Tudo sobre o processo de soldadura por refluxo da montagem SMT

A soldadura é um método geralmente de natureza térmica (o que significa que utiliza calor a temperaturas muito superiores às do ambiente), através do qual dois ou mais componentes podem ser ligados mecanicamente e, no caso de áreas relacionadas com a electrónica, a ligação eléctrica dos componentes electrónicos. Esta soldadura deve então proporcionar uma união de condução eléctrica, que é uma união de características electromecânicas que permitirá que os componentes sejam fixados juntos a uma estrutura de chassis ou a uma placa de circuito impresso e, ao mesmo tempo, podem ser ligados electricamente aos terminais desta ou das pastilhas, conforme o caso, numa forno de reflow a união é normalmente terminais ou fios e no caso de placas de circuito impresso são almofadas.

Existem numerosos métodos de soldadura (soldadura por ondasSoldadura por refluxo, soldadura manual e mais)Algumas são utilizadas no campo industrial, outras no ambiente amador e hobbyista e algumas técnicas são utilizadas em ambos os campos. Neste artigo, referir-nos-emos a soldadura por reflow, um tipo de soldadura que é principalmente utilizada no campo industrial, embora hoje em dia existam alguns pequenos dispositivos de soldadura por refluxo que podem ser adquiridos pelo amador e utilizados na pequena oficina do hobbyista da electrónica.

Como Reflow Soldagem

Vamos entrar no tema da soldadura por refluxo, em resumo, isto consiste em aplicar uma camada de pasta de solda nas almofadas da placa de circuito impresso, depois colocar o Componentes SMD na posição correcta, a placa de circuito impresso será levada a um forno que aquecerá todo o conjunto permitindo que a solda derreta e depois solidifique fixando todos os componentes eléctrica e mecanicamente à placa de circuito impresso.

Agora vamos olhar para o processo com mais detalhe para que possa compreender como isto o método de soldadura funciona.

Em Montagem SMTA montagem em superfície exige que as placas de circuito impresso tenham almofadas sobre as quais os componentes electrónicos serão soldados. Estas almofadas são descobertas a partir da camada StopMask porque a solda será aplicada a estas almofadas. 

A pasta de solda utilizada no método de soldadura por refluxo consiste em pequenas esferas de metal de solda (ou as ligas nele utilizadas prata, estanho, chumbo, etc.) combinadas com pastas e agentes solventes que ajudam a aderência dos componentes, tais como o fluxo, mantendo as pequenas esferas de solda em suspensão. A pasta de solda pode ter uma textura semelhante à pasta de dentes com a cor característica da solda utilizada em electrónica.

Para aplicar esta pasta de solda nestas pastilhas é utilizada uma folha conhecida como "stencil" que servirá de modelo na aplicação da pasta de solda, este stencil é normalmente construído numa folha fina de metal com perfurações que coincidem com as pastilhas da placa de circuito impresso. Este padrão de perfuração é obtido a partir da camada StopMask dos ficheiros Gerber gerados durante a fase de desenho da placa de circuito impresso.

O PCB terá então uma pequena quantidade de pasta de solda em cada uma das almofadas onde se encontrará uma superfície de montagem ou componente SMT.

A fase seguinte é colocar os componentes electrónicos em cima do PCB na localização exacta, de modo a que cada terminal de cada componente corresponda à almofada correspondente no PCB. Esta tarefa é levada a cabo pela máquina de recolha e colocação, que é uma máquina automatizada que irá colocar com precisão cada componente no local certo. 

Este processo também pode ser realizado manualmente, quando o projecto é pequeno ou tem muito poucos componentes SMT de montagem superficial, utilizando pinças cada componente pode ser colocado em cima das almofadas correspondentes, pois a pasta de solda é uma textura cremosa que permitirá segurar ligeiramente os componentes devido a um fenómeno físico conhecido como tensão superficial.

A placa de circuito impresso é levada para um máquina de refusão onde o processo de soldadura enquanto tal terá lugar.

O processo de aquecimento dentro deste forno é separado em várias fases e a forma como o calor é aplicado e o seu controlo do aumento de temperatura ao longo do tempo é um factor crítico para que os componentes adiram correctamente, para que tenham uma soldadura de acabamento de qualidade e para evitar danos no circuito interno do Componentes PCB.

Este processo de aquecimento requer um controlo rigoroso para que as temperaturas necessárias possam ser atingidas para que a solda possa obter uma ligação forte e consistente à placa de circuito impresso, mas que estas temperaturas também não atinjam níveis perigosos para o material semicondutor dos componentes, pois podem danificá-los.

Quatro processos de soldadura por reflow

Rampa para encharcar

A primeira fase de aquecimento para a soldadura por refluxo chama-se "Rampa para embeber" e consiste em aumentar gradualmente a temperatura do PCBA para que a temperatura aumente com segurança, permite que todos os componentes e todo o conjunto atinjam uma temperatura segura, homogénea e constante, também durante esta fase os solventes voláteis da pasta de solda são dissolvidos evitando que haja restos no seu interior, a missão destes líquidos que suspendem a solda; ou seja, tornam-na pastosa, é facilitar a união desta com os componentes, no entanto se forem deixados resíduos dentro da solda com o tempo que estes podem afectar a qualidade da aderência electrónica, por essa razão é importante que evaporem durante o processo de soldadura e que se inicie durante a fase de pré-aquecimento da zona de soldadura.

Zona de impregnação térmica

A fase seguinte chama-se zona de absorção térmica e consiste em expor o conjunto a uma temperatura constante e durante 1 a 2 minutos, permitindo completar a eliminação dos voláteis da pasta de solda por evaporação, activando os fluxos tais como Fluxo PCBOs componentes começarão a aderir às almofadas da placa de circuito impresso e permitirão que a adesão livre de óxido seja realizada por estar envolvidos num ambiente de fluxos evaporados. Uma temperatura demasiado elevada neste processo pode fazer com que a solda salpique ou forme grumos, bem como oxidar a pasta de solda afectando a ligação e a terminação da solda. Os fluxos podem não ser totalmente activados se a temperatura for demasiado baixa.

Na zona de imersão, o equilíbrio térmico é desejado em toda a montagem; a temperatura da solda deve ser homogénea antes da montagem poder ser levada para a zona de refluxo seguinte. O perfil da zona de imersão pode diminuir quaisquer diferenças de temperatura entre diferentes componentes ou entre diferentes áreas do PCB, especialmente se a placa PCBA for muito grande, também se recomenda o perfil de imersão para diminuir problemas de soldadura em componentes com matrizes, tais como componentes com terminais BGA.

Zona de refluxo

A terceira zona é a zona de reflow, também conhecida como "tempo acima do reflow" ou temperatura TAL acima do nível do líquido. A esta temperatura é atingida a temperatura máxima, é importante que a temperatura máxima seja mantida sob controlo para que o processo seja bem sucedido. Normalmente está entre 20 e 40 graus acima da temperatura de fusão da solda (que é a temperatura a que a solda entra no seu estado líquido).

Como componentes semicondutores (transístores, circuitos integrados, mosfets) e componentes electrónicos discretos (resistências, condensadores, bobinas, indutores) têm temperaturas de tolerância de soldadura diferentes; que a temperatura máxima atingida na zona de refluxo deve ser inferior ao componente mais sensível a danos térmicos. Uma boa regra geral é subtrair 5 graus da temperatura máxima que o componente mais frágil pode suportar; ou à temperatura mais baixa especificada na folha de dados como a temperatura máxima durante o processo de refluxo, é importante acompanhar de perto todo o procedimento e nunca exceder este limite. As temperaturas elevadas para além de 260℃ podem danificar os elementos internos dos componentes de montagem superficial e gerar o crescimento de óxidos intermetálicos que afectam o desempenho dos semicondutores, por outro lado, se a temperatura não for suficientemente elevada pode impedir que a pasta derreta suavemente.

Durante esta zona, a temperatura está acima do ponto líquido, o fluxo reduz a tensão superficial e faz com que os componentes da solda se separem, permitindo a união das esferas metálicas em pó, evaporando completamente o resto do material do fluxo.

A temperatura e o tempo não devem em caso algum exceder as especificações do fabricante da solda, se for demasiado elevado pode consumir prematuramente todo o fluxo gerando uma solda seca que dará uma má formação, aparecendo juntas de solda partidas no interior da soldadura e secagem da solda, bolhas no interior e ferrugem.

A relação temperatura/tempo mal calculada pode levar a uma redução na eficiência do fluxo cuja função é limpar a solda de impurezas e resultará numa humedecimento deficiente, solvente inadequado e a remoção do fluxo da solda leva a juntas de solda defeituosas.

Recomenda-se que o período da zona de refusão seja o mais curto possível, embora a maioria das pastas de solda especifique que este período deve ser de pelo menos 30 segundos, embora nenhuma razão para este tempo particular pareça ser explicada, uma possibilidade é que em alguns locais do PCBA a temperatura não seja atingida com o perfil tal como programado, então a definição de um tempo de 30 segundos reduz as hipóteses de que haja áreas que não derretem devido à falta de temperatura. Considerando que a obtenção de uma temperatura homogénea no PCBA é bastante difícil, um tempo mínimo de refusão reduzirá as mudanças de temperatura no interior do forno.

A temperatura de refluxo não deve ser mantida acima dos 60 segundos, uma vez que este tempo é excessivo para muitos componentes electrónicos.

Por outro lado, um tempo de refluxo demasiado curto ou uma temperatura demasiado baixa pode prender solventes e fluxos no interior criando juntas frias ou infundadas devido a pequenos vazios (bolhas) que podem aparecer no interior da solda. Qualquer ligeiro erro que ocorra no forno de refluxo SMT pode levar a Montagem de PCB erros, causando problemas comuns de PCB.

Zona de arrefecimento

A zona de arrefecimento permite reduzir gradualmente a temperatura da placa durante o processo de soldadura para permitir a sua solidificação adequada, o que reduz a formação intermetálica excessiva por choque térmico dos componentes, ou seja, por uma alteração demasiado rápida da temperatura, Trata-se de um dano que se observa no interior dos componentes.

As temperaturas na zona de arrefecimento variam de 30 a 100 graus, a taxa de arrefecimento rápido gera uma estrutura de grão fino mais mecanicamente sólida. Uma taxa de aceleração é muitas vezes ignorada ou não estritamente controlada, talvez que a taxa de rampa seja menos crítica. A inclinação máxima permitida para qualquer componente deve ser aplicada quer o componente seja de aquecimento ou de arrefecimento, sugere-se uma taxa de arrefecimento de 4℃ por segundo. Este parâmetro deve ser considerado durante PCBA montagem especialmente em peças críticas para aplicações aeroespaciais e militares.

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