ,5 A composição da pasta do acabamento superficial apresenta 0,6 0,8 de Cu, 0,04 0,07 de Ni, <0,01 de Ge e o elemento restante da mistura é o estanho. PCB: A placa de circuito impresso em estudo nesta dissertação é fabricada pelo fornecedor CHIN POON, com as seguintes características: Produto associado: Placa de comado para placa de indução Dimensão do PCB: 268,6 x 99,825mm Espessura do PCB: 1,62 a 1,68mm Acabamento superficial HASL lead free: Como referido anteriormente a pasta de solda do acabamento superficial é do fornecedor NIHON Superior. Segundo o fornecedor do PCB, o acabamento apresenta as seguintes características: 44

67 Capitulo 4. Procedimento experimental Pasta de solda: SN100CL Espessura do acabamento: 15,02 a 24,24µm (lote de aprovação) 4.3 Métodos de processamento Para a realização do estudo da evolução das camadas intermetálicas com diferentes processos de soldagem e perfis térmicos, recorreu-se à sequência normal de produção deste produto. Esta produção envolve dois processos de soldagem: soldagem por reflow (duas passagens devido à inserção de componentes em ambos os lados do PCB) e soldagem por onda. Conseguindo-se assim compreender o efeito que diferentes processos e diferentes perfis térmicos terão no crescimento da camada intermetálica. No entanto, como referido anteriormente, o objetivo passa por estudar o pior caso possível a que este tipo de acabamento superficial poderá estar sujeito Envelhecimento dos PCBs Este envelhecimento conferido aos PCBs foi realizado com intuito de simular um ano de armazenamento controlado segundo as condições ambientais standard Bosch. As condições para esta simulação foram calculadas de acordo com o modelo de Lawson, de forma a verificar a influência da temperatura e da humidade. A simulação foi realizada no pacote original de armazenamento. Na tabela 7 encontram-se as condições do envelhecimento. 45

68 Capitulo 4. Procedimento experimental Tabela 7. Condições de Envelhecimento. Modelo de Lawson Parâmetros Condição Média da humidade do armazenamento (%) 60 Média da temperatura do armazenamento (ºC) 23 Humidade em teste (%) 75 Temperatura em teste (ºC) 85 Fator de aceleração 46,59 Tempo de armazenamento (h) 8760 Tempo de teste (h) 188,03 * Condições definidas pelo departamento responsável pela qualidade Bosch Car Multimedia, CM/QMM3. ** Este envelhecimento foi realizado pelo Laboratório Químico Marques Ferreira. De referir que uma vez que os PCBs utilizados já estavam armazenados à 4 meses, foi realizada a retificação do tempo de teste para 126 horas. A câmara de teste foi uma Heraeus Voctsch HC Na figura 26 é apresentada a câmara usada. Figura 26. Câmara Heraeus Voctsch HC 0020 utilizada para o envelhecimento dos PCBs. No Anexo I estão representados os gráficos do envelhecimento efetuado. De referir que a câmara de teste utilizada apresenta medição da humidade relativa em temperatura húmida através da conversão fornecida pela Heraeus. 46

69 Capitulo 4. Procedimento experimental Perfis térmicos Relativamente aos perfis térmicos, como mencionado anteriormente, foram usados perfis nominais simulando a produção normal deste produto. Numa segunda etapa foram utilizados os perfis máximos para cada processo de soldagem de acordo com os requisitos Car Multimedia [43, 44]. Soldagem por Reflow Uma vez que o produto é sujeito a dois reflows irão ser obtidos dois perfis diferentes para cada lado, uma vez que as zonas de medição são também diferentes. O forno de reflow usado foi um REHM V8 (figura 27). No Anexo II é possível observar as diferentes zonas onde a temperatura foi medida através de termopares tipo K (NiCr NiAl). Figura 27. Forno de reflow REHM utilizado na produção dos produtos [43]. Perfil Nominal Lado inferior Na tabela 8, é possível observar as temperaturas definidas no forno para as 7 zonas de aquecimento, estas temperaturas são as mesmas tanto para o lado inferior como o lado superior. Tabela 8. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil nominal. Temperatura ( o C) Zona Topo Baixo Velocidade conveyor (cm/min) 85 47

70 Capitulo 4. Procedimento experimental Na figura 28 está representado o perfil térmico nominal medido no lado inferior do PCB e o resumo de todas as zonas do perfil para as 5 zonas medidas pelos termopares. Figura 28. Perfil térmico nominal (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. Perfil Nominal Lado superior Na figura 29 está representado o perfil térmico nominal medido no lado superior do PCB e o resumo de todas as zonas do perfil para as 6 zonas medidas pelos termopares. 48

71 Capitulo 4. Procedimento experimental Figura 29. Perfil térmico nominal (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. Perfil Máximo Lado inferior Na tabela 9, é possível observar as temperaturas definidas no forno para as 7 zonas de aquecimento. Neste caso a definição de temperaturas no forno não são os mesmos para os dois lados do PCB, porque a intenção foi encontrar o máximo perfil permitido para os dois lados individualmente [43]. Tabela 9. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. Inferior). Temperatura ( o C) Zona Topo Baixo Velocidade conveyor (cm/min) 85 49

72 Capitulo 4. Procedimento experimental Na 30 está representado o perfil térmico máximo medido no lado inferior do PCB e o resumo de todas as zonas do perfil para as 5 zonas medidas pelos termopares. Figura 30. Perfil térmico máximo (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. Perfil Máximo Lado superior Na tabela 10, é possível observar as temperaturas definidas no forno para as 7 zonas de aquecimento. 50

73 Capitulo 4. Procedimento experimental Tabela 10. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. superior). Temperatura ( o C) Zona Topo Baixo Velocidade conveyor (cm/min) 85 Na figura 31 está representado o perfil térmico máximo medido no lado superior do PCB e o resumo de todas as zonas do perfil para as 6 zonas medidas pelos termopares. Figura 31. Perfil térmico máximo (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. 51

74 Capitulo 4. Procedimento experimental A tabela 11 serve para de forma sucinta demonstrar as principais diferenças entre os perfis nominais e máximos do processo de soldagem por reflow. No entanto, a grande diferença reside na temperatura máxima atingida da zona de pico numa diferença de ±18ºC, e o tempo a que esteve acima da temperatura de liquidus, com uma diferença de ±18s (temperatura medida no PCB). Tabela 11. Tabela comparativa entre perfis nominais e máximos. Temperatura de pico ( o C) T ( o C) Tempo acima de T liquidus (s) Nominal l. Inferior 242,23 48,96 ±14 o C Máximo l. Inferior 256,45 63,82 Nominal l. Superior 240,93 46,24 ±18 o C Máximo l. Superior 258,34 64,54 Velocidade conveyor 85 (cm/min) T ( o C) ±14s ±18s Soldagem por Onda À semelhança do processo de soldagem por reflow, a produção passou pela utilização de perfis nominais e máximos permitidos de acordo com os requisitos Car Multimedia para soldagem por onda [44]. As figuras 32 e 33 representam os dois perfis (nominal e máximo) para o processo de soldagem por onda. Perfil Nominal Parâmetros nominais de produção: Pré aquecimento: 95 a 130ºC Temperatura da junta de solda: 257,2ºC Tempo de contacto: 7s Velocidade do conveyor: 1,1m/min 52

75 Capitulo 4. Procedimento experimental Figura 32. Perfil térmico nominal - soldagem por onda. Perfil Máximo Parâmetros máximos: Pré aquecimento: 130ºC Temperatura da junta de solda: 256,7ºC Tempo de contacto: 12s Velocidade do conveyor: 0,8m/min 53

76 Capitulo 4. Procedimento experimental Figura 33. Perfil térmico máximo - soldagem por onda. Na tabela 12 estão representadas as principais diferenças entre os dois perfis do processo de soldagem por onda. Tabela 12. Tabela comparativa entre os parâmetros da soldagem por onda. Nominal Máximo Pré aquecimento ( o C) ºC 130ºC Temperatura da junta ( o C) 257,2 256,7 Tempo de contacto (s) 7 12 Velocidade do conveyor (m/min) 1,1 0,8 54

77 Capitulo 4. Procedimento experimental 4.4 Técnicas de caracterização Para a caracterização das juntas de solda e das camadas intermetálicas foram utilizadas as seguintes técnicas: Todos os PCBAs foram avaliados por SPI e AOI de forma a verificar a influência do envelhecimento conferido aos PCBs antes de soldar e verificar a correta soldagem dos componentes ou falta deles, respetivamente; Inspeção visual Através de Microscopia ótica foram analisadas as juntas dos produtos de forma a verificar a qualidade das mesmas com respeito a defeitos visuais; Inspeção scanner de raios-x Identificação dos defeitos visuais escondidos pelos componentes ou solda, como por exemplo a existência de vazios; Cortes seccionais Verificar a qualidade das juntas de soldadura e medição da espessura da camada intermetálica; Ensaio de resistência ao corte Avaliar a resistência mecânica das juntas de solda; Microscopia eletrónica de varrimento Caracterizar o crescimento e distribuição dos compostos intermetálicos formados. Através da espectroscopia de dispersão de energias identificar a composição química da solda e das camadas intermetálicas. Todas as técnicas de análise e caracterização utilizadas foram efetuadas a vários componentes e em todos os quatro grupos de produção. No entanto em cada técnica serão apresentados os resultados obtidos para a condição normal e extrema (grupo 1 e 4, respetivamente) e apenas em componentes ou zonas representativas da influência de todos os parâmetros avaliados nesta dissertação Inspeção da impressão de liga de solda (SPI) e Inspeção ótica automática (AOI) SPI É essencial garantir que o processo de impressão de pasta foi bem efetuado e de acordo com as especificações Bosch. Para este efeito foi usada uma máquina standard de inspeção 3D Koh-Young (figura 34 a)), onde antes de se proceder à impressão dos PCBs o programa completo com os limites de inspeção são inseridos na máquina para o produto em causa [45]. 55

78 Capitulo 4. Procedimento experimental Figura 34. Equipamentos de inspeção. a) Equipamento de SPI; b) Equipamento de AOI [45, 46]. Este equipamento é configurado para guardar as imagens e todos os dados da inspeção (altura, área, volume, e offsets) bem como as classificações associadas para futura análise [46]. No caso da presente dissertação o principal objetivo para a utilização desta técnica era o de verificar se o envelhecimento provocado iria provocar alterações na superfície, como problemas de adesão e/ou espalhamento. Tendo em conta os problemas associados a este acabamento, este ponto era de importante avaliação. AOI Por outro lado o AOI, equipamento Viscom (figura 34 b)) inspeciona os produtos após passagem pelo processo de soldagem, e avalia características externas como pontes de solda, falta de componentes, entre outros defeitos de soldagem rapidamente. Este sistema cria a sua própria curva de aprendizagem avaliando parâmetros como a forma da junta de solda, o deslocamento de componentes, as pontes de solda, etc. [3, 46] Inspeção visual e Inspeção de scanner de raios-x Inspeção visual A inspeção e caracterização da qualidade das juntas de solda podem ser realizadas através de microscópia ótica. Com esta técnica procura-se identificar defeitos visuais que os equipamentos anteriores não conseguiram identificar ou apresentavam dúvidas na sua inspeção [16]. A inspeção através de microscopia ótica envolve a transmissão de luz visível para a amostra, sendo refletida por 56

79 Capitulo 4. Procedimento experimental esta através de uma ou várias lentes de forma a obter uma imagem ampliada da amostra. O microscópio ótico utilizado nesta dissertação foi um microscópio Leica M205C (figura 35 a)) e as ampliações usadas foram (7,8x e 32x). Figura 35. a) Microscópio ótico Leica; b) Equipamento de inspeção scanner de raios-x Phoenix [47]. Inspeção de scanner de raios-x A inspeção de raios-x representa um sistema ótico, onde a placa com as juntas de solda e componentes são como que digitalizados por serem penetrados com radiação raio-x, que é absorvida essencialmente pela solda das juntas. A imagem de raios-x resultante é convertida numa imagem monocromática na gama do visível que pode ser observada pelo operador através de um monitor. Ao controlar a tensão aplicada consegue-se melhorar a qualidade de imagem [3]. O equipamento utilizado foi um Phoenix-pcbanalyser (figura 35 b)). Este equipamento foi utilizado para verificar defeitos que a olho nu não seriam identificáveis, como vazios ou porosidades nas juntas de solda, verificar a qualidade das soldas formadas em BGAs, que estão escondidas pelo corpo do componente e para verificar se o enchimento completo dos orifícios TH foi conseguido Cortes seccionais Como mencionado anteriormente, a forma ideal de avaliar a qualidade das juntas de solda é através de cortes seccionais. Na indústria eletrónica a materialografia é essencial para avaliar a existência de defeitos de soldagem, como fissuras, porosidades, avaliar camadas intermetálicas, entre 57

80 Capitulo 4. Procedimento experimental outras possibilidades. Para a obtenção de um corte seccional, tipicamente é necessário passar por algumas etapas como: a preparação da superfície da amostra, embeber a amostra em resina, o desbaste da amostra, o polimento e o ataque químico de forma a revelar as características a avaliar [48]. No caso da presente dissertação a sequência de etapas para obtenção do corte metalográfico a analisar foi a seguinte: Corte da zona a analisar utilizando um disco de corte; desbaste da superfície para garantir a correta orientação da amostra quando embebida em resina; Colocar a amostra no molde e adicionar a resina (mistura na proporção de 7,5mg de resina epóxi para 1,5 mg de endurecedor; Utilização de uma câmara de vácuo de forma a eliminar o máximo possível de bolhas de ar da mistura; Aguardar 8 horas para a cura devida da resina (figura 36 a)); Desbaste da amostra com lixas de 320, 500, 800, 1200 e 2500 mesh, e polimento com panos de 3 e 1μm. O equipamento utilizado foi um Struers RotoPol-21 (figura 36 b); Ataque químico com uma mistura 1 (93ml água destilada + 5ml de acido nítrico + 2ml de acido clorídrico) para revelar o estanho e uma mistura 2 (20ml de amoníaco + 20 gotas de água oxigenada a 20% volume) para revelar o cobre (figura 36 c)). Essencial para análise pretendida de avaliação da camada intermetálica. Na figura 36 é possível observar os cortes após a cura da resina, o equipamento de desbaste e polimento e o procedimento do ataque químico da superfície, respetivamente. Figura 36. Sequência para obtenção de cortes seccionais. a) Corte em resina; b) Equipamento de desbaste e polimento Struers; c) Ataque químico. 58

81 Capitulo 4. Procedimento experimental Após a obtenção dos cortes seccionais, estes eram utilizados para avaliação da junta de solda formada utilizando diferentes processos e condições, e foram utilizados também para a medição das camadas intermetálicas. Para esse objetivo foi utilizado o microscópio eletrónico Keyence VHX 2000 (figura 37), as imagens foram recolhidas com uma ampliação de 1000x a necessária para a caracterização do crescimento intermetálico. Figura 37. Microscópio Keyence VHX-2000 [49]. Relativamente às medições da espessura da camada intermetálica, estas foram realizadas para todos os grupos de produção e nas cinco zonas analisadas por cortes seccionais (figura 38). De referir que nas placas completamente montadas, apenas se realizaram cortes seccionais nas zonas 1, 4 e 5. Figura 38. Zonas de cortes seccionais. a) Lado inferior da placa; b) Lado superior da placa. 59

82 Capitulo 4. Procedimento experimental De seguida encontram-se representadas as 3 zonas de medição das camadas intermetálicas bem como os locais e a forma como foram realizadas as medições para este estudo. De referir que as três zonas selecionadas (1, 2 e 5), assim o foram por serem representativas dos parâmetros a avaliar. Na figura 39 está representada a zona 1, zona constituída pela presença de dois componentes (DFPs) soldados sobrepostos nos dois lados do PCB, fornecendo assim informação relativa aos dois processos de soldagem por reflow a que o produto é sujeito. Figura 39. Pontos de medição da zona 1. a) Vista geral da soldagem dos dois DFPs; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada pad; c) Detalhe da medição da espessura. A figura 40 representa a medição realizada na zona 2 (BGA), este componente é constituído por filas de 17 bolas de solda. Na figura 40 b), é possível verificar que a medição é realizada em 2 pontos de cada bola, sendo que foram avaliadas a bola 1, 8 e

83 Capitulo 4. Procedimento experimental Figura 40. Pontos de medição da zona 2. a) Vista geral da soldagem do BGA; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada bola de solda; c) Detalhe da medição da espessura. Na figura 41 encontra-se representada a zona 5, um componente TH (transformador), onde a sua análise de crescimento intermetálico foi realizada de forma semelhante, mas separada dos componentes SMD, visto que a influência deste processo é completamente diferente da soldagem por reflow. A análise nesta zona foi realizada sempre no primeiro furo em seis pontos de medição. Sendo que as imagens são sempre apresentadas na forma correta de inserção do componente, ou seja a parte inferior da imagem corresponde à zona inferior do orifício que estará em contacto com a onda. Figura 41. Pontos de medição da zona 5. a) Vista geral da soldagem do componente TH; b) Representação dos pontos de medição realizados em cada furo; c) Detalhe da medição da espessura. 61

84 Capitulo 4. Procedimento experimental O procedimento apresentado em cima foi realizado para todos os estados do PCB, isto é, a análise foi realizada em PCBs não montados, PCBs com 1 reflow, PCBs com 2 reflows e completamente montados (após a soldagem por onda) Resistência ao Corte Esta técnica foi utilizada com o intuito de se avaliar a resistência mecânica das juntas de solda em PCBs com acabamento superficial HASL lead free e verificar a influência que o crescimento intermetálico poderá ter sob este aspeto. À semelhança das medições de espessura, a análise foi realizada em todos os estados do PCBAs (com 1 reflow, 2 reflows e completamente montados). Foram analisados dois PCBAs em cada estado, mencionado atrás, num total de 24 PCBAs sendo avaliados 6 componentes (condensadores 0603) em cada. De referir que no caso dos PCBAs com apenas 1 reflow (8 placas), estes continham apenas 3 componentes tendo em conta o processo produtivo ter ficado incompleto. No final de cada ensaio, as amostras e métodos de falhas eram identificados e classificados segundo o standard IEC Este teste foi realizado pelo laboratório Electronic Failure Investigation (EFI-Labs) na Hungria. Na tabela 13 estão representados os equipamentos utilizados, as condições ambientais em que decorreram os ensaios e os standards aplicados a este teste. Tabela 13. Equipamento do teste, condições ambientais e standards aplicados. Equipamento e métodos de análise Modelo Instron 5965 Olympus SZX9 Descrição e métodos de análise Equipamento de teste Microscópio ótico Condições ambientais Standards aplicados Parâmetros Valores Descrição Temperatura 21 23ºC JIS Z Humidade % IEC Velocidade de corte 5 30mm/min 62

85 Capitulo 4. Procedimento experimental No Anexo III encontra-se os códigos de falha de acordo com o standard IEC , pelo qual foram identificados os modos de falha do presente teste. A figura 42 apresenta os componentes analisados bem como as suas posições na placa. Figura 42. Representação dos componentes analisados e suas posições. a) Desenho técnico da zona de análise; b) Imagem real da zona de análise. De seguida, na figura 43 pode-se observar o exemplo prático do tipo de resultado obtido neste teste, onde se podem encontrar o gráfico e valor máximo da força de corte bem como a classificação dos modos de falha. Figura 43. Representação dos resultados práticos obtidos no ensaio de resistência ao corte. 63

86 Capitulo 4. Procedimento experimental Microscopia eletrónica de varrimento (MEV) / Espectroscopia de dispersão de energias (EDS) Nesta técnica a área da amostra a ser observada é irradiada com um feixe de eletrões que a varre formando a imagem. De todos os sinais para formar a imagem, destacam-se os eletrões secundários (informação topográfica) e os eletrões retro difundidos (informação morfológica). A análise através de MEV permitiu a avaliação da morfologia, nomeadamente a distribuição, a forma e o tamanho das camadas intermetálicas. Por outro lado a análise por EDS, apesar de não permitir a identificação dos produtos que se formaram, serve para identificar a composição/natureza das fases formadas na junta de solda e das camadas intermetálicas. O equipamento MEV utilizado foi um JEOL modelo JSM-6010LV com o equipamento de EDS Oxford instruments X-act acoplado. Previamente à análise de MEV/EDS as amostras foram revestidas com ouro a fim de tornar a superfície condutora. 64

87 Capitulo 5. Resultados e discussão CAPITULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 Introdução Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados obtidos nesta dissertação, desde a avaliação por SPI e AOI, avaliações no seguimento da própria linha de produção às técnicas de inspeção visual a fim de identificar defeitos visuais (inspeção visual e inspeção scanner de raios-x. É verificada e comparada a qualidade das juntas de solda e medição da espessura da camada intermetálica por intermédio dos cortes seccionais. Foi realizada a caracterização mecânica das juntas soldadas e ainda a caracterização química das fases formadas nas interfaces. Relembra-se que são apenas apresentados os resultados obtidos para a condição normal e extrema (grupo 1 e 4, respetivamente) e apenas em componentes ou zonas representativas da influência dos parâmetros a avaliar. 5.2 Inspeção da impressão da pasta de solda (SPI) Os principais objetivos para a utilização desta técnica foram: verificar se o acabamento superficial influenciou na adesão e/ou espalhamento da pasta de solda durante a impressão da pasta e se cumpria os requisitos Bosch. Na figura 44 são apresentados os resultados para a zona 1 e zona 2, com os dados referentes à altura da pasta depositada, no Anexo IV encontram-se os restantes resultados da área e volume, respetivamente. Os números apresentados nos gráficos são os números de série dos PCBs avaliados. 65

88 Capitulo 5. Resultados e discussão Figura 44. Resultados da impressão da liga de solda altura. Sem envelhecimento Com envelhecimento Zona 1 Lado inferior (1ª impressão) Min: 99,87 Max: 144,92 Média: 118,78 Desvio padrão: 8,71 Zona 1 Lado inferior (1ª impressão) Min: 101,23 Max: 142,51 Média: 119,60 Desvio Padrão: 8,37 Zona 1 Lado superior (2ª impressão) Min: 104,49 Max: 159,22 Média: 128,83 Desvio Padrão: 12,40 Zona 1 Lado superior (2ª impressão) Min: 113,56 Max: 163,74 Média: 133,31 Desvio Padrão: 11,74 Zona 2 Lado superior (2ª impressão) Min: 83,87 Max: 163,66 Média: 109,53 Desvio Padrão: 9,73 Zona 2 Lado superior (2ª impressão) Min: 87,51 Max: 164,74 Média: 115,28 Desvio Padrão: 10,37 Após a análise efetuada e tendo como base os resultados acima apresentados bem como os presentes no anexo IV, verifica-se que apesar da fraca coplanaridade atribuída a este acabamento, não se evidenciaram problemas na impressão da pasta de solda, cumprindo esta os requisitos Bosch, em todos os pontos de análise (altura, área e volume). 66

89 Número de pseudo-erros Número de pseudo-erros Capitulo 5. Resultados e discussão Relativamente ao envelhecimento conferido aos PCBs, verifica-se que este não provocou alterações à superfície das placas, não afetando assim nem a adesão nem o espalhamento da pasta. 5.3 Inspeção ótica automática (AOI) Soldagem por reflow Esta técnica de inspeção está no fim de uma linha de produção por forma a avaliar a placa que acaba de passar por um processo de soldagem por reflow e constitui a primeira inspeção às características externas como pontes de solda, falta de componentes, soldas frias, etc. Esta técnica constitui uma ferramenta valiosa de avaliação, ajudando a verificar que influência tiveram os diferentes perfis térmicos na soldagem de componentes em PCBs com o acabamento superficial em estudo. Na figura 45 encontram-se os resultados de defeitos médios por placa, encontrados no AOI. 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Pseudo-erro 5,80 5,95 7,90 5,80 a) b) 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Pseudo-erro 12,18 12,38 12,29 15,12 Total de Total de pseudo-erros pseudo-erros Figura 45. Resultados de AOI. a) Resultados do lado inferior do PCB; b) Resultados do lado superior do PCB. Com esta técnica de inspeção pode verificar-se que não foram identificados erros associados ao processo de soldagem por reflow. Apenas foram identificados pseudo-erros, que não constituem um defeito, mas é o caso em que o equipamento considera uma situação intermédia quase defeito e pede a aceitação ou não do operador na classificação como sendo defeito ou um falso erro. Não havendo defeitos identificados é evidenciado que em termos de defeitos visuais, os diferentes perfis térmicos usados não influenciaram a qualidade visual das juntas de solda. 67

90 Número de defeitos Capitulo 5. Resultados e discussão 5.4 Inspeção ótica automática (AOI) Soldagem por onda Após o último processo de soldagem os produtos passaram por um sistema de inspeção semelhante ao anterior de forma a identificar defeitos visuais associados à soldagem por onda. Na figura 46 encontram-se os resultados médios de defeitos visuais encontrados por placa nesta inspeção, bem como o número total de defeitos por condição. 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Pseudo-erro 8,86 8,07 6,92 6,57 Pino Levantado 0,08 0,14 0,08 0,14 Total de pseudo-erros Total de pinos levantados Figura 46. Resultados de inspeção AOI - soldagem por onda. Mais uma vez a inspeção AOI evidencia na sua maioria apenas pseudo-erros. No entanto foram registados em todas as condições 1 ou 2 componentes com pinos levantados. Nestes casos os pinos atravessaram completamente o furo e foram soldados, no entanto a parte superior do componente fica inclinada na direção desse pino. Este tipo de defeito não está relacionado com os perfis térmicos usados nem com o processo de soldagem, mas sim com a incorreta inserção manual dos componentes. 5.5 In circuit test (ICT) Este tipo de teste consiste na utilização de sondas elétricas para testar um PCBA de forma a identificar e isolar componentes incorretamente colocados ou soldados. Basicamente fornece 68

91 Número de placas Capitulo 5. Resultados e discussão informações relativas à correta ou não, montagem da placa [9]. Foram avaliadas as 11 placas restantes de cada grupo e são classificadas como passa ou falha. Na figura 47 são apresentados os resultados deste teste Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Passa Falha Figura 47. Resultados do In Circuit Test. Todos os PCBAs produzidos e analisados foram aprovados e classificados como Passa. Isto fornece informações relativas à correta montagem dos produtos, não se verificando influência entre os diferentes grupos de produção. 5.6 Inspeção visual A inspeção e caracterização da qualidade das juntas de solda podem ser realizadas através de microscópia ótica. Com esta técnica procura-se identificar defeitos visuais que os equipamentos anteriores não conseguiram identificar ou apresentavam dúvidas na sua inspeção PCB sem e com envelhecimento Nesta primeira análise o objetivo era verificar se visualmente eram evidenciadas alterações da superfície do acabamento após o envelhecimento. Na figura 48 encontra-se a comparação entre as zonas 1, 2 e 5 em PCBs com e sem envelhecimento. 69

92 Capitulo 5. Resultados e discussão Figura 48. Inspeção visual entre PCBs com e sem envelhecimento. Sem envelhecimento Com envelhecimento PCB: Zona 1 Lado inferior 1 mm PCB: Zona 1 Lado inferior 1 mm PCB: Zona21 Lado superior 1 mm PCB: Zona 2 Lado superior 1 mm PCB: Zona 5 Lado inferior 1 mm PCB: Zona 5 Lado inferior 1 mm 70

93 Capitulo 5. Resultados e discussão Após a inspeção visual, pode observar-se que ambos os PCBs apresentam similar aspeto visual. As pequenas diferenças observadas são provocadas pela intensidade da luz incidente sobre as amostras. Não se verifica influência do envelhecimento na superfície dos PCBs Passagem de PCBs através de 2 reflows Neste caso, o objetivo passou por verificar se duas passagens pelo forno de reflow com o perfil nominal e máximo provocariam alterações na superfície do acabamento. Na figura 49 encontram-se os resultados da presente inspeção visual. Figura 49. Inspeção visual entre PCBs com duas passagens pelo forno de reflow. Grupo 1 Grupo 4 PCB: Zona 1 Lado inferior 1 mm PCB: Zona 1 Lado inferior 1 mm PCB: Zona 2 Lado superior 1 mm 1 mm PCB: Zona 2 Lado superior 71

94 Capitulo 5. Resultados e discussão PCB: Zona 5 Lado inferior 1 mm 1 mm PCB: Zona 5 Lado inferior Após duas passagens pelo forno de reflow é possível observar a alteração do aspeto visual do acabamento. Este efeito prende-se a fusão da liga de solda do acabamento durante a passagem pelo forno. Pode-se estar perante o aparecimento da camada intermetálica à superfície do acabamento. Esta questão será revista na seção referente aos cortes seccionais Inspeção visual após os processos de soldagem Após cada processo de soldagem foi verificada a qualidade das juntas formadas. No entanto pela semelhança de aspeto visual apenas se apresentam as imagens obtidas após todos os processos de soldagem. Na figura 50 encontram-se os resultados da respetiva inspeção visual. Figura 50. Resultados da inspeção visual após os processos de soldagem. Grupo 1 Grupo 4 1 mm 1 mm 72

95 Capitulo 5. Resultados e discussão PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 2 Lado superior 1 mm 1 mm PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 5 Lado inferior 1 mm 1 mm PCB: Zona 5 Lado inferior Após todos os processos de soldagem, ambos os PCBAs apresentaram aspeto visual semelhante. Não foram detetadas questões de qualidade e a formação dos meniscos de solda está de acordo com as especificações [22, 50]. As duas condições de soldagem apresentaram enchimento dos furos semelhante. Com a utilização dos perfis máximos térmicos não se verificou qualquer influência na qualidade visual das juntas formadas. A qualidade das juntas de solda formada será comprovada na seção referente aos cortes seccionais. 73

96 Capitulo 5. Resultados e discussão 5.7 Inspeção por scanner de raios-x Esta técnica foi utilizada para verificar a existência de defeitos que a olho nu não seriam identificáveis, como vazios ou porosidades nas juntas de solda, isto é, verificar a qualidade das soldas formadas no BGA (zona 2) que estão escondidas pelo corpo do componente e para verificar se o enchimento do furo dos TH foi conseguido (zona5). Na figura 51 encontram-se os resultados da respetiva inspeção por scanner por raios-x. Figura 51. Resultados da inspeção por scanner de raios-x. Grupo 1 Grupo 4 PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 2 Lado superior 74

97 Capitulo 5. Resultados e discussão PCB: Zona 5 Lado inferior PCB: Zona 5 Lado inferior Nas imagens recolhidas por esta técnica de inspeção, é possível verificar que a qualidade da solda foi comprovada e que não foi detetada a presença significativa de porosidades nas soldas escondidas. No caso específico do BGA não foram detetados defeitos como porosidades nem pontes de solda entre as bolas de solda. Por outro lado no caso do transformador (componente TH) verificouse que para ambas as condições em análise foi conseguido o enchimento completo do furo. 5.8 Cortes seccionais A realização de cortes seccionais nas amostras obtidas teve como objetivos a verificação da qualidade das juntas de solda e a medição das espessuras das camadas intermetálicas. Como referido anteriormente na secção 4.4.3, os cortes seccionais foram realizados em todos os estados do PCB e em vários componentes, no entanto a análise centrou-se nas, já recorrentes, zonas 1, 2 e 5 e nas condições nominais e extremas PCB sem e com envelhecimento Na figura 52 encontram-se os cortes relativos a PCBs com e sem envelhecimento, por forma a identificar possíveis alterações no acabamento superficial. De referir que as imagens são sempre 75

98 Capitulo 5. Resultados e discussão apresentadas na forma correta de inserção do componente, ou seja, a parte superior da imagem corresponde à zona superior do orifício, bem como no caso das medições de espessura. Figura 52. Cortes seccionais em PCBs com e sem envelhecimento. Sem envelhecimento Com envelhecimento PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 5 PCB: Zona 5 Pela comparação das imagens anteriores é possível observar diferenças no acabamento superficial, especificamente na espessura do acabamento superficial. Este efeito não estará associado ao envelhecimento conferido, mas sim ao processo do próprio acabamento superficial. Estas evidências podem ser verificadas pelas medições realizadas ao próprio acabamento (tabelas 14 a 16). 76

99 Capitulo 5. Resultados e discussão Tabela 14. Medições de espessura do acabamento do DFP lado inferior da placa. DFP Lado inferior Sem Envelhecimento Com Envelhecimento Max (µm) 17,9 10,2 Min (µm) 4,7 2,6 Tabela 15. Medição da espessura do acabamento para o BGA e DFP inseridos no segundo lado. BGA DFP Lado superior Sem Env. Com Env. Sem Env. Com Env. Max (µm) 12,6 18,1 11,9 12 Min (µm) 2,3 2,3 3,4 2,5 Tabela 16. Medições de espessura do acabamento ao longo do furo do transformador. TH - Transformador Sem Envelhecimento Com Envelhecimento Topo (µm) 3 2,6 Centro (µm) 21,1 18,3 Baixo (µm) 7,4 17,9 Não existe especificação para a espessura do acabamento lead free, no entanto, no caso do acabamento com chumbo a especificação para a espessura está entre 2 e 80µm. Das medições retiradas dos máximos e mínimos de espessura do acabamento nos pads das zonas analisadas, verifica-se que existem de facto variações, mas que não influenciaram a soldagem dos componentes. O caso mais evidente deste facto prende-se com o transformador (componente TH). Pela análise anterior verificou-se que não existe relação do envelhecimento conferido, na variação das espessuras do acabamento Comparação de PCB com PCB com 2 passagens no forno Nesta secção o objetivo passou por verificar o que uma segunda passagem pelo forno de reflow provocaria na superfície do acabamento. Na seção da inspeção visual verificou-se que após as duas passagens o aspeto da superfície tinha sido alterado, neste ponto tenta-se verificar esse efeito. Na figura 53 encontram-se os resultados entre PCBs com envelhecimento, no entanto faz-se a comparação de PCB com um PCB que foi sujeito a duas passagens no forno. 77

100 Capitulo 5. Resultados e discussão Figura 53. Comparação de PCB com PCB sujeito a duas passagens pelo forno com perfis máximos. PCB PCB + 2 Reflows PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 5 PCB: Zona 5 Pela análise dos cortes seccionais é possível observar diferenças no acabamento superficial, especificamente na espessura do acabamento superficial e também no crescimento da camada intermetálica, efeito com maior nitidez no caso do pad do BGA. Estas evidências podem ser verificadas pelas espessuras do acabamento após duas passagens pelo forno de reflow nas tabelas 17 a

101 Capitulo 5. Resultados e discussão Tabela 17. Espessura do acabamento superficial do DFP do lado inferior após duas passagens pelo forno. PCB PCB + 2 Reflows DFP Lado inferior Max (µm) 10,2 Min (µm) 2,6 Max (µm) 12,3 Min (µm) 3,4 Tabela 18. Espessuras do acabamento superficial após duas passagens pelo forno (componentes segundo lado). PCB PCB + 2 Reflows DFP Lado superior BGA Max (µm) 12 18,1 Min (µm) 2,5 2,3 Max (µm) 13 29,6 Min (µm) 5,3 2,9 Tabela 19. Espessuras do acabamento superficial no furo do transformador após as duas passagens pelo forno. PCB PCB + 2 Reflows TH - Transformador Topo (µm) 2,6 Centro (µm) 18,3 Baixo (µm) 17,9 Topo (µm) 3,2 Centro (µm) 31,9 Baixo (µm) 6,2 Com as medições anteriores foi possível verificar que as passagens pelo forno, fundindo assim o acabamento superficial, são responsáveis pelas diferenças detetadas na inspeção visual. No geral, é possível observar uma leve uniformização da espessura do acabamento em toda a extensão dos pads. O furo do transformador continuou a apresentar as variações mais significativas na espessura do acabamento. Uma vez mais, não se verificou uma relação dos perfis térmicos sobre as espessuras medidas PCBAs após todos os processos de soldagem Após os processos de soldagem procurou-se verificar a influência das condições de processamento na qualidade das juntas de solda formadas. Neste caso foram realizados cortes seccionais nas zonas 1, 2 e 5. 79

102 Capitulo 5. Resultados e discussão Neste estado do PCB pretende-se avaliar a influência de um segundo processo de soldagem na zona 1 e a qualidade da soldagem na zona 2. Procurou-se verificar, ainda, o efeito da soldagem por onda, isto é, em termos térmicos avaliar o crescimento intermetálico e em termos físicos verificar a qualidade da soldagem, uma vez que este processo é caracterizado como uma soldagem dinâmica. No caso das zonas 1 e 2, estas não são sujeitas à soldagem por onda pois toda a área de componentes, exceto a zona com componentes TH, está protegida do contacto com a solda fundida por um caixilho. Na figura 54 encontram-se os cortes das zonas mencionadas anteriormente. Figura 54. PCBAs após todos os processos de soldagem. Grupo 1 Grupo 4 PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 1 Lado inferior PCB: Zona 2 Lado superior PCB: Zona 2 Lado superior 80

103 Capitulo 5. Resultados e discussão PCB: Zona 5 PCB: Zona 5 Os cortes seccionais anteriores demonstram que os meniscos formaram-se corretamente de acordo com as especificações [22, 50], a presença de porosidades é insignificante e semelhante entre as condições estudadas. No caso do transformador pode observar-se o completo enchimento do furo independentemente da condição de soldagem. Através dos cortes seccionais foi também possível verificar que a dispersão de pequenas partículas da camada intermetálica manifesta-se de forma diferente em pads de componentes SMD e nos furos de componentes TH. A avaliação do crescimento intermetálico irá ser debatida nas secções seguintes onde será possível verificar a influência das condições de soldagem com mais clareza. 5.9 Crescimento das camadas intermetálicas Os resultados médios obtidos para o crescimento intermetálico com diferentes condições de processamento e nos diferentes processos de soldagem são apresentados de seguida. Este estudo envolveu diferentes objetivos de análise: verificar a influência do envelhecimento, a influência dos perfis térmicos e a influência das duas variáveis anteriores conjugadas. 81

104 Espessura de Intermetálica (µm) Capitulo 5. Resultados e discussão Efeito do envelhecimento no PCB Para avaliar a influência de um armazenamento de um ano sob as condições ambientais Bosch no crescimento intermetálico, recorreu-se então à comparação entre placas com e sem envelhecimento. Na figura 55 encontram-se as médias das espessuras da camada intermetálica. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 DFP BGA TH - Transformador Sem Envelhecimento 1,85 1,55 2,28 Com Envelhecimento 1,93 1,83 2,67 Figura 55. Espessura da camada intermetálica - efeito do envelhecimento. Verifica-se que a influência do envelhecimento, apesar de reduzida, é mais significativa nos furos dos componentes TH do que nos pads SMD. No entanto o crescimento máximo observado, aquando da aplicação do envelhecimento, é inferior a 0,5µm e a maior espessura encontrada é de 2,67µm no furo do TH. Estas diferenças tão reduzidas não estarão relacionadas com o envelhecimento, mas sim com o processo de HASL conferido aos próprios PCBs. Na figura 56 estão representadas imagens do crescimento intermetálico em pads de componentes SMD e TH, obtidas por MEV das zonas 1 e 5 (DFP e transformador). Estas imagens foram realizadas em eletrões retrodifundidos, necessitando por vezes de alterar o contraste das mesmas para melhor nitidez da camada intermetálica. 82

105 Capitulo 5. Resultados e discussão Figura 56. Crescimento intermetálico entre PCBs sem e com envelhecimento. Sem envelhecimento Com envelhecimento Cobre Camada intermetálica Acabamento superficial Zona 1 (DFP) Lado inferior Zona 1 (DFP) Lado inferior Camada intermetálica Acabamento superficial PCB Cobre Zona 5 (TH) Centro do furo Zona 5 (TH) Centro do furo Aqui foram comprovados os resultados retirados nos cortes seccionais, isto é, a aplicação do envelhecimento não causou crescimento intermetálico significante Efeito dos perfis térmicos em PCBs não montados Para a avaliação do efeito dos perfis térmicos foram utilizadas placas sem impressão de pasta e inserção de componentes. Estas foram avaliadas antes e após uma e duas passagens pelo forno de reflow. As placas usadas para esta avaliação pertencem ao grupo 2 e 4, respetivamente, ou seja, ambas foram sujeitas a envelhecimento previamente aos processos de soldagem. De referir que a condição inicial é a mesma (mesmo PCB), sendo que o valor de referência pertence a ambos os grupos. Na figura 57 são apresentados os respetivos resultados. 83

106 Espessura de Intermetálica (µm) Espessura de Intermetálica (µm) Espessura de Intermetálica (µm) Capitulo 5. Resultados e discussão 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Condição inicial (PCB) PCB + 1º Reflow PCB + 2º Reflow Grupo 2 1,98 1,80 2,10 Grupo 4 2,38 2,50 a) 6,00 b) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Condição inicial (PCB) PCB + 1º Reflow PCB + 2º Reflow Grupo 2 1,83 2,12 2,55 Grupo 4 2,03 1,85 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 c) 0,00 Condição inicial (PCB) PCB + 1º Reflow PCB + 2º Reflow Grupo 2 1,88 1,83 1,73 Grupo 4 2,03 2,47 Figura 57. Espessura da camada intermetálica em PCBs após passagens no forno de reflow. a) DFP - lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. No conjunto de gráficos apresentados em cima, é possível verificar que de uma forma geral o perfil térmico superior provoca um crescimento da camada intermetálica. Mais uma vez verifica-se que o crescimento após duas passagens no forno está na gama de valores entre 0,3 e 0,7µm. Verifica-se que o crescimento em pads de SMD a espessura não ultrapassou os 2,5µm. Na figura 58 encontram-se as imagens de MEV de comparação entre o PCB inicial (figura 58 a)) e após duas passagens pelo forno (figura 58 b)). Esta análise foi efetuada em amostras sujeitas a envelhecimento antes das passagens pelo forno de reflow. Os perfis térmicos usados foram os máximos (grupo 4), conseguindo assim avaliar o pior caso a que estas placas estiveram sujeitas mas sem a influência da pasta de solda. 84

107 Espessura de Intermetálica (µm) Espessura de Intermetálica (µm) Capitulo 5. Resultados e discussão Cobre Acabamento superficial Camada intermetálica a) b) Figura 58. Imagens de MEV do pad do componente DFP. a) PCB após envelhecimento; b) PCB após envelhecimento e duas passagens pelo forno com perfis máximos. Uma vez mais as análises realizadas através de cortes seccionais e principalmente as medições anteriores foram verificadas. Após duas passagens pelo forno o crescimento intermetálico é evidente. O crescimento intermetálico associado à irregularidade do acabamento quando placas são sujeitas a várias passagens pelo forno culmina no afloramento da camada intermetálica à superfície. De referir que as medições eram realizadas em zonas uniformes da camada intermetálica, não contabilizando os picos de camada intermetálica que podem aflorar à superfície como se pode observar na figura Efeito do envelhecimento e dos perfis térmicos (reflow) em PCBAs Neste ponto foi avaliada a influência de todas as variáveis estudadas, desde o efeito do envelhecimento, perfis térmicos e o volume de solda. Na figura 59 encontram-se os respetivos resultados. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Condição inicial (PCB) 1º Reflow 2º Reflow Completa Grupo 1 1,80 2,27 2,38 2,70 Grupo 2 1,98 2,90 3,03 2,82 Grupo 3 2,32 2,57 3,08 Grupo 4 2,63 2,48 2,83 a) b) 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Condição inicial (PCB) 1º Reflow 2º Reflow Completa Grupo 1 1,90 1,40 1,90 2,08 Grupo 2 1,88 2,15 2,05 2,17 Grupo 3 1,95 2,20 2,37 Grupo 4 2,05 2,67 2,73 85

108 Espessura de Intermetálica (µm) Capitulo 5. Resultados e discussão 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Condição inicial (PCB) 1º Reflow 2º Reflow Grupo 1 1,55 1,47 3,95 Grupo 2 1,83 2,08 4,47 Grupo 3 1,63 5,27 Grupo 4 2,02 4,07 c) Figura 59. Espessura da camada intermetálica em PCBAs sujeitos a todas as variáveis. a) DFP - lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. Neste conjunto de gráficos foram confirmados os resultados anteriores. O máximo de crescimento da camada intermetálica ocorreu no BGA com um valor de 5,27µm. Este facto evidencia a influência do volume de solda no crescimento intermetálico, uma vez que as bolas do BGA constituem a junta de solda em SMDs com o maior volume de solda. Quando se avalia o crescimento intermetálico em solda líquida têm de ser levados em conta dois factos. O primeiro é o processo de difusão, mas também está associada uma ação mecânica causada pelo volume de solda que provoca um acréscimo no crescimento intermetálico. Na figura 60 pode-se verificar a comparação do crescimento intermetálico no DFP entre os grupos 1 e 4, conseguindo assim verificar o que numa produção normal aconteceria e a influência das piores condições de soldagem. Cobre Camada intermetálica Partícula dispersa Solda a) b) Figura 60. Imagens de MEV do pad do componente DFP soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo 4. 86

109 Espessura de intermetálica (μm) Espessura de intermetálica (μm) Espessura de intermetálica (μm) Espessura de intermetálica (μm) Capitulo 5. Resultados e discussão Com placas completamente montadas e soldadas foi possível verificar a influência das condições e o efeito dos diferentes processos de soldagem. As condições extremas causaram um maior crescimento intermetálico, como verificado nas medições em todas as zonas de análise. Com a técnica de MEV a questão da dispersão da camada intermetálica tornou-se mais evidente. A camada intermetálica cresce até um limite sendo que de seguida partículas desta camada começam a soltar-se e a dispersarem-se pelo restante volume de solda Efeito do processo de soldagem por onda Neste subcapítulo é apresentada a análise apropriada em componentes TH uma vez que estes serão sujeitos a um efeito mecânico devido ao processo de soldagem por onda e à temperatura do banho de solda. Na figura 61 encontram-se os respetivos resultados. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Grupo 1 Grupo 4 Topo 2,55 2,10 Centro 2,40 1,60 Baixo 2,15 1,70 a) 6,00 b) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Topo 1,90 1,60 1,30 2,25 Centro 1,70 2,00 1,20 2,00 Baixo 1,20 1,95 1,90 1,40 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 c) 6,00 d) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Topo 2,10 2,15 2,80 3,40 Centro 1,95 1,70 2,30 3,30 Baixo 1,50 1,60 2,25 3,10 0,00 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Topo 2,50 2,60 2,60 3,20 Centro 1,70 2,15 2,25 2,80 Baixo 1,00 1,10 1,50 1,70 Figura 61. Espessuras da camada intermetálica no furo do transformador. a) Condição inicial (PCB); b) Após o primeiro reflow; c) Após o segundo reflow; d) Espessura da camada intermetálica do transformador soldado. 87

110 Capitulo 5. Resultados e discussão Como se pode observar pelos gráficos da figura 61 a) a c), antes do processo de soldagem por onda o crescimento é inconsistente, e depende maioritariamente do estado em que chegou o PCB e da camada intermetálica inicial do acabamento. Aquando da soldagem por onda, o efeito da onda de solda em adição ao efeito da temperatura do banho provocou crescimentos até 3,2µm no topo do furo. Verifica-se a ação mecânica deste tipo de soldagem pela diminuição das espessuras do topo para a parte inferior do furo. A camada intermetálica decresce devido ao movimento dinâmico da solda, sendo este efeito evidente na parte inferior do furo devido ao contacto com a solda fundida em movimento. Na figura 62 foi possível observar o crescimento intermetálico no centro do furo da zona 5 entre os grupos 1 e 4, verificando assim de que forma se manifesta o crescimento e a dispersão das partículas da camada intermetálica neste tipo de soldagem. Camada intermetálica Cobre Partícula dispersa Solda a) b) Figura 62. Imagens de MEV do furo do transformador soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo 4 A dispersão da camada intermetálica ocorre de forma diferente em pads SMD e TH. Verificou-se que em pads SMD a dispersão, apesar de maioritariamente ocorrer junto às interfaces, é visível por todo o volume da solda. No caso dos componentes TH a dispersão ocorre apenas nas proximidades da interface cobre/ solda. 88

111 Força máxima de corte (N) Capitulo 5. Resultados e discussão 5.10 Resistência mecânica das juntas de solda A avaliação da resistência mecânica foi efetuada após cada etapa da sequência normal de produção deste produto, isto é, após o primeiro e segundo reflow e após o processo de soldagem por onda. A segunda parte desta avaliação passou pela identificação do modo de falha predominante e verificar se este estaria relacionado com as condições de processamento. Os componentes avaliados (condensadores 0603 dimensões: 1,6mm x 0,8mm) foram escolhidos por serem um dos componentes mais pequenos e que constituem um dos componentes mais susceptíveis a serem arrancados das placas de circuito Resistência ao corte após o primeiro reflow As amostras 1 e 2 pertencem a PCBAs com apenas os 3 componentes soldados no lado inferior da placa de circuito, ou seja, para cada condição de processamento foram avaliados 2 PCBAs e realizadas 3 medições para cada. A figura 63 apresenta os valores médios da força máxima suportada até à falha. 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 A1 - L. Inferior 22,5 21,5 23,1 21,0 A2 - L. Inferior 21,5 22,3 21,2 22,8 Figura 63. Resultados da força máxima suportada após o primeiro reflow. O gráfico anterior demonstrou que após o primeiro processo de soldagem não foram encontradas diferenças relevantes entre a força máxima suportada. Foi possível observar que entre amostras processadas pelas mesmas condições existe alguma variação. 89

112 ForçamMáxima de corte (N) Capitulo 5. Resultados e discussão Resistência ao corte após segundo reflow Nesta análise, as amostras pertencem a PCBAs com os 6 componentes soldados em ambos os lados da placa de circuito, ou seja, para cada condição de processamento foram avaliados 2 PCBAs e realizadas 6 medições para cada. Na figura 64 estão representadas essas medições. 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 A1 - L. Inferior 23,4 22,3 21,6 27,3 A1 - L. Superior 21,3 23,1 28,6 24,3 A2 - L. Inferior 23,4 22,6 25,9 21,9 A2 - L. Superior 23,3 20,7 19,6 22,1 Figura 64. Resultados da força máxima suportada após o segundo reflow. Após o segundo processo de soldagem por reflow as condições do grupo 3 e 4, especialmente as do grupo 4, evidenciaram os valores mais elevados de força de corte suportada e apresentam um comportamento mais uniforme. A variação existente entre amostras da mesma condição ainda foi verificada, no entanto com as condições nominais a força máxima de corte não ultrapassa os 25N. As diferenças entre condições não foram significativas Resistência ao corte após soldagem por onda Neste subcapítulo pretendeu-se verificar se alguma das etapas deste último processo influenciaria a resistência de um componente não soldado neste processo. O tipo de análise realizada foi a mesma que a do subcapítulo anterior. Na figura 65 encontram-se estes resultados. 90

113 Força máxima de corte (N) Capitulo 5. Resultados e discussão 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 A1 - L. Inferior 22,9 21,0 21,7 23,3 A1 - L. Superior 18,9 20,5 22,1 28,3 A2 - L. Inferior 22,8 21,4 21,8 27,3 A2 - L. Superior 22,2 22,0 23,3 21,6 Figura 65. Resultados da força máxima suportada após a soldagem por onda. Após todos os processos de soldagem verificou-se que não existiram diferenças significativas entre as condições de processamento, embora as condições máximas apresentem valores superiores. Verificou-se que com as condições nominais a força máxima de corte suportada é inferior a 25N, enquanto para as condições máximas alguns valores atingem os 30N Avaliação do modo de falha Em relação ao modo de falha, cada condição engloba a medição de 30 componentes sendo que para cada componente a avaliação foi realizada nos dois pads. Cada pad poderia apresentar 1, 2 ou 3 modos de falha a ocorrer simultaneamente, como é demonstrado na figura 43. Dito isto, o total de oportunidades de falha para cada modo de falha era 60. Na figura 66 encontra-se a percentagem de cada modo de falha para cada grupo de produção. 91

114 Percentagem (%) Capitulo 5. Resultados e discussão 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Corpo do Componente Componente/eletrodo Interface Comp/Solda Grupo 1 85,0 96,7 5,0 Grupo 2 78,3 100,0 3,3 Grupo 3 85,0 96,7 6,7 Grupo 4 75,0 88,3 16,7 Figura 66. Resultados dos modos de falha predominantes. Após esta análise ficou evidente que o modo de falha predominante ocorreu através da interface corpo do componente-eletrodo. Uma vez que a falha na interface componente-solda ou diretamente na solda (que não ocorreu) não foi significativa, pode-se presumir-se de que se ocorrerem problemas após a soldagem, em termos de resistência ao corte, a grande probabilidade de falha estará centrada no componente e não na junta de solda Caracterização morfológica Através da análise de MEV/ EDS tentou-se atingir diferentes objetivos: identificar a composição química do acabamento superficial, das juntas de solda e das camadas intermetálicas; verificar a morfologia das fases formadas na junta de solda; verificar o crescimento intermetálico analisado nos capítulos anteriores. Um outro ponto de análise foi verificar a topografia do acabamento em placas sujeitas a uma e duas passagens pelo forno de reflow Topografia superficial do acabamento superficial HASL lead free Este tipo de análise foi realizado em três zonas diferentes, no entanto pela similaridade de resultados será apresentada apenas a análise da zona 1 dos cortes seccionais (DFP). Na figura 67 está representada a zona analisada. 92

115 Capitulo 5. Resultados e discussão a) b) Figura 67. Zona analisada. a) Cortes das zonas do PCB; b) Imagem da zona específica de análise. Os cortes ilustrados na figura 67 a), foram sujeitos a duas passagens pelo forno de reflow (perfil nominal e sem envelhecimento) e após cada passagem a zona assinalada na figura 67 b) foi analisada por MEV. Na figura 68 é possível observar a influência na superfície do acabamento provocado pelas duas passagens pelo forno. Estas imagens de MEV foram recolhidas em eletrões retrodifundidos. a) b) Figura 68. Imagens de MEV da análise da zona anterior. a) Superfície do pad; b) Superfície do pad após duas passagens pelo forno. Da análise das imagens anteriores foi possível verificar que com duas passagens pelo forno, nas margens do pad ocorreu o aparecimento de pequenas partículas, caracterizadas por um tom cinzentoescuro. Estas partículas apresentam grande concentração nas margens no entanto estão dispersas por toda a área, inclusive é possível a observação destas partículas em PCB sem terem sido sujeitas a 93

116 Capitulo 5. Resultados e discussão passagens pelo forno. Na figura 69 encontram-se as imagens de EDS realizadas com o intuito de identificar a composição das partículas e da superfície do acabamento. Selecionaram-se duas destas partículas (espectro 5 e 6) e os resultados dessa composição encontram-se na tabela a) b) Figura 69. Análise EDS da zona anterior. a) Análise das partículas; b) Análise da superfície do acabamento. Tabela 20. Composição química das partículas. Ponto de análise P. Dispersa Local analisado 1 2 Superfície 3 Elemento Concentração (% ponderal) Sn 61,3±1,1 Cu 38,7±1,1 Sn 60,6±1,1 Cu 39,4±1,1 Sn 96,8±0,6 Ag 3,2±0,6 Os espectros das partículas à superfície do acabamento são constituídos por estanho e cobre. Estes resultados confirmam os resultados debatidos nas seções anteriores, isto é, confirma-se a dispersão de partículas da camada intermetálica pela solda com passagens pelo forno de reflow, mas também é evidenciada a presença de camada intermetálica à superfície resultante apenas do processo do HASL. Por outro lado na superfície do acabamento foi identificada a prata, elemento não pertencente à composição da liga segundo o fornecedor NIHON Superior. 94

117 Capitulo 5. Resultados e discussão Composição química das interfaces Para obter-se o acabamento superficial, a influência da pasta de solda, os processos de soldagem e suas condições bem conhecidas procedeu-se à análise da composição química das zonas avaliadas anteriormente. Estas zonas foram avaliadas no estado de PCB não montado e após todos os processos de soldagem. Na figura 70 encontram-se os pontos de análise para as duas zonas no estado inicial. Nas duas zonas de análise, foram avaliados dois pontos da camada intermetálica, a zona de solda do acabamento e as partículas dispersas a) b) Figura 70. Imagem de EDS das duas zonas. a) Pad zona 1; b) Furo da zona 5. Na tabela 21 encontram-se as composições químicas das diferentes zonas. Tabela 21. Composição química da zona 1 e 5. Zona Zona 1 DFP Ponto de análise Intermetálica Local analisado 2 1 Solda acabamento 3 Elemento Concentração (% ponderal) Sn 49,4±1,4 Cu 48±1,5 Ni 2,6±0,8 Sn 51,8±1,3 Cu 48,2±1,3 Sn 80,9±1,5 Cu 14±1,4 Ag 5,1±0,8 95

118 Capitulo 5. Resultados e discussão Zona 5 TH Transformador 4 Intermetálica 5 Solda acabamento 6 P. Dispersa 7 Sn 61,8±1,4 Cu 38,2±1,4 Sn 58,1±1,3 Cu 41,9±1,3 Sn 87,2±0,9 Ag 12,8±0,9 Sn 62,6±1,3 Cu 33,3±1,3 Ag 4±0,7 Como se pode observar da tabela anterior as camadas intermetálicas são constituídas por estanho e cobre, maioritariamente estanho. Por vezes foi detetado também o níquel este possivelmente está associado ao processo HASL e à liga usada, no entanto apresenta concentrações elevadas relativamente ao esperado. No caso da liga de solda do acabamento esta apresentou na sua constituição estanho, cobre e prata em quantidades que não conferem com a composição garantida pelo fornecedor [41]. Esta prata pode estar relacionada com a contaminação do banho de solda do processo de HASL. As partículas dispersas apresentam estanho e cobre e alguma influência da prata da solda do acabamento superficial. Relativamente a PCBAs, na figura 71 encontram-se os pontos de análise para as duas zonas anteriores após os processos de soldagem. À semelhança do caso anterior, foram avaliados dois pontos da camada intermetálica, a zona da junta de solda e as partículas dispersas a) b) Figura 71. Imagem de EDS das duas zonas após processos de soldagem. a) Pad zona 1; b) Furo da zona 5. 96

119 Capitulo 5. Resultados e discussão Na tabela 22 encontram-se as composições químicas das zonas anteriores e nos pontos assinalados. Tabela 22. Composição química da zona 1 e 5 após soldagem. Zona Zona 1 DFP Zona 5 TH Transformador Ponto de análise Intermetálica Local analisado 1 2 Solda 3 P. Dispersa 4 Intermetálica 5 6 P. Dispersa 7 Elemento Concentração (% ponderal) Sn 55,7±1,2 Cu 44,3±1,2 Sn 55,3±1,1 Cu 44,7±1,1 Sn 93,4±0,7 Ag 6,6±0,7 Sn 69,4±1,2 Cu 30,6±1,2 Sn 66,1±0,5 Cu 29,9±0,4 Ni 2,4±0,2 Ag 1,6±0,3 Sn 67,6±0,4 Cu 30,1 ±0,4 Ni 2,3±0,2 Sn 67,1±0,5 Cu 30,4±0,4 Ag 1,9±0,3 Ni 0,7±0,2 Solda 8 Sn 100±0 Solda 9 Sn 78,0±0,4 Ag 19,4±0,4 Cu 2,6±0,3 Como se pode observar da tabela 22 e baseado também na tabela 21, as camadas intermetálicas são constituídas por estanho e cobre, essencialmente estanho. No caso da zona 5 foi detetada a presença de níquel na camada intermetálica. No caso da solda esta apresentou na sua constituição estanho, cobre e prata mas principalmente estanho o que era esperado. Verificou-se a presença de níquel também na solda, apesar de em quantidades nada significativas. Ainda nesta análise tentou-se isolar as duas fases formadas na junta de solda, verificando-se que uma das fases apresentou 100% de estanho (%ponderal), enquanto a segunda é caracterizada pela presença de prata em quantidade elevada ao expectável. No entanto, a quantidade de prata (elemento estranho à composição alegada pelo fornecedor) presente no acabamento superficial em conjunto com a prata das pastas de solda pode estar na origem do valor 97

120 Capitulo 5. Resultados e discussão obtido. As partículas dispersas apresentam estanho e cobre, por vezes é verificada de novo a presença do níquel e alguma influência da prata da solda. No Anexo V é possível observar-se um espetro da camada intermetálica, de uma partícula de intermetálica dispersa e da solda, respetivamente. 98

121 Capitulo 6. Conclusões CAPITULO 6. CONCLUSÕES A análise dos resultados referentes ao processo de produção em placas de circuito impresso com acabamento superficial HASL lead free não evidenciou dificuldades de maior com diferentes processos e condições de soldagem. Tendo em consideração os problemas de soldagem associados a este tipo de acabamento (tombstone e pontes de solda devido à fraca coplanaridade) estes não foram evidenciados. Podendo assim considerar que a soldagem neste tipo de acabamento foi realizada com sucesso. Com respeito à qualidade das juntas de solda formadas, evidenciou-se que diferentes condições de processamento não influenciaram a qualidade das mesmas e estas formaram-se de acordo com os critérios de aceitação internos [22, 50]. Este aspeto também foi comprovado através do teste elétrico (ICT) onde todas as placas analisadas passaram. Relativamente ao crescimento intermetálico verificaram-se diferentes taxas e limites de crescimento para pads SMD ou TH, bem como a influência da temperatura e do volume de solda. No caso do processo de soldagem por reflow verificou-se que o limite médio de crescimento intermetálico ficou estabelecido em 5µm e em pads caracterizados por possuírem maior volume de solda (BGA). Este aspeto comprova a influência da temperatura no processo de difusão mas também é observável o efeito de uma ação mecânica de puxar a camada intermetálica favorecendo o seu crescimento. Por outro lado, no caso dos TH a camada intermetálica decresce do topo para a parte inferior do furo devido ao movimento dinâmico da solda fundida que provoca um efeito de lavagem na superfície de contacto. No entanto as diferenças nas espessuras medidas não são relevantes entre as diferentes condições de soldagem, podendo os PCBs vindos do fornecedor apresentarem entre eles diferentes espessuras devido ao processo de HASL. 99

122 Capitulo 6. Conclusões A respeito da caracterização mecânica das juntas de solda pode-se verificar que a influência das condições foi pouco relevante. Aliás foi verificada a não homogeneidade entre placas produzidas sob as mesmas condições. Em termos práticos as condições extremas apresentaram valores superiores da força de corte máxima (25 e 30N), enquanto as condições nominais (grupos 1 e 2) os valores obtidos foram <25N. O modo de falha predominante foi através da interface corpo do componente/ eletrodo; uma vez que não ocorreram os modos de falha através da solda ou da interface solda/ pad não foi possível ter a verdadeira noção da robustez da solda, nem da possível influência da camada intermetálica. No entanto se ocorrerem defeitos após a soldagem em termos de resistência ao corte, a grande probabilidade de falha estará associada ao componente. Tanto no caso das medições das camadas intermetálicas como na medição da resistência ao corte obtiveram-se os resultados referidos atrás no entanto de forma a comprovar e validar esses resultados seria necessário um número de amostras superiores. Relativamente à caracterização morfológica através da análise por MEV/ EDS foi comprovada a influência dos processos de soldagem e suas condições no crescimento intermetálico. Foi confirmada também a dispersão das partículas de camada intermetálica de forma diferente em pads SMD e TH. No que diz respeito à composição química foi observável que as camadas intermetálicas são constituídas por estanho (maioritariamente), cobre e por vezes é identificada a presença de níquel e prata. A solda do acabamento superficial apresentou um elemento inesperado, a prata, e o níquel em quantidades exageradas para a composição alegada pelo fornecedor. Este possivelmente está associado à solda do HASL, ou contaminações provenientes dos banhos de solda ou mesmo do PCB. No caso da solda utilizada na soldagem verificou-se que esta é caracterizada por duas fases distintas, uma é extremamente rica em estanho enquanto a outra é caraterizada também pela presença de prata. Em termos de avaliação do comportamento do acabamento superficial HASL soldado de acordo com os requisitos Car Multimedia este não apresenta problemas de soldagem mesmo quando sujeito a condições extremas. No entanto é necessário a realização de testes de fiabilidade (simulando a vida em serviço do produto) para assegurar as propriedades das juntas de solda sob as condições utilizadas. 100

123 Capitulo 7. Trabalhos futuros CAPITULO 7. TRABALHOS FUTUROS Tendo em conta as tendências e requisitos obrigatórios no controlo dos processos na indústria eletrónica, de seguida encontram-se algumas recomendações para trabalhos futuros: Verificar as condições mínimas utilizadas nos diferentes processos de soldagem, a partir das quais problemas de soldagem com este tipo de acabamento superficial se manifestam; Com respeito ao ponto anterior verificar quais as condições ótimas que asseguram a robustez das juntas de solda, minimizando os custos associados a esta produção; Verificar em que condição poderá ser manifestada a ocorrência de dissolução de cobre, principalmente associada a processos de soldagem por onda, aspeto mencionado na bibliografia, responsável pelo aparecimento de superfícies não soldáveis; Efetuar testes de fiabilidade para determinar, avaliar e garantir o comportamento e robustez das juntas de solda sujeitas aos processos de soldagem, segundo as especificações Bosch. 101

124 Capitulo 7. Trabalhos futuros 102

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129 ANEXO I Figura 72. Tabela de conversão de temperatura húmida para humidade relativa. Figura 73. Gráfico referente à temperatura de 85ºC para o envelhecimento. Figura 74. Gráfico referente à temperatura húmida representando 75% humidade relativa. 107

130 ANEXO II Figura 75. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado superior. Figura 76. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado inferior. 108

131 ANEXO III Figura 77. Códigos de modos de falha de acordo com IEC

132 ANEXO IV Zona 1 Lado inferior (DFP) Figura 78. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI DFP lado inferior. Sem envelhecimento Com envelhecimento Min: 99,23 Max: 134,64 Média: 112,77 Desvio Padrão: 5,18 Min: 97,66 Max: 125,94 Média: 110,30 Desvio Padrão: 4,56 Min: 84,36 Max: 145,51 Média: 107,25 Desvio Padrão: 10,39 Min: 81,60 Max: 140,99 Média: 105,63 Desvio Padrão: 9,72 Zona 1 Lado superior (DFP) Figura 79. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - DFP lado superior. Sem envelhecimento Com envelhecimento Min: 103,18 Max: 124,60 Média: 113,18 Desvio Padrão: 3,59 Min: 105,70 Max: 125,69 Média: 114,50 Desvio Padrão: 3,03 110

133 Min: 86,44 Max: 150,29 Média: 116,72 Desvio Padrão: 12,42 Min: 98,16 Max: 152,93 Média: 122,12 Desvio Padrão: 11,39 Zona 2 Lado superior (BGA) Figura 80. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - BGA. Sem envelhecimento Com envelhecimento Min: 74,73 Max: 139,91 Média: 102,54 Desvio Padrão: 8,33 Min: 73,53 Max: 130,16 Média: 101,70 Desvio Padrão: 7,05 Min: 61,10 Max: 130,33 Média: 89,67 Desvio Padrão: 9,11 Min: 68,05 Max: 129,04 Média: 93,69 Desvio Padrão: 9,58 111

134 ANEXO V Figura 81. Espectro referente a um ponto da camada intermetálica. Figura 82. Espectro referente a uma partícula dispersa da camada intermetálica. Figura 83. Espectro referente à solda do centro da junta soldada. 112