Processamento de componentes eletrônicos por meio de brasagem

A miniaturização de componentes metálicos para a fabricação de equipamentos eletrônicos é uma tendência cujo objetivo abrange processos de união por brasagem. No caso dos componentes passivos, a miniaturização levou à introdução da classe de tamanho 01005, cada vez mais usada na fabricação de eletrônicos. Este trabalho trata de investigações sobre etapas de processo como, por exemplo, soldagem com refluxo, impressão com pasta e posicionamento usando placas-piloto de circuito impresso desenvolvidas para a determinação de parâmetros e análise de suas influências. Os resultados obtidos permitiram delimitar as janelas de processo para os componentes construtivos da classe mencionada, conforme especificação da Aliança das Indústrias Eletrônicas (Electronic Industries Alliance, E.I.A.), dos Estados Unidos.


S. Härter e J. Franke

Data: 29/05/2017

Edição: CCM Fevereiro 2017 - Ano - XII No 144

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Fig. 1 – Comparação das dimensões dos elementos construtivos bipolares das classes de tamanho desde 0603 até 01005, definidas pela Aliança das Indústrias Eletrônicas (Electronic Industries Alliance, E.I.A.), com as de um fio de cabelo.

A tendência da miniaturização dos componentes passivos na fabricação de aparelhos eletrônicos levou à aplicação da classe de tamanho (Baugröße) 01005, ou seja, componentes bipolares (resistores e capacitores em forma de pastilha) com dimensões de aproximadamente 400 x 200 mícrons (figura 1). Muitas publicações tiveram como tema a introdução dessa tecnologia, apresentando diversos aspectos do seu processo de impressão por serigrafia ou sua tecnologia de montagem. Entretanto, nunca se conseguiu estabelecer uma janela de processo adequada para o processamento econômico dessa classe de tamanho no que tange ao espectro mais amplo desses componentes, nem foi feita uma avaliação abrangente sobre a qualidade da produção e os processos envolvidos. Isso constitui um obstáculo para a introdução da classe de tamanho 01005 nas empresas que fabricam produtos eletrônicos, particularmente na Europa.

Uma pesquisa realizada pela Universidade de Erlangen-Nürnberg abrangeu etapas isoladas de processo, tais como brasagem com refluxo, impressão com pasta e montagem, para avaliar os principais parâmetros de processo e sua influência, sendo usado um circuito impresso experimental. O estudo consistiu particularmente no processo de impressão por serigrafia, já que ele é o responsável pela maior parte das falhas potenciais de fabricação. Neste caso, a utilização de um sistema para inspeção tridimensional da pasta de soldagem (3D Solder Paste Inspection, 3D-SPI) proporciona uma super vis ão indispens ável da qualidade. Além disso, foram consideradas a montagem e soldagem com refluxo, bem como o desalinhamento de montagem, ou defeito tombstone (literalmente, lápide) – quando o componente montado fica indevidamente suspenso (falha que leva a problemas de mau contato). Os estudos sobre solicitações de temperatura / choque e temperatura /umidade efetivaram a confiabilidade dos componentes da classe de tamanho 01005.

Fig. 2 – Circuito impresso desenvolvido com um espectro heterogêneo de componentes eletrônicos, o qual possuía mais de 20 formatos diferentes de componentes e um total de aproximadamente 1.250 elementos.

Os conhecimentos obtidos a partir deste estudo e as primeiras aplicações dos componentes da classe mencionada levaram ao desenvolvimento de uma segunda placa de circuito impresso experimental, a qual reproduziu uma ap li c a ç ã o d e um m ó du lo constituído por um espectro heterogêneo de componentes (figura 2), para identificar efeitos e interações decorrentes dos processos envolvidos. O objetivo do estudo foi obter conhecimento sobre o leque de processos para fabricar componentes da classe de tamanho 01005, visando garantir um bom processamento deles, particularmente quando diferentes componentes são montados. O foco foi mantido na correlação dos dados provenientes da inspeção da impressão com pasta, obtidos por análise visual definitiva. Assim, foi possível descrever melhor a ocorrência de falhas potenciais durante a produção de módulos usando componentes da classe de tamanho 01005, visando melhorar a qualidade da manufatura.

Resumo dos resultados

Fig. 3 – Exemplos de seções transversais de capacitoresclasse de tamanho 01005 nas quais foi aplicadae resistores pertencentes à a pasta de soldagem do tipo 5

No que tange à escolha do circuito impresso, foi constatada a importância da cooperação por parte de fornecedores para se obter um alto nível de qualidade, que beneficia o processamento posterior deste produto. Além disso, a seleção de componentes oferece a possibilidade de se considerar os requisitos para a metalização, a aplicação da menor espessura possível de verniz resistente à soldagem, sob bom grau de alinhamento, e potenciais defeitos como o estiramento do circuito impresso. Durante a produção das amostras não foi considerada significativa a diferença entre os acabamentos superficiais estudados, ou seja, “Ni/Au químico” e “Sn químico”. As tolerâncias dos componentes foram consideradas como parâmetros de influência do ponto de vista do design do circuito impresso. A definição de um design padronizado para as superfícies de conexão para dispositivos montados sobre superfície (SMD ou surface-mounted device) foi embasada em uma avaliação feita pela análise das condições de contorno reinantes e de parâmetros de fabricação. Particularmente, a altura praticamente duplicada dos capacitores em comparação com os resistores precisa ser considerada durante a configuração do espaço sobre o circuito impresso.

Foi observado que o processo de serigrafia constitui uma etapa essencial da montagem dos módulos, e que a escolha da pasta de soldagem tem grande influência sobre as impressões. Portanto, assim como a otimização dos parâmetros de impressão, deve-se considerar os diferentes comportamentos com respeito à espessura da impressão por serigrafia e ao tipo de pasta de soldagem. A impressão inicial após o processo de limpeza, que é classificada como crítica, não deixou nenhum depósito significativo de pasta nas estruturas com classe de tamanho 01005 após os testes de impressão. O uso de uma combinação de espessura da tela de serigrafia igual a 100 mícrons e pasta de soldagem do tipo 4 não assegurou bons resultados de impressão sobre valores críticos da razão entre superfícies, sendo recomendado o uso de uma tela de serigrafia com espessura de 80 mícrons e de pasta para soldagem do tipo 5, como mostra a figura 3 (pág. 11).

Fig. 4 – Defeito tombstone (tombamento) em diferentes superfícies de assentamento no caso de um resistor (à esquerda) e de um condensador (à direita), ambos da classe de tamanho 01005.

No caso de módulos cuja montagem é feita usando componentes com diferentes tamanhos, devem ser verificados os pontos soldados dos componentes maiores. A soldagem dos componentes com classe de tamanho 01005 deve também ser considerada durante a escolha da tela de serigrafia, em função do layout empregado e da metalização. Devido à baixa altura dos resistores para essa classe de tamanho, foi possível constatar que o excesso de solda pode fazer com que os pontos de união apresentem características inadequadas. Entretanto, foi observado que as características dos pontos de solda nos capacitores da classe de tamanho 01005 são menos críticas no que tange à conformidade com as diretrizes da Associação das Indústrias de Conexões Eletrônicas (Association Connecting Electronics Industries, IPC).

Durante a montagem dos componentes com classe de tamanho 010 05 deve -se atentar para o uso de componentes com alta qualidade, os quais influenciam de maneira crucial esta operação. Juntamente com o apoio plano do circuito impresso, deve-se objetivar o menor valor de força de montagem possível, de forma a evitar danos potenciais aos módulos. Um desalinhamento na direção longitudinal do componente, bem como uma torção, implicam falhas em componentes da classe de tamanho 01005 para diferentes layouts de metalização (figura 4). Ao escolher o dispositivo automático para a execução da montagem deve-se observar os correspondentes requisitos em termos da precisão de montagem e avaliar particularmente a qualidade e as características das pipetas para sucção.

Devem ser consideradas as diferentes massas térmicas ao se estabelecer uma faixa de temperatura da soldagem com refluxo, de forma a aquecer todo o módulo dentro da janela de processo definida para os componentes utilizados. Foi constatado que a ocorrência do defeito tombstone (tombamento) de elementos da classe de tamanho 01005 é menos frequente ao se usar uma faixa de temperatura que apresente maior período de tempo sob valores acima do ponto liquidus do que sob evolução de menores temperaturas até a zona de pico, com duração de aproximadamente 30 segundos acima da temperatura liquidus, o que leva ao aquecimento alterado. Um espectro heterogêneo de componentes, possíveis efeitos de sombreamento e diferentes evoluções de aquecimento requerem um processo de soldagem com refluxo executado cuidadosamente para a obtenção de boa qualidade, tanto do ponto de vista mecânico como elétrico.

Componentes da classe de tamanho 01005 foram submetidos a diversos tipos de simulações de exposição a faixas de temperaturas e choque, nas quais eles apresentaram bom desempenho sem que tivesse ocorrido queda significativa da força de cisalhamento medida após 200 ciclos. Materiais diferentes usados na impressão por serigrafia e as correspondentes alterações da quantidade de metal de soldagem não exerceram influência considerável sobre a distância entre o componente e a placa de circuito impresso, e igualmente não atuaram de maneira significativa sobre a confiabilidade do conjunto. O surgimento de altas forças durante a montagem, que normalmente não devem ser aplicadas durante o processamento de componentes usados na tecnologia de montagem superficial, pode causar defeitos nos componentes da classe de tamanho 01005, reduzindo a sua vida útil.

Durante a inspeção óptica automática e análise radiográfica foi feita a classificação dos defeitos autênticos dos módulos fabricados em escala piloto, em que se usou impressão com pasta dentro das especificações definidas. Foram igualmente detec tadas uniões bem-sucedidas nos componentes durante a inspeção final, sendo elas classificadas como críticas quando foi considerado exclusivamente o processo por serigrafia. Assim, a correlação dos dados provenientes da inspeção feita na impressão por serigrafia e os ensaios ópticos finais efetuados neste estudo demonstraram grande potencial para descrever melhor as implicações de erros potenciais e, dessa forma, delimitar valores-limite otimizados para um processo de inspeção eficiente.

Conclusões

Esta pesquisa foi embasada em uma investigação sobre o proce s s a m e nto d e co m p o n e nte s eletrônicos pertencentes à classe de tamanho 010 05 usando tecnologia de montagem sobre superfície (Surface Mount Technology, S. M. T.). Foi definido um procedimento em duas etapas e foram desenvolvidos dois layouts. A partir de um primeiro circuito impresso foi considerado o uso de impressão serigráfica, bem como o processamento de componentes da classe de tamanho 01005. Um outro projeto de demonstração considerou o compor t amento de componentes da classe mencionada, num módulo misto que apresentou maior espectro de elementos construtivos.

A partir dos resultados deste estudo as empresas, particularmente as de pequeno e médio porte, poderão promover a introdução de componentes da classe de tamanho 01005, aumentando, dessa forma, a qualidade dos seus produtos e reduzindo os índices de falha.

Agradecimentos

O proj eto IGF 17.420 B / DV S, desenvolvido pela A ssociação de Pesquisa em Soldagem e Processos Aplicados da Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados (Foschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des Deutscher Verband f ür Schwe iße n und ve r w andt Verfahren – D.V.S.), com sede em Düsseldorf, Alemanha, foi apoiado pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.), por meio da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento (Industrielle Gemeinschaftsforschung, I.G.F.) do Ministério Federal Alemão para Economia e Energia, com base numa resolução do Parlamento Alemão.

Referências

  1. Härter, S.: Evaluierung des Selbstzentriereffektes von 01005-Bauelementen mittels AOI. Vortrag auf dem Viscom Technologie-Forum 2015, am 4. 03. 2015 in Hannover.
  2. Härter, S., D. Beer u . J. Franke : Untersuchung des Selbstzentriereffektes mittels AOI zur gesicherten Verarbeitung von 01005-Bauelementen. Produktion von Leiterplatten und Systemen – PLUS, 17 (2015), Edição 3, p. 567/73.
  3. H ärter, S.: Herausforderungen im Schablonendruckprozess bei der Verarbeitung von Bauteilen der Grösse 01005. Vortrag auf dem 4. LaserJob Technologie-Forum, am 6. 11. 2014 in Fürstenfeldbruck.
  4. H ärter, S., C. L äntzSCH u. J. Franke : Gesicherte Verarbeitung von hochminiaturisierten Bauelementen der Baugrösse 01005 in der Elektronikproduktion. DVS-Berichte Bd. 301, p. 84/91. DVS Media, Düsseldorf 2014.
  5. H ärter, S., C. L äntzSCH u. J. Franke : Fundamental Study on a secure prenting process using NanoWork stencils for 01005 components. Proceedings of Surface Mount Technology Association Internationan Conference (SMTAI) 2014, in Rosemont/US, p. 878/84.
  6. H ärter, S.: Strategien zur Optimierung der Prozesskette für die gesicherte Verarbeitung hochminiaturisierter Bauelemente. Vortrag auf dem Viscom Technologie-Forum, am 13. 03. 2013 in Hannover.