Tipos de Soldagem de PCB e o Processo de Montagem

Lembro-me de quando comecei a trabalhar em um laboratório e tinha que ocasionalmente soldar fios em contatos metalizados. Estávamos trabalhando com materiais semicondutores, mas os mesmos materiais podem ser usados na soldagem de PCBs, é tudo uma questão de escolher a mistura certa para se encaixar no processo de fabricação de PCB.

O processo de fabricação de PCB envolve múltiplas etapas, desde a fabricação da placa nua até a montagem e embalagem. Como parte da montagem de PCB, existem diferentes tipos de solda para PCB usados para montar componentes. Diferentes soldas têm diferentes características mecânicas, considerações de segurança e preocupações com descarte que devem ser consideradas ao planejar a montagem. A transição para eletrônicos livres de chumbo está empurrando o uso de solda à base de chumbo para as margens.

Não entrarei no debate sobre solda à base de chumbo versus livre de chumbo por enquanto, já que a internet tem muito a dizer sobre isso. Por agora, vamos nos ater a olhar para os diferentes tipos de soldagem de PCB, especificamente diferentes materiais e processos.

Materiais para Soldagem de PCB

Existem muitos tipos diferentes de solda disponíveis no mercado, e escolher o melhor tipo de solda pode parecer uma tarefa assustadora para o novo designer ou montador. As soldas são usadas para fazer conexões elétricas entre contatos metálicos, permitindo que a solda fundida (que é uma liga macia) forme um eutético que se funde ao esfriar. A mistura de metais que compõe uma PCB soldada determinará sua resistência mecânica após a solidificação, a temperatura de fusão necessária e quaisquer fumos liberados durante a soldagem. Podemos distinguir os tipos de materiais de solda de PCB pelo material do núcleo, constituintes metálicos e tipos de fluxo de solda.

Conteúdo Metálico

As misturas de solda de chumbo são conhecidas como soldas macias e são responsáveis pelo início da indústria eletrônica. Elas têm um ponto de fusão de cerca de 180-190 °C e uma vida útil de cerca de 2 anos. As ligas de solda à base de chumbo comuns incluem:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Outras proporções de Sn/Pb incluem 50/50, 30/70 e 10/90. O estanho é usado principalmente como o metal base, pois confere à liga um ponto de fusão mais baixo, e o chumbo inibe o crescimento de "whiskers" de estanho. Uma maior concentração de estanho garante que a junta soldada tenha maior resistência ao cisalhamento e à tração. O componente de prata em 62/36/2 Sn/Pb/Ag proporciona menor resistência de contato e resistência à corrosão. Note que existem outros tipos de solda (índio, liga de zinco, etc.), mas estes não são usados em PCBs, pois são incompatíveis com o processo de fabricação de PCBs.

As soldas sem chumbo estão ganhando mais popularidade desde que a União Europeia aprovou a Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS), que restringe o uso de chumbo em eletrônicos. Um problema com as soldas sem chumbo é que elas têm mais probabilidade de formar whiskers de estanho. Revestimentos conformais são frequentemente usados para prevenir a formação desses whiskers de estanho e para fornecer proteção contra umidade e corrosão.

O solda com núcleo de fluxo é vendido em um único rolo e contém um agente redutor no núcleo. Este agente redutor (que discutirei abaixo) remove qualquer filme de óxido nos contatos metálicos para garantir um contato elétrico com alta condutividade. O tipo de material contido no núcleo é outro ponto a considerar se você estiver soldando manualmente.

Material do Núcleo da Solda e Fluxo

Bobinas de solda ou pastas de solda conterão um destes tipos de materiais para fluxar os contatos metálicos durante a soldagem:

• Fluxo de ácido orgânico: Um fluxo baseado em ácido garante a remoção agressiva de óxidos dos contatos metálicos enquanto são soldados. Este fluxo é solúvel em água e requer que os resíduos sejam limpos após a soldagem para prevenir corrosão.
• Fluxo de resina: A resina é uma forma sólida de resina derivada de coníferas. O resíduo de fluxo de resina não causa corrosão, por isso é usado sempre que pode ser mais difícil remover resíduo de fluxo de ácido orgânico.
• Fluxo sem limpeza à base de álcool: Esses fluxos podem estar presentes na pasta de solda e podem ser misturados com resina. Eles também evaporam rapidamente durante o aquecimento e têm menos probabilidade de espirrar.
• Estanho de núcleo sólido: Algum fio de solda tem um núcleo sólido e não contém fluxo, então o fluxo precisa ser aplicado à mão. Esse tipo de solda é útil para soldagem manual, desde que o fluxo esteja disponível.

Uma vez que a soldagem é concluída, o fluxo utilizado durante a soldagem deixará para trás alguns resíduos na superfície da PCB que podem parecer pegajosos. Esses resíduos podem ser ligeiramente condutivos e conter sais, por isso normalmente são limpos após a montagem. Geralmente, assume-se que os resíduos do fluxo "no-clean" podem ser deixados na PCB após a montagem, mas é bem conhecido que este não é o caso. O fluxo "no-clean" deve ser limpo com uma solução alcoólica ou um spray de limpeza.

Os resíduos do fluxo "no-clean" precisam ser removidos de uma PCBA por várias razões. A razão mais importante é que os resíduos de fluxo são altamente higroscópicos, podem ser solúveis em água e contêm sais. Se a água for absorvida pelo resíduo, a corrente de fuga através do resíduo pode provocar corrosão em condutores expostos. Um processo de limpeza simples após a montagem previne isso.

Processos de Soldagem de PCB

Hoje, o tipo mais comum de solda em PCBs é a solda sem chumbo (Sn-Cu) com núcleo de resina. A menos que seu montador esteja trabalhando em uma placa única ou você esteja montando sua própria placa, a PCBA não será soldada à mão. Em vez disso, passará por um processo automatizado: 

• Soldagem por onda: Usada para componentes through-hole
• Soldagem por refusão: Usada para componentes SMT em um forno de refusão
• Soldagem seletiva: Usada quando um componente through-hole pode ser danificado pelo calor elevado ou é inadequado para os processos de onda e refusão
• Soldagem intrusiva: Usada para aplicar pasta de solda a componentes through-hole, e as juntas de solda são formadas nos furos durante a refusão

Primeiramente, fluxo/pasta é aplicado aos contatos metálicos na placa para reduzir a oxidação e uniformizar o fluxo do solda fundida, o que fortalece a junção soldada final em uma PCB. A maioria dos projetistas provavelmente assumirá que você precisa montar peças com terminais livres de Pb usando uma pasta de solda livre de Pb, mas essa não é uma exigência estrita. De acordo com um painel de especialistas em soldagem, não é incomum misturar esses materiais, embora esteja ciente de que a liga final que você forma pode ter propriedades mecânicas que ficam entre as ligas finais à base de Pb e livres de Pb.

Outro tipo de soldagem que envolve um processo de refusão é a soldagem intrusiva. Neste processo, pasta de solda é aplicada aos componentes de furo passante, e a montagem é refundida ou soldada seletivamente com um ferro de soldar. Quando é necessário um alto rendimento, a placa geralmente é passada por um forno para formar a junta de solda.

Durante a soldagem intrusiva, a pasta de solda aplicada infiltra-se no furo passante e se liga ao terminal do componente. O processo envolvido é bastante simples:

1. A pasta de solda é aplicada aos furos usando dispensação automática de pasta ou através de um estêncil
2. A placa é passada pelo refusão e as juntas de solda são formadas em um processo padrão
3. Os resíduos de fluxo da pasta são limpos e removidos das superfícies

Se um componente through-hole for soldado de forma intrusiva, então a pegada do PCB precisará ter uma abertura de máscara de solda aplicada ao redor do furo passante. Dependendo do tamanho do terminal e da área de solda, a abertura da máscara necessária pode ser bastante grande. Se a soldagem intrusiva for solicitada para o seu processo de montagem, seu montador pode recomendar aberturas de máscara de pasta, ou eles podem aplicar as aberturas necessárias em seus Gerbers. Sempre que houver dúvidas sobre o processo de soldagem, certifique-se de contatar sua casa de montagem para orientação.

Quando você precisar gerar entregáveis de fabricação para sua placa, incluindo quaisquer etapas de montagem necessárias e conformidade com regulamentações, use o conjunto completo de recursos de design e produção de PCB em Altium Designer®. Uma vez que você gere seus arquivos Gerber e outros arquivos de fabricação, você pode rapidamente criar desenhos de montagem e adicionar anotações para especificar seus requisitos de montagem. É fácil especificar os diferentes tipos de materiais de solda de PCB que você pode querer usar em sua próxima PCBA.

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