Dicas e Truques de Montagem

Após finalizar o seu projeto de PCB no Altium e os PCBs terem chegado, é hora de pensar em como montar as placas para verificação. Seja para produção em massa ou para fins de prototipagem, um designer deve estar ciente das técnicas de montagem. Deve fazer parte do processo de revisão do projeto garantir que a placa tenha sido verificada quanto a problemas de Design para Montagem (DFA). O foco principal deste artigo será a montagem manual, então compartilharei várias dicas e truques da minha experiência, como seleção de estêncil e pasta de solda, desafios de delta de temperatura, soldagem de componentes, etc.

Crie um Estêncil de Pasta de Solda

Antes de mais nada, usar um estêncil para espalhar a pasta de solda é um enorme economizador de tempo comparado a dispensá-la com uma seringa. Quase todas as casas de fabricação de placas de circuito protótipo no mundo oferecem estênceis sem moldura ultra-baratos, ou algumas empresas oferecem serviços independentes para produzir protótipos de baixo custo. Dito isso, vale cada centavo não ter que soldar manualmente cada componente de montagem em superfície, e é muito mais fácil ao mesmo tempo.

Embora existam diferentes processos ou materiais para a produção de estênceis, simplesmente trata-se de ter aberturas de terra de solda em uma folha de metal fina, geralmente aço inoxidável. Dependendo do tamanho mínimo de pitch na arte, estênceis cortados quimicamente ou a laser podem ser usados. O corte químico é ótimo se o seu design tiver componentes de pitch muito fino. Os tamanhos menores de pad também determinam a espessura da chapa metálica para que a proporção correta possa ser preservada para a quantidade correta de descarte de pasta de solda. Prototipagem e produção em pequenos lotes geralmente não requerem uma moldura ao redor do estêncil, a menos que você planeje usar máquinas de montagem, então optar por um estêncil sem moldura reduzirá o custo.

De uma perspectiva diferente, se você é mais adepto do faça você mesmo e tem acesso a um cortador a laser, você pode até produzir um estêncil a partir de transparências de impressora a laser.

Você pode ter tentado cortar uma folha a laser. Pode não ter ido muito bem, resultando em uma bagunça derretida. No entanto, é aqui que as transparências de impressora a laser entram em jogo, onde as folhas de acetato podem suportar temperaturas mais altas e têm aproximadamente a espessura certa. Tudo é uma questão de gerenciamento térmico, e existem alguns truques para melhorar a operação de corte a laser de um estêncil. Primeiro, como as folhas de acetato são leves, você não quer cortar diretamente na cama do laser, pois elas podem facilmente se mover durante o processo. Minha solução preferida é usar uma seção plana de caixa de papelão embebida em água para a primeira camada, que é coberta com uma folha de papel de cópia também embebida em água. Em cima disso, é adicionada a folha de transparência e outra folha de papel de cópia embebida em água. Pode-se pensar que é muita água para encharcar as coisas, mas um feixe de laser não tem problema com água; pelo contrário, mantém tudo agradável e fresco para que o estêncil não derreta. Você pode diminuir a assistência de ar para um nível mínimo que não seque o papel e mantenha a lente limpa.

Mantenha a velocidade de movimento baixa, a menos que você tenha uma máquina de alta performance como Trotec ou Epilog. Alguns lasers podem desviar das correias, resultando em cantos imprecisos e destruindo as pequenas divisões entre os pads de componentes de pitch fino. Como última configuração, o nível de potência deve ser ajustado para cortar a primeira camada de papelão, mas não completamente, garantindo que você tenha potência suficiente para cortar de forma limpa sem calor desnecessário.

Fixação e Aplicação de Pasta

Depois de ter o estêncil, é crucial alinhá-lo precisamente em cima da placa de circuito. Colar placas de circuito extras de projetos antigos na minha mesa para formar uma moldura foi minha solução até que recentemente cortei uma placa de acrílico a laser para fazer meu estêncil. Não precisa necessariamente ser uma superfície cortada a laser, mas qualquer coisa rígida e plana, como uma prancheta ou tábua de cortar, deve fazer o mesmo trabalho.

Em vez de usar PCBs restantes para segurar a placa na minha folha de acrílico, também imprimi em 3D contornos de placa com uma borda que garante que o estêncil não fique em nada mais alto que a superfície da placa. Ter o estêncil repousando suavemente na superfície superior da placa ajudará a reduzir o efeito de manchas, mantendo a placa em contato com a placa durante todo o processo. Também achei útil colar o estêncil em outro suporte de plástico que atua como uma dobradiça, permitindo que o levantemos de forma limpa. Não tenha medo de usar fita adesiva extra na borda oposta do estêncil para evitar qualquer deslocamento, pois o alinhamento durante a aplicação é vital. Existem muitas maneiras de ter um alinhamento DIY preciso, especialmente após a revolução da impressora 3D, e esta é apenas uma delas.

O próximo passo é aplicar a pasta de solda, mas você deve ter a pasta adequada. Prefiro usar a série GC10 da Henkel Loctite em tamanho de malha T4 ou T5, onde quanto mais fina a malha, melhor a aplicação em pads pequenos. Esta pasta é perfeita para prototipagem por um par de razões. Primeiro, você terá mais de 8 horas de tempo de montagem antes que a pasta estrague. Além disso, para ser estável à temperatura ambiente, não precisa necessariamente ser armazenada na geladeira. Embora a pasta de solda de boa qualidade seja cara, um pote dela servirá bem além do final de sua vida útil. Não se preocupe se a pasta estiver vencida - como um truque para salvar a vida, em vez de jogar fora a pasta vencida que é difícil de estêncil, você pode apenas adicionar um pouco de fluxo em gel à pasta. O SMD291 da CHIPQUICK é de longe a melhor escolha para mim sobre qualquer outro fluxo em gel, e não consigo pensar em uma dupla melhor do que pasta vencida misturada com fluxo vencido.

Agora que você aplicou pasta em todos os pads, é hora de colocar os componentes. Pinças curvas são as minhas favoritas porque oferecem melhor visibilidade e precisão ao colocar os componentes. Ainda assim, eu aconselho fortemente a evitar pinças baratas vendidas em pacotes múltiplos a todo custo — elas não valem a pena. Você está procurando por pinças de aço inoxidável ou cerâmica ESD em um padrão 7SA. Eu também adoro ter cabos acolchoados, pois são muito mais confortáveis durante longas sessões de montagem.

Mantenha o Controle das Peças com o Assembly Assistant

Imprimir o desenho de montagem é uma opção para rastrear qual parte vai para onde. Recentemente, experimentei o Altium 365 Assembly Assistant, que é muito mais prático do que impressões. É fácil acompanhar o progresso da montagem pela população virtual da placa e funções de busca com um bom feedback visual. Clique no link se você quiser experimentar; talvez você não queira voltar para as impressões.

Quando você faz o refluxo da placa, a tensão superficial ajuda, dando-lhe alguma liberdade na precisão do posicionamento. Contanto que os terminais do componente toquem a pasta, a peça se alinhará durante o refluxo, facilitando sua vida ao colocar componentes pequenos, como o pacote 0201. Quando se trata de colocação de ICs, apenas certifique-se de que os terminais estejam alinhados com a pasta e não toquem um pad adjacente, depois deixe o resto para a tensão superficial. Não há necessidade de se preocupar se não estiver corretamente posicionado durante o refluxo, porém; se você estiver inseguro, dê um pequeno empurrão no IC enquanto o solda ainda está líquida, e ele voltará para sua posição ou sairá do alinhamento. Você pode pegá-lo e ajustá-lo novamente se estiver fora do alinhamento.

Uma simples estação de retrabalho a ar quente controlada por temperatura geralmente é adequada para o refluxo da maioria das placas. A estação de retrabalho estilo 858D tem servido bem ao propósito por mais de uma década no meu laboratório; é barata e faz o trabalho bem o suficiente. Apenas esteja ciente de que sua bancada e o tapete ESD podem derreter durante o refluxo. Eu uso folhas de silicone em estilo pirâmide para manter a placa aquecida e isolar o topo da minha bancada. Você não precisa ir ao gasto de um forno de torradeira para um refluxo; no entanto, se você escolher, confira o picoReflow, que é um projeto de código aberto que assume o controle do seu forno.

O processo de refusão pode se tornar um pouco complicado se você tiver uma placa com muita massa térmica, como núcleos de metal ou várias camadas de cobre de alto peso. Levar calor suficiente para a placa pode demorar mais, fazendo com que seu fluxo evapore antes que a solda esteja completamente refluída. Você pode precisar considerar o uso de um pré-aquecedor, já que a estação de refusão por si só pode não ser suficiente. Se você estiver disposto a arcar com o custo, a JBC fabrica alguns dos melhores pré-aquecedores profissionais. Estou usando a alternativa de custo relativamente baixo Quick 854, que tem uma área aquecida limitada e controle. Alternativamente, uma frigideira elétrica barata ou uma chapa Teppanyaki é uma alternativa econômica para pré-aquecedores profissionais; no entanto, eles têm um controle de calor ruim que alterna entre superaquecimento ou não fornecer calor suficiente.

Se seu laboratório tem um pré-aquecedor, você pode pensar em usá-lo para todo o processo de refusão. Embora sejam capazes, eu prefiro não usá-los para refusão. Em vez disso, gostaria de usá-los para aquecer a placa até a temperatura de embebição da pasta, e então usar minha estação de ar quente para aquecer a placa seletivamente – uma área de cada vez, o que me permite monitorar o derretimento da solda. Fazer isso também reduz meu tempo de retrabalho para problemas de montagem, já que posso corrigir quaisquer problemas na hora. Não é uma substituição completa para um forno de refusão industrial de múltiplas zonas. Ainda assim, apenas uma pequena porcentagem das minhas placas apresenta problemas como tombstoning ou colocação desalinhada.

Componentes through-hole são os últimos no processo de montagem. Você deve começar a montagem through-hole assim que a placa esfriar o suficiente para manuseio, especialmente se sua placa tiver muita massa térmica. Trabalhar com a placa aquecida diminuirá o delta de temperatura e facilitará sua vida durante a soldagem. Vale mencionar que uma estação de solda de boa qualidade ajudará muito, além de selecionar a geometria de ponta certa. Prefiro pontas de cinzel em vez das cônicas, que geralmente são mais problemáticas do que valem. Se você tem componentes through-hole com muita massa térmica (como blocos terminais), aquecer o terminal é mais desafiador do que aquecer a placa. Considere usar uma ponta especializada com uma seção côncava para lidar com esses. Não importa se a ponta é maior que o componente ou terminal; a tensão superficial ajudará muito. Eu uso felizmente uma ponta de 3mm de largura para retrabalhar peças 0402.

Com todas as dicas e truques, prototipagem com componentes de montagem em superfície seria muito mais fácil e rápida do que prototipagem com peças through-hole. Tente prototipagem interna; não leva muito tempo, desde que você mantenha a contagem de componentes dentro de limites gerenciáveis por si mesmo. É também uma espécie de meditação, e eu acho bastante relaxante. Acompanhe para mais dicas de montagem para um grande número de componentes, montagem pick-and-place, e assim por diante.

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