Montagem de PCIs com componentes SMDs

SMD SMT

 No vídeo abaixo é apresentado o processo de fabricação da BeagleBone Black, montada pela Circuit Co. Essa placa possui todos seus componentes SMDs(surface-mount devices), exceto um capacitor e cinco conectores que são PTH (plated-through holes).

 

 

 

 

 

Montagem de placas de circuitos eletrônicos com SMDs e PTHs.

 

A placa normalmente é fabricada em um painel, onde existem diversas placas eletrônicas que serão montadas de uma só vez, primeiro um lado, depois o outro. Nesse caso, há um painel de 6 placas iguais. Nos dois lados há componentes SMDs, portanto, será montado um lado de cada vez na montagem SMD e, após esse processo serão montados os componentes PTH.

 

Após a chegada das placas devidamente embaladas em recipientes que impedem a contaminação e entrada de umidade, as mesmas são levadas para montagem. Ao chegar para montagem, são desembaladas e passadas pelo processo de aplicação de pasta de solda. Quando digo solda me refiro a uma liga de metais que possui um ponto de fusão específico. A pasta de solda é aplicada nos PADS que vão receber os componentes eletrônicos que passarão por um processo de fusão da solda em uma máquina (forno) programada para este fim. Mas, então, para a aplicação da pasta de solda ser feita de forma correta e precisa, é necessário que haja um estencil, uma espécie de placa metálica que possui diversos orifícios que permitem que a pasta de solda seja aplicada apenas nos pads dos componentes eletrônicos das placas - uma especie de negativo de onde deverá conter solda no processo SMD. A quantidade de pasta de solda a ser aplicada deve ser controlada. Se pouca pasta for aplicada, o componente SMD não será soldado adequadamente quando a mesma derreter. Caso seja aplicada em excesso, poderá ocorrer “espirros” ou respingos da liga metálica na hora da soldagem. Então, depois de sua aplicação, é necessária uma inspeção para verificar se a espessura aplicada foi corretamente administrada. Encerra-se, assim, essa etapa de preparação da placa para entrada na Pick-and-Place.

 

A placa então segue para a máquina Pick-And-Place. Esta máquina é a que posiciona os componentes na placa de circuito impresso. Ela deve ser alimentada com bandejas e rolos de componentes eletrônicos. Todos os componentes devem estarem secos, livres de umidade. Caso não estejam embalados corretamente, podem conter umidade e quando os mesmos irem ao forno podem ocorrer pequeninas explosões da liga metálica e provocar um curto, por exemplo. Caso conectores SMDs sejam também montados na placa de circuito impresso, é necessário que tenham suction caps, dispositivos que permitem que o braço mecânico da máquina os pegue para montagem. Dependendo a forma em que foi alimentada a máquina, deve-se fazer um programa informando à máquina onde está cada componente a ser montado. Existe um sistema óptico bem preciso que permite que o robô pegue os componentes através de um processo de sucção a vácuo e os coloque na placa. Ao pegar cada um dos componentes, para aferir que será colocado no local certo, o braço mecânico o vira para a câmera, que captura sua imagem em uma fração de segundo e o posiciona na placa sobre a pasta de solda.

 

Não há necessidade de colar os componentes. Após o braço mecânico posicionar os componentes sobre a placa, a própria pasta de solda consegue manter o componente no local colocado. A placa então corre pela esteira, que é bem lenta e possui uma vibração muito pequena, praticamente insignificante, para que os componentes não saiam do local apropriado.

 

A placa passa, então, pelo forno de refluxo. Ali é realizada a solda – a fusão acontece e os componentes são soldados. A temperatura desse forno deve levar em consideração principalmente a liga metálica que está sendo utilizada. Veja alguns valores de temperatura correspondente ao ponto de fusão de diferentes ligas.

 

 

composicao liga

 

 

Além disso, a curva de temperatura, tambem conhecida por reflow profile, muda conforme os encapsulamentos e as características do forno. As temperaturas máximas dos componentes podem ser encontradas no datasheet do dispositivo. Essa etapa é crítica porque um setup errado de temperatura pode fazer com que a placa saia com soldas frágeis ou as inutiliza porque simplesmente o circuito não funcionará adequadamente como o esperado. Caso a temperatura seja muito alta, pode tambem “fritar” os componentes eletrônicos e os inutilizar. 

 

Abaixo está apresentada a curva de uma determinada liga para um forno de refluxo SMD. A forma da curva é parecida para todos e alguns parametros mudam dependendo do forno, liga e componentes.

 

 

timetemp

 

 

 A norma IPC/JEDEC J-STD-020 Revisão D.1  de Março de 2008 estabelece uma curva próxima a mostrada acima, mas com algumas modificações. Veja gráfico conforme a norma:

 

 

reflow

  

Então, resumindo, pra determinar um reflow profile ideal pra seu forno e placa a ser montada, deve-se levar em conta: 

  • Liga metálica utilizada;
  • Quantidade de pasta de solda aplicada;
  • Temperatura limite de cada componente que está para ser montado na placa. A informação de tempo máximo de exposição à temperatra máxima versus a máxima temperatura suportada do componente menos robusto do projeto normalmente determinam a curva de temperatura (reflow profile);
  • Características de transferência da placa de circuito impresso e os materiais que a compõem;
  • Layout de todos os componentes.

 

 Mesmo que o componente esteja desalinhada ou “torto”, fora de sua posição exata, ao passar no forno e a liga de metal se liquefazer (ocorrer a fusão), a tensão superficial posicionará o componente em seu local exato. Pode-se então inferir que a escolha de um pad adequado é importantíssimo tambem por conta disso.

 

Para uma placa de dois lados de componentes SMD, o processo deve ser repetido para a outra face da placa de circuito impresso. A primeira fusão é o processo responsável pela solda do primeiro lado da placa de circuito impresso. A segunda fusão é responsável pela solda do outro lado da placa. Cada uma é feita de maneira distinta. A temperatura que a segunda fusão deveria chegar para que os componentes do outro lado da placa descolassem, ou caissem, é bem maior que a primeira temperatura.

 

Antigamente e ainda em algumas empresas, é empregada a técnica de colagem dos componentes antes de soldar. Isso não é utilizado mais na maioria das empresas que utilizam tecnologias mais modernas.

 

Os conectores e o único componente que não são SMDs, são PTH, devem ser colocados manualmente e, após a colocação passam por um processo de solda seletiva com a ajuda de uma máquina que deve ser programada pra esse fim. Pode-se, claro, fazer a solda manual, mas isso insere diversas impurezas no processo. Um ferro de solda, por mais limpo que ele esteja, contamina a placa de circuito impresso pois adiciona impurezas ao estanho aplicado ao pino. Uma impureza no meio de uma liga, após a fusão, faz com que possa existir uma possibilidade maior de ruptura da solda, conforme a placa envelhece (conforme passa o tempo, varia-se a temperatura, umidade e pressão). Além disso, em um processo lead-free ou Pb-Free (sem chumbo), com solda ROHS, o processo de soldagem manual é bem difícil.

 

A seguir a placa passa por uma máquina de lavar, que retira as impurezas do processo de solda SMD e PTH. Nessa mesma máquina também é feita a secagem, feita com jatos de ar quente e frio (dependendo do modelo da secadora).

 

Uma máquina de inspeção ótica é utilizada no final do processo para se ter certeza que tudo está OK. Um software com programação prévia toma conta dessa etapa. Várias fotos precisas são tiradas pela máquina e é a partir dessas fotos que a inspeção de software é realizada.

 

Em alguns casos é interessante fazer a inspeção utilizando RAIO-X. Essa prática pode ser interessante para algumas placas montadas em um lote. No entanto, essa prática pode ser demorada e custosa. Máquinas de vibração e camaras climáticas, que variam temperatura, pressão e umidade, podem ser utilizadas para verificar se a montagem está conforme determinadas condições pré-determinadas por profissionais capacitados.

 

Validação

 

Após a montagem, deve-se validar a montagem da placa e funcionamento. Diversas técnicas podem ser empregadas. Pode-se utilizar validação através de conexão JTAG, por medição de varias impedâncias da placa, através da conexão da placa a diversas agulhas conectadas a medidores para esse fim, ou por funcionamento de um software de teste. Após essa etapa, é interessante, após carregar o software de fábrica, caso se aplique, testar a placa de forma simples. No caso dessa placa, conectando-se todos os conectores a um equipamento de testes é possível testá-la inteiramente.

 

A etapa de burn-in também é adotada em diversas fábricas. Nessa etapa, que pode ser realizada após o teste elétrico ou antes dele, detecta-se se a está tudo OK com o funcionamento da placa. Essa etapa pode ser bem cara pra determinados equipamentos e, dependendo da necessidade, é realizada apenas por amostragem ou por lote.

 

Conclusão

 

A montagem completamente SMD automatizada traz vantagens em vários aspectos - é mais confiável, pode-se verificar que a qualidade após ajuste do processo é garantida pois existe um grau de repetibilidade que não é possivel em outros tipos de montagem. Além disso, diminui-se o valor do custo da lista de materiais, pois diversos componentes menores são também mais leves, o que diminui o frete. Do ponto de vista de durabilidade da placa, é indiscutível que o processo de solda SMD com máquina possui um graus de contaminação muito abaixo do que se obtem com o ferro de solda e o contato frequente com os componentes diminui a vida util do componente, pois pode haver pequenas descargas de ESD. Dispositivos que são tirados de seus recipientes corretos para montagem com braço mecânico tambem nao possuem umidade, fator que pode alterar na confiabilidade da solda depois de um determinado tempo de vida do aparelho. O custo de mão de obra é menor, apesar do valor inicial para se ter todo o aparato necessário para montagem SMD ser bem alto.

 

 

Referências:

Electronics-cooling

Frontier Materials

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Thiago Lima
Sou formado em Engenharia Elétrica na USP Sao Carlos, com mestrado em Engenharia Elétrica no Rochester Institute of Technology pelo CsF. Tenho 17 anos de experiência em projetos de circuitos eletrônicos. Escrevo regularmente para o Embarcados, adoro eventos sobre tecnologia, onde posso rever amigos e conhecer pessoas do ramo.

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Ciro Peixoto
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Ciro Peixoto

Sem comentários!!! --- Sonho de qualquer desenvolvedor ver seu projeto nesta linha de produção!!!

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[…] Não deixe de conferir o post escrito por mim sobre montagem de PCIs com componentes SMD. […]

Wagner Augusto Silva Rodrigo
Visitante
Wagner Augusto Silva Rodrigo

Muito interessante. Embora eu conhecesse o processo como um todo, não sabia dos detalhes do processo.

Mas pelo que eu percebi, a viabilidade desse processo só ocorre com grandes lotes. Existe algum processo mais direcionado à montagem em pequenas quantidades? (No caso de PCIs para protótipos, por exemplo)

Filipe Teixeira
Visitante
Filipe Teixeira

Normalmente empresas montadoras de PCI possuem um setor para montagem de protótipos, onde o pickplace é realizado manualmente. Consequentemente o custo de montagem é muito maior e a confiabilidade do processo normalmente é inversamente proporcional ao custo, ou seja, muito mais sujeito a erros de montagem como troca de componentes e erro de posicionamento.

Agora o método de soldagem depende muito da tecnologia da placa, forno de refusão para placas complexas que possuem BGAs por exemplo a soldagem manual para placas menos complexas e com componentes PTH.