PROCESSO DE MONTAGEM EM SUPERFÍCIE

A soldagem por refluxo é o método mais amplamente utilizado para fixar componentes de montagem em superfície a placas de circuito impresso (PCBs).O objetivo do processo é formar juntas de solda aceitáveis, primeiro pré-aquecendo os componentes/PCB/pasta de solda e depois derretendo a solda sem causar danos por superaquecimento.

Os principais aspectos que levam a um processo eficaz de soldagem por refluxo são os seguintes:

1. Máquina adequada
2. Perfil de refluxo aceitável
3. Projeto de pegada de PCB/componente
4. PCB cuidadosamente impresso usando estêncil bem desenhado
5. Colocação repetível de componentes de montagem em superfície
6. PCB, componentes e pasta de solda de boa qualidade

Máquina adequada

Existem vários tipos de máquina de solda por refluxo disponíveis, dependendo da velocidade de linha necessária e do design/material dos conjuntos de PCB a serem processados.O forno selecionado precisa ter um tamanho adequado para lidar com a taxa de produção do equipamento pick and place.

A velocidade da linha pode ser calculada conforme mostrado abaixo: -

Velocidade da linha (mínimo) =Placas por minuto x Comprimento por placa
Fator de carga (espaço entre placas)

É importante considerar a repetibilidade do processo e por isso o ‘Fator de Carga’ normalmente é especificado pelo fabricante da máquina, cálculo mostrado abaixo:

Para poder selecionar o tamanho correto do forno de refluxo, a velocidade do processo (definida abaixo) deve ser maior que a velocidade mínima calculada da linha.

Velocidade do processo =Comprimento aquecido da câmara do forno
Tempo de permanência do processo

Abaixo está um exemplo de cálculo para estabelecer o tamanho correto do forno:-

Uma montadora SMT deseja produzir placas de 8 polegadas a uma taxa de 180 por hora.O fabricante da pasta de solda recomenda um perfil de três etapas de 4 minutos.Quanto tempo de forno preciso para processar placas com esse rendimento?

Placas por minuto = 3 (180/hora)
Comprimento por placa = 8 polegadas
Fator de carga = 0,8 (espaço de 2 polegadas entre as placas)
Tempo de permanência do processo = 4 minutos

Calcular a velocidade da linha:(3 placas/min) x (8 polegadas/placa)
0,8

Velocidade da linha = 30 polegadas/minuto

Portanto, o forno de refluxo deve ter uma velocidade de processo de pelo menos 30 polegadas por minuto.

Determine o comprimento aquecido da câmara do forno com a equação de velocidade do processo:

30 pol/min =Comprimento aquecido da câmara do forno
4 minutos

Comprimento aquecido do forno = 120 polegadas (10 pés)

Observe que o comprimento total do forno excederá 10 pés, incluindo a seção de resfriamento e as seções de carregamento do transportador.O cálculo é para COMPRIMENTO AQUECIDO - NÃO PARA COMPRIMENTO GERAL DO FORNO.

2. Controle de circuito fechado para velocidade dos ventiladores de convecção – Existem certos pacotes de montagem em superfície, como o SOD323 (ver folheto informativo), que possuem uma pequena área de contato em relação à massa que são suscetíveis de serem perturbados durante o processo de refluxo.O controle de velocidade em malha fechada dos ventiladores convencionais é uma opção recomendada para montagens que utilizam tais peças.

3. Controle automático das larguras do transportador e do suporte da placa central – Algumas máquinas possuem ajuste manual de largura, mas se houver muitos conjuntos diferentes a serem processados ​​com larguras variadas de PCB, esta opção é recomendada para manter um processo consistente.

Perfil de refluxo aceitável

Para criar um perfil de refluxo, os termopares são conectados a um conjunto de amostra (geralmente com solda de alta temperatura) em vários locais para medir a faixa de temperaturas na PCB.Recomenda-se ter pelo menos um termopar localizado em uma almofada próxima à borda da PCB e um termopar localizado em uma almofada no meio da PCB.Idealmente, mais termopares deveriam ser usados ​​para medir toda a faixa de temperaturas na PCB – conhecida como 'Delta T'.

Dentro de um perfil típico de soldagem por refluxo, geralmente existem quatro estágios – pré-aquecimento, imersão, refluxo e resfriamento.O objetivo principal é transferir calor suficiente para a montagem para derreter a solda e formar as juntas de solda sem causar qualquer dano aos componentes ou ao PCB.

Pré-aquecer– Durante esta fase, os componentes, PCB e solda são todos aquecidos a uma temperatura de imersão ou permanência especificada, tomando cuidado para não aquecer muito rapidamente (geralmente não mais que 2ºC/segundo – verifique a folha de dados da pasta de solda).O aquecimento muito rápido pode causar defeitos, como rachaduras nos componentes e respingos da pasta de solda, causando bolas de solda durante o refluxo.

Absorver– O objetivo desta fase é garantir que todos os componentes atinjam a temperatura necessária antes de entrar no estágio de refluxo.A imersão geralmente dura entre 60 e 120 segundos, dependendo do 'diferencial de massa' da montagem e dos tipos de componentes presentes.Quanto mais eficiente for a transferência de calor durante a fase de imersão, menos tempo será necessário.

Se o perfil de refluxo tiver calor insuficiente aplicado durante o estágio de refluxo, haverá juntas de solda semelhantes às imagens abaixo:-

solda não formada filete com chumbo

Nem todas as bolas de solda derreteram

Um defeito comum de soldagem após o refluxo é a formação de bolas/esferas de solda no meio do chip, como pode ser visto abaixo.A solução para este defeito é modificar o desenho do estêncil -mais detalhes podem ser vistos aqui.

O uso de nitrogênio durante o processo de refluxo deve ser considerado devido à tendência de afastamento da pasta de solda que contém fluxos fortes.A questão não é realmente a capacidade de refluxo em nitrogênio, mas sim a capacidade de refluxo na ausência de oxigênio.O aquecimento da solda na presença de oxigênio criará óxidos, que geralmente são superfícies não soldáveis.

Resfriamento– Esta é simplesmente a fase durante a qual o conjunto é resfriado, mas é importante não resfriar o conjunto muito rapidamente – normalmente a taxa de resfriamento recomendada não deve exceder 3ºC/segundo.

Projeto de pegada de PCB/componente

Existem vários aspectos do design da PCB que influenciam o desempenho do refluxo de uma montagem.Um exemplo é o tamanho das trilhas que se conectam à área de um componente – se a faixa que conecta a um lado da área de um componente for maior que o outro, isso pode levar a um desequilíbrio térmico, fazendo com que a peça fique 'lápide', como pode ser visto abaixo: -

Outro exemplo é o 'balanceamento de cobre' – muitos projetos de PCB usam grandes áreas de cobre e se o PCB for colocado em um painel para auxiliar no processo de fabricação, pode levar a um desequilíbrio no cobre.Isto pode fazer com que o painel se deforme durante o refluxo e, portanto, a solução recomendada é adicionar 'balanceamento de cobre' às áreas residuais do painel, como pode ser visto abaixo: -

Ver'Design para Fabricação'para outras considerações.

PCB cuidadosamente impresso usando estêncil bem desenhado

As etapas anteriores do processo na montagem de montagem em superfície são críticas para um processo eficaz de soldagem por refluxo.Oprocesso de impressão de pasta de soldaé a chave para garantir um depósito consistente de pasta de solda na PCB.Qualquer falha nesta fase levará a resultados indesejados e assim o controle completo deste processo juntamente comdesign de estêncil eficazé preciso.

Colocação repetível de componentes de montagem em superfície

Variação de posicionamento de componentes

A colocação dos componentes de montagem em superfície deve ser repetível e, portanto, é necessária uma máquina de coleta e colocação confiável e bem conservada.Se os pacotes de componentes não forem ensinados da maneira correta, isso poderá fazer com que o sistema de visão mecânica não veja cada peça da mesma maneira e, portanto, será observada variação no posicionamento.Isso levará a resultados inconsistentes após o processo de soldagem por refluxo.

Programas de posicionamento de componentes podem ser criados usando máquinas pick and place, mas esse processo não é tão preciso quanto obter as informações do centróide diretamente dos dados do PCB Gerber.Muitas vezes, esses dados centróides são exportados do software de design de PCB, mas às vezes não estão disponíveis e, portanto, oserviço para gerar o arquivo centróide a partir de dados Gerber é oferecido pelo Surface Mount Process.

Todas as máquinas de colocação de componentes terão uma 'Precisão de posicionamento' especificada, como: -

35um (QFPs) a 60um (chips) @ 3 sigma

Também é importante selecionar o bico correto para o tipo de componente a ser colocado – uma variedade de diferentes bicos para posicionamento de componentes pode ser vista abaixo:-

PCB, componentes e pasta de solda de boa qualidade

A qualidade de todos os itens utilizados durante o processo deve ser alta, pois qualquer coisa de baixa qualidade levará a resultados indesejáveis.Dependendo do processo de fabricação dos PCBs e da forma como foram armazenados, o acabamento dos PCBs pode levar a uma fraca soldabilidade durante o processo de soldagem por refluxo.Abaixo está um exemplo do que pode ser visto quando o acabamento superficial de uma PCB é ruim, levando a um defeito conhecido como 'Black Pad': -

ACABAMENTO DE PCB DE BOA QUALIDADE

PCB MANCHADO

Solda fluindo para o componente e não para PCB

De maneira semelhante, a qualidade dos cabos dos componentes de montagem em superfície pode ser ruim, dependendo do processo de fabricação e do método de armazenamento.

A qualidade da pasta de solda é muito afetada peloarmazenamento e manuseio.Pasta de solda de baixa qualidade, se usada, provavelmente dará resultados como pode ser visto abaixo: -