Montagem de PCB e o Processo Produtivo SMT

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Uma visão geral do processo de montagem da PCB

Os vários estágios do processo de montagem de placas, incluindo a adição de pasta de solda na placa, a escolha e o local dos componentes, a soldagem, a inspeção e o teste. Todos esses processos são necessários e precisam ser monitorados para garantir que um produto de alta qualidade seja produzido. O processo de montagem de PCBs descrito abaixo assume que os componentes de montagem em superfície estão sendo usados, já que praticamente toda a montagem de PCB atualmente usa tecnologia de montagem em superfície ou SMT, do inglês Surface-Mount Technology.

1. Pasta de solda (Solder Paste)

Antes da colocação dos componentes em uma PCI, a pasta de solda deve ser adicionada às áreas da placa onde a solda é necessária. Normalmente, essas áreas são os pads de componentes (ver figura 2). Isto é conseguido usando uma tela de solda ou solder screen,também conhecido estêncil (do inglês stencil). Aqui vou adotar a termologia “Stencil”, tudo bem? (ver figura 1)

(Figura 1)

(Figura 2)

A pasta de solda é uma pasta composta de pequenos grãos de solda misturados com fluxo (ver figura 2). Isso pode ser depositado em um processo que é muito semelhante a alguns processos de impressão, como o silk screen por exemplo (vide figura 3).

(Figura 3)

Usando-se o stencil, colocado diretamente na placa e corretamente posicionado, um rodo (Squeegee) é movido através da tela apertando uma pequena quantidade de pasta de solda através dos orifícios do stencil e na placa. Como o stencil foi construído a partir dos dados da placa de circuito impresso, os furos estão exatamente nas posições dos pads de solda da PCI e, desse modo, a solda é depositada somente nos respectivos pads (ver figuras 1 e 2).

A quantidade de solda que é depositada deve ser controlada no sentido de garantir que as junções resultantes tenham a quantidade certa de solda.

(Figura 4)

2. Pick and place

Pick and place, traduzindo significa “pegar e posicionar”, e é justamente isso que as máquinas fazem, pegar o componente e posicioná-lo nas coordenadas corretas. Vale lembrar que nesta fase de montagem, a PCB já está com pasta de solda, portanto, como já disse, os componentes serão “pegados” e posicionados nos pads com solda. Como as máquinas Pick and place já foram previamente alimentadas (carregadas) com rolos de componentes ou bandejas, os mesmos são pegos pelas máquinas e posicionados em seus devidos locais na placa (ver figura 5).

(Figura 5)

3. Fase de soldagem (Refusão)

Uma vez que os componentes foram adicionados à placa na etapa pick and place, a próxima fase do processo de montagem, processo de produção é passá-lo através do forno de refusão.

Nesta fase, a placa entrará no forno de refusão e será soldada. Para garantir o sucesso da etapa, o forno passa por uma série de testes com “placas de sacrifício” até chegar às zonas de aquecimento corretas. A placa ainda é instrumentada com termopares em seus pontos críticos, pois, assim, será possível avaliar a temperatura e permitir que os componentes sejam soldados adequadamente e sem excesso de exposição.

Aqui vou detalhar um pouco mais essa fase, composta pelo Forno de Refusão.

A Fabricação baseada na tecnologia SMT possui componentes que são colocados diretamente na placa, usando uma pasta de solda que também funciona como uma espécie de “cola”. Mas até ai o componente só está “depositado “em cima da pasta, que por sua vez foi colocado precisamente em cima dos PAD`s da placa. O próximo passo é soldar o componente a placa a ponto de criar uma conexão eletromecânica.

A parte difícil é soldar cada componente em seu respectivo lugar, sendo que cada um tem uma especificação distinta. A temperatura da placa necessita aumentar consideráveis 200 graus (ou mais) para derreter a pasta de solda. Como cada componente tem uma especificação diferente, cabe ao engenheiro responsável definir um perfil, onde dentro dele terá informação de temperatura mínima e máxima, geralmente levando em consideração os componentes mais sensíveis contidos na placa. É basicamente você tentando cozinhar o jantar perfeito. Pouca temperatura ou temperatura acima do permitido vai arruinar seu projeto!

Os modernos fornos de refusão podem manipular automaticamente o aquecimento e o resfriamento de cada PCB, enviando-os a uma serie de câmaras internas.

Para realizar todo esse processo é necessário passar por alguns estágios:

  • Pre-heating(Pré-aquecimento) – O primeiro e mais longo estágio, o que exige levá-lo a uma determinada temperatura lentamente. A distribuição de calor deve ser uniforme, ou a placa pode se deformar.
  • Thermal Soak( “Curar” em tradução livre) – Tendo chegado ao ponto de pré-aquecimento desejado, a placa passa para a segunda câmara para uma imersão térmica em uma pré-determinada temperatura, por entre 60 a 120 segundos. Isso garante a distribuição uniforme do calor e ativa os produtos químicos da pasta de solda.
  • Reflow(refluxo) – O coração do processo de soldagem de refluxo acontece aqui, onde a placa de circuito é rapidamente aquecida até temperaturas máximas para derreter completamente a solda e ligá-la à placa de circuito. Vários métodos de aquecimento podem ser usados aqui, embora o cozimento convencional por convecção seja ainda o mais comum.

O tempo é crucial aqui, uma vez que a solda deve derreter-se totalmente sem ter tempo para escorrer da placa ou começar a se vaporizar. Esse processo geralmente leva 30 a 40 segundos.

  • Cooling(Resfriamento) A próxima câmara resfria a placa rapidamente. O resfriamento é mais rápido que o aquecimento, porque com o resfriamento rápido a solda forma uma estrutura cristalina e uma ligação de melhor qualidade.

O forno de refusão pode ter diferentes configurações de câmaras de aquecimento de acordo com o projeto que será produzido na mesma.

O resultado deste processo é uma placa acabada mais eficiente e mais resistente a vibrações em relação as placas produzidas com tecnologias anteriores.

Para controlar que o perfil criado para um determinado produto está correto, se utiliza uma ferramenta de medição, o Perfil Térmico (vide exemplo da figura 6) para validar o processo e, se necessário, ajustar o perfil de cada estágio do processo.

(Figura 6)

4. AOI (Automatic Optical Inspection) – Fase de Inspeção

A fase final da fabricação em SMT é chamada de AOI (Automatic Optical Inspection, ou em tradução livre, Inspeção Óptica Automática) é uma técnica que usa sistema de coleta de imagem da placa eletrônica para obter uma imagem, gravá-la e depois, avaliá-la em relação a um critério pré-definido.

Esse método de comparação usa uma placa de circuito impresso como referência, chamada de golden board, que fica na memória do software. Assim, os pontos da placa sob teste são comparados com os da placa-padrão em busca de defeitos. No processo, apenas a visão humana não atende mais a demanda, já que processos de produção tornam-se muito mais rápidos e os componentes cada vez menores.

Máquinas AOI costumam ter alto rendimento, já que permitem a inspeção completa da placa na mesma velocidade da linha de produção e alta precisão na detecção de defeitos. A máquina pode ser usada após a soldagem para identificar defeitos, geralmente causados por falhas nas etapas anteriores ou por ausência de inspeção. Neste caso, três problemas são comuns e detectáveis pelas máquinas AOI:

– Insuficiência ou excesso de solda

– Curto-circuito entre duas juntas de solda

– Deslocamento do componente

(Figura 7)

Vale lembrar que nenhuma dessas inspeções será eficaz se não forem tomados cuidados na geração da golden board, responsável pela eficiência da máquina AOI. É nessa etapa que a máquina será programada para procurar números de série incorretos, soldas abaixo do padrão de qualidade, pontes de solda e componentes fora de posição.

(Figura 8) – Exemplo de AOI

Empresas do ramo que queiram manter a competitividade e evitar desperdícios precisam aumentar a confiabilidade qualidade da placa, que pode ser adquirida com o uso da AOI, entre outras tecnologias.

5. Feedback

O processo SMT considera a fase 4 (AOI) como o último estágio do processo de montagem de PCBs. Todavia, do meu ponto de vista, eu ainda considero mais uma fase após a AOI, a qual eu chamo de feedback. Pois, para garantir que o processo de fabricação esteja funcionando satisfatoriamente, é necessário monitorar as saídas e retroalimentar as entradas com as devidas correções. Ou seja, é preciso haver um elo de ligação das saídas com as entradas. Quantas placas foram alimentadas? Quantas deram defeitos? Qual a performance de defeitos da minha linha? E as respostas para essas perguntas podem ser obtidas investigando quaisquer falhas que são detectadas ao longo do processo. Um dos locais ideais é o estágio de inspeção óptica (AOI). Isso significa que os defeitos do processo SMT devem ser detectados de forma rápida e corrigidos mais rápido ainda de forma a evitar as que muitas placas sejam montadas com o mesmo problema

Considerações finais

Ressalto que o processo de montagem de PCBs e o processo SMT aqui abordados neste texto foi consideravelmente simplificado, visto que, a ideia era fornecer uma visão geral dos mesmos. Portanto, não me apegueis aos detalhes mais técnicos e mais profundos inerentes processo de SMT, o propósito não era esse. Como já disse, o propósito era prover a todos, uma visão geral e um entendimento desse interessante processo de fabricação.

Um grande abraço e sucesso a todos!

Francinei Rodrigues é especialista em qualidade, com mais de 16 anos de experiência na área de qualidade e processo de manufatura.”

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Last modified: 22 de abril de 2018

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