Adesivo
VI - Adesivo
Para a viabilização de alguns tipos de montagens SMD é necessária a utilização de “adesivo”. Este adesivo tem o objetivo de fixar o componente até que a sua soldagem tenha se completado, quer seja no processo de soldagem por dupla onda ou refusão.
A aplicação mais comumente utilizada é quando se tem PCI’s dupla face, isto é, com componentes SMD em ambas as faces e ainda outros componentes com tecnologia convencional. Normalmente a face superior é executada com o posicionamento e soldagem por refusão dos componentes SMD.
O próximo passo é a inserção automática dos componentes convencionais onde estarão devidamente fixados na face superior. Daí vira-se a PCI já que os componentes SMD estão soldados e os componentes convencionais estão devidamente inseridos e fixados.
A seguir é a aplicação do adesivo e o posicionamento dos componentes SMD na face inferior da PCI. Então este adesivo (epóxi, como veremos abaixo) é curado e a PCI totalmente populada estará pronta para entrar na máquina de solda por onda onde os componentes SMD e convencional da face inferior serão soldados.
Caso a empresa não possua equipamentos de inserção automática, o processo acima será alterado. A inserção dos componentes convencionais será manual e após o posicionamento e cura dos componentes SMD da face inferior. Neste caso o processo se torna crítico pois a inserção manual não tem como ser controlada em relação a força de inserção dos componentes convencionais. O resultado pode ser a descolagem de algum componente SMD da face inferior durante esta operação e a conseqüente falta do mesmo após a soldagem completa da PCI. Com cuidados extras como uma inspeção mais efetiva, podem diminuir esta possibilidade.
No momento da escolha técnica do dispensador de líquidos, deve-se notar uma característica típica deste tipo de equipamento: sua flexibilidade. O dispensador deve, não somente aplicar adesivo, mas também pasta de solda, resina epoxi e outros tipos de líquidos.
1. Tipos de Adesivo
Os adesivos estão divididos em duas famílias:
* Acrílico;
* Epoxi.
1.1 Adesivo Acrílico
Este tipo foi o mais utilizado na primeira fase do SMD em função do seu manuseio ser pouco crítico. Sua armazenagem não requeria condições especiais.
O adesivo acrílico necessitava luz ultravioleta para sua cura, portanto existia a necessidade do adesivo estar aparente para que isto ocorresse. Normalmente eram colocadas duas gotas de adesivo, deixando metade da gota exposta a luz ultravioleta, o restante da gota ou o que estava abaixo do componente era curada termicamente. Em função da necessidade de cura tanto por luz ultravioleta como térmica, os Fornos necessitavam possuir os dois sistemas.
Como vocês podem ver, toda as sentenças acima foram colocadas no passado. Este processo existiu no início da utilização do processo SMD. Apenas achamos conveniente citar de forma ilustrativa.
1.2 - Adesivo Epóxi
O adesivo epoxi, diferente do adesivo acrílico , necessita apenas de cura térmica e a uma temperatura inferior (geralmente 3 minutos a 150 graus Celcius).
Em função de sua cura ser unicamente térmica, não existe a necessidade do adesivo estar aparente, isto amplia sua janela de processo e reduz a perda de componentes por falha de cura.
Alguns fabricantes já possuem adesivos com cura epóxi que podem ser armazenados em temperatura ambiente com vida útil estimada em 6 meses. Caso sejam armazenados sob refrigeração, esta vida útil sobe para 9 meses.
2. Propriedades Físicas do Adesivo
Vários processos são utilizados para deposição de adesivo, basicamente todos têm o seu rendimento influenciado de algum modo pelas próprias propriedades físicas do adesivo, que são:
2.1 Força de Aderência
Vários fatores determinam a força de aderência. A cura do adesivo e a fixação do componente durante a passagem pela máquina de solda por onda dependem essencialmente das seguintes variáveis:
* Homogeneidade do adesivo;
* Tamanho das partículas que compõem o adesivo;
* Como o adesivo “molha” o componente e máscara de solda;
* Cura completa do adesivo;
* Superfície do componente e PCI;
* Perfil de temperatura do forno;
* Viscosidade;
* Aderência.
Como vocês podem ver, a quantidade de variáveis presentes em apenas um item nos permitem gerar uma avaliação bem mais crítica do processo de aplicação do adesivo. Devemos criar uma visão geral do processo e materiais envolvidos ao invés de nos limitarmos a analisar os dados que estão diante de nossos olhos.
2.2 Força de Molhagem (Green Strength)
Podemos também chamar esta propriedade física de força verde? Talvez, mas isto poderia nos causar uma certa confusão pois acharíamos que tem algo a ver com a máscara de solda.
Isto não deixa de ser verdade, mas a força de molhagem é a habilidade que o adesivo apresenta para fixar o componente e impedir qualquer deslocamento durante e após seu posicionamento.
O adesivo ainda não curado deve possuir força de molhagem suficiente para manter os componentes em suas respectivas coordenadas durante o manuseio e posicionamento.
Esta propriedade pode ser comparada (guardadas as devidas proporções) a força de aderência (tackiness) presente na pasta de solda.
A força de molhagem pode ser ampliada através do aumento da viscosidade do adesivo, mas isto dificulta sua aplicação.
Para que o adesivo seja fixado apropriadamente na PCI é necessário que toda e qualquer contaminação seja removida, tais como: óleos, graxas ou impressões digitais.
2.3 Tensão de Cisalhamento
O adesivo deve ter força suficiente para resistir às forças de cisalhamento que podem deslocar o componente durante movimentos e manuseios. A tensão de cisalhamento é testada através de um método bastante simples.
Utilizando um cupom com adesivo dispensado e este entre duas superfícies metálicas. Uma força de cisalhamento é então aplicada. A força requerida para separar o adesivo é considerada a carga máxima de cisalhamento. A força de cisalhamento é calculada dividindo a carga máxima de cisalhamento pela área.
2.4 Tensão de Torção
O teste da tensão de torção é utilizado para avaliar o torque necessário para retirar o componente que está colado na PCI. Neste teste pode-se utilizar um laminado FR-4 e depositar uma gota de adesivo de 1,25 mm de diâmetro. Posicionar um componente passivo (resistor 0805 ou 1206) de forma firme sobre o adesivo e efetuar a cura. Após esta operação, aplicar um torque no componente usando um torquímetro e medir no momento da ruptura.
Este teste é aplicado para verificar a resistência dos componentes em situações como impactos indesejados (quedas em geral) ou PCI’s com problemas de empenamento ou torção.
2.5 Força de Aderência
A força de aderência deve ser adequada para manter o componente colado na face inferior da PCI durante o processo de soldagem por onda. Cuidados devem ser tomados para assegurar que a força de aderência não é muita alta dificultando operações de retrabalho destes componentes.
3. Reologia do Adesivo
Caso o sistema de deposição gere calor ao adesivo durante a operação, teremos variações no formato da gota e conseqüentemente falhas ocorrerão.
Estas variações/falhas ocorrerão em função da força de cisalhamento e da viscosidade do adesivo que está sendo alterada em função do aquecimento gerado pelo sistema. É comum usuários reclamarem que o ajuste de pressão deve ser alterado durante o período para um mesmo resultado, justamente em função da alteração das características reológicas do adesivo durante o turno.
Não devemos esquecer que o adesivo é um material tixotrópico, isto é, muda de viscosidade quando sua temperatura se altera. Seja por excesso de temperatura, seja por atrito.
O mesmo raciocínio é válido com relação a armazenagem do adesivo. Alguns adesivos necessitam obrigatoriamente que a armazenagem seja efetuada em geladeira e obedeça às recomendações do fabricante quanto ao período de equalização da temperatura antes do uso, caso contrário o adesivo não apresentará um resultado satisfatório e será utilizado em condições desfavoráveis que poderão causar falhas no processo.
A reologia é o resultado da integração das variações das propriedades físicas descritas acima e a viscosidade. Portanto qualquer que seja a alteração destes itens trará resultados diferentes em função de todos fazerem parte de um mesmo sistema.
4. Aspectos Mecânicos que Influenciam a Deposição do Adesivo
O formato da agulha tem papel importante em função da tensão superficial do adesivo ser propício a formação de fio após a aplicação do adesivo. Uma boa agulha deve possuir um mínimo de superfície em contato com o adesivo, para evitar o arraste logo após a aplicação e o acúmulo de adesivo na ponta da agulha reduzindo a precisão do ponto. Outros fatores também contribuem para uma alteração considerável na deposição de adesivo. Iremos mencionar abaixo alguns tipos de dispensadores. São eles:
4.1 Seringa (ar comprimido diretamente no embolo)
O primeiro sistema de aplicação de adesivo utilizado foi a seringa, este sistema muito simples e prático ainda hoje é utilizado, porém com a necessidade de aplicação de gotas menores e com maior precisão este sistema não tem se mostrado eficiente.
Devido ao tempo e nível de desenvolvimento, este método permite ao usuário descartar as seringas vazias, limpar e/ou trocar as agulhas rapidamente. Este simplicidade de limpeza/manutenção deu a esta tecnologia vantagem competitiva sobre as demais.
As principais desvantagens aparecem quando se necessita de velocidades de deposição de adesivo mais elevadas (10000 a 50000 gotas por hora). Estas velocidades pesam na habilidade do ar comprimido responder rápido suficientemente e de forma repetitiva para que obtenha consistência na formação das gotas. Sistemas de visão e controle de temperatura são normalmente requeridos para superar esta deficiência da aplicação por pressão temporizada.
Conforme a quantidade de adesivo dentro da seringa vai diminuindo, a pressão se altera e o controle das gotas se torna crítico. Quanto menor a quantidade de adesivo dentro da seringa, menor a pressão a ser aplicada.
Gotas de adesivo em componentes 0805 e 0603 são inconsistentes. Nos 0402, gotas são de difícil aplicação e geralmente não são consideradas em ambientes de produção.
O sistema de aplicação por seringa assistida por ar comprimido é inerentemente mais lento que outras técnicas mencionadas neste capítulo, mas devemos salientar que este método é flexível e pode ser utilizado com uma gama considerável de materiais.
4.2 Pistão (Piston Pump)
Este método utiliza um pistão para forçar o adesivo no interior da agulha. Uma pressão constante de ar é aplicada na seringa. A seringa alimenta com adesivo a câmara onde o pistão vai atuar. O pistão efetua seu ciclo de deslocamento ascendente e descendente forçando a deposição do adesivo sobre a PCI.
O volume aplicado é pr2h. Esta bomba tem um deslocamento positivo através de movimentos mecânicos produzindo um volume fixo de deposição. A vantagem principal é a baixa formação de gotas fora das dimensões especificadas.
A maior desvantagem é o tempo de limpeza/manutenção requerido.
4.3 Pin Transfer
Este é um dos métodos mais rápidos de aplicação de adesivo na PCI. Este método proporciona a aplicação de todas as gotas simultaneamente permitindo assim, manter o fluxo de uma linha de alta produção.
Por se tratar de um sistema constituído de uma grade de pinos fixa, é essencial que o produto seja fabricado por um longo período, haja visto que qualquer alteração no “lay-out” da PCI iria necessitar uma modificação correspondente na ferramenta do “Pin Transfer”.
Este método é muito comum em aplicações na indústria automotiva em produtos como auto rádios.
Como acabamos de citar, o “Pin Transfer” é recomendado para grandes produções de PCI’s de dimensões médias (150 X 150 mm) e com alta população de componentes passivos.
Desvantagens existem também no processo de “Pin Transfer”. São elas:
1) Freqüentes trocas de produtos na linha SMD
Caso a característica de seu processo seja a frequente troca de produtos na linha de montagem, então o “Pin Transfer” será inviabilizado. Uma placa dedicada e uma grande quantidade de pinos devem ser disponibilizadas para cada modelo de PCI, tornando estas trocas caras e inconvenientes;
2) Alterações reológicas do adesivo
Este método requer um nivelamento na superfície do adesivo através de um rodo. O adesivo está acondicionado numa bandeja aquecida, onde os pinos são abaixados e tocam na superfície do adesivo. Esta bandeja tem uma larga área superficial exposta.
Adesivos absorvem água através do tempo e de superfícies expostas;
3) Temperatura de trabalho
A temperatura de trabalho é na faixa de 30 a 35o C. Os adesivos tendem gradualmente a se curar a elevadas temperaturas ao longo do tempo. O tempo de vida médio de um adesivo em aplicações “Pin Transfer” é de aprox. 6 semanas. Caso seja selecionado um adesivo de maneira incorreta, esta expectativa de vida pode ser reduzida drasticamente.
4) Estabilidade do adesivo
A habilidade do adesivo de produzir gotas de forma repetitiva e estável depende diretamente da estabilidade do adesivo. Gotas menores tais como 0603 e 0805 não são fáceis de serem produzidas neste método.
5) Manuseio e ajustes
Manuseios de rotina podem facilmente danificar os pinos. Ajustes de posicionamento e rotação não são possíveis pois o sistema de pinos fixos não permitem alteração de posição.
Como citamos anteriormente, este é um processo bem específico e de uso muito limitado. Dentro de seu conceito técnico apresenta vantagens quando tratamos de PCI’s de dimensões médias em altos volumes e componentes passivos. Se nossa produção não oferece este cenário, devemos necessariamente optar por métodos mais eficientes, baratos e flexíveis.
4.4 Stencil
Para definir se a aplicação de pasta de solda por stencil é a mais adequada para seu produto ou necessidade, algumas questões fundamentais devem ser respondidas. São elas:
1) O adesivo é projetado para imprimir em altas velocidades?
2) Quais solventes são compatíveis com o stencil e o material utilizado na confecção dos rodos?
3) O adesivo tem baixo ou alto ponto de rendimento?
Nota: Devido a importância deste item, o assunto sobre “ponto de rendimento” terá uma capítulo específico adiante.
4) Quais os tipos de rodos de impressão são compatíveis com o stencil (caso o stencil seja fabricado em Mylar ou material plástico)?
Além de responder a estas questões, o fabricante de adesivo deve entender suas necessidades e aplicações. Adicionalmente, o fabricante de stencil deve ter experiência com a fabricação e suas respectivas regras de especificação das aberturas.
Lembre-se que o stencil deverá se adaptar as características e especificações do adesivo. Portanto, defina o adesivo e então trabalhe no processo propriamente dito.
Outro ponto essencial é o trabalho de parceria com os fornecedores de equipamentos e materiais durante a definição do processo. No transcorrer no processo, esta atitude irá beneficiar a todos.
Muitos usuários afirmam que este seja o método de maior eficiência pelas razões que iremos mencionar abaixo.
* Pela necessidade de aplicação rápida e precisa de adesivo na PCI de forma compatível e balanceada em relação aos equipamentos de posicionamento (pick-and-place) presentes no mercado SMD;
* Adicionalmente, os novos desenvolvimentos de adesivos com propriedades reológicas próprias para uso em impressão serigráfica. Novas tecnologias de stencil também estão sendo introduzidas para viabilizar este método.
Os pontos fortes:
* Maior consistência na qualidade de deposição quando comparada ao processo de “Pin Transfer”;
* A deposição por serigrafia é mais rápida que a aplicação por “Dispenser”;
* Número ilimitado de pontos de adesivo aplicados num único ciclo de impressão. O tempo de produção não depende do número de pontos de adesivo;
* Alto grau de resistência na máscara de solda (green strength);
* Formato ilimitado dos pontos de adesivos impressos;
* Localização dos pontos de adesivos são definidos e fixos no stencil;
Pelo fato histórico da associação direta entre stencil e pasta de solda, alguns dos conceitos básicos sobre impressão de adesivo por serigrafia são geralmente corrompidos. Por exemplo, parece intuitivo que todos os pontos de adesivo depositados por serigrafia terão a mesma altura da espessura do stencil.
Esta relação de projeto da abertura do stencil e características do adesivo pode gerar pontos com alturas maiores e menores que a espessura do stencil.
Esta relação depende de diversos fatores incluindo as propriedades reológicas do adesivo e as características dos ângulos de saída (release characteristic) das aberturas do stencil.
O fenômeno de uma única espessura de stencil produzir diferentes alturas de pontos de adesivo é a chave para se obter sucesso na aplicação de adesivo por serigrafia. Para entender perfeitamente como isto ocorre, devemos notar que o comportamento do adesivo é totalmente diferente da pasta de solda.
Adesivos não se “soltam” completamente das aberturas do stencil, e em muitos casos, a quantidade de adesivo retida nas aberturas do stencil é superior a depositada na PCI.
Pontos menores (abaixo da espessura do stencil) são criados por pequenas aberturas. Mesmo após a separação do stencil em relação a PCI, as aberturas permanecem preenchidas.
Estes pontos serão menores e pontiagudos (similares aos pontos aplicados por “Dispenser”). Com aberturas maiores, deposições pontiagudas serão mais largas e maiores. Os pontos com maiores alturas serão criados por aberturas que apresentem uma relação entre área superficial da abertura X área superficial da PCI em 1:1.
Em aberturas maiores onde a área superficial da PCI é maior que a área superficial da abertura, a geometria do ponto tem o formato e espessura muito similar à abertura do stencil.
A atuais alturas de deposição obtidas dependem de vários fatores incluindo a espessura do stencil, e o mais importante, as propriedades físicas do adesivo.
Em relação a espessura e material do stencil podemos considerar que a espessura varia entre 6 e 20 mils (milésimos de polegada), dependendo das alturas de gotas requeridas e o aço inoxidável é o material mais utilizado devido sua durabilidade e precisão de deposição das gotas de adesivo. Também vemos alguns stencils fabricados em Mylar ou Plástico, que são menos duráveis e frágeis.
Considerando o stencil em aço inoxidável, as máximas alturas de gotas que podem ser obtidas correspondem a duas vezes a espessura da lâmina de inox.
Gotas entre 10 e 20 mils conseguem fixar por volta de 90% dos componentes que necessitam desta operação.
A espessura da lâmina de inox varia entre 6 e 12 mils, sendo que a espessura típica é de 8 mils.
Ponto de Rendimento (Yield Point)
É o a propriedade mais importante quando falamos sobre adesivos para SMD. O ponto de rendimento é simplesmente a força solicitada para mover o adesivo. Esta propriedade determina a altura e a relação altura X largura do ponto de adesivo.
Adesivos com alto ponto de rendimento (200-500 Pa.) produzem pontos com alta relação altura X largura, que mantêm suas formas e facilmente formam picos acima da espessura do stencil.
Adesivos com baixo ponto de rendimento (150-200 Pa.) produzem pontos com baixa relação altura X largura, gerando pontos arredondados e que geralmente apresentam altura nunca superior a espessura do stencil.
4.5 Parafuso de Arquimedes
Baseia-se no mesmo princípio utilizado por Arquimedes para retirar água do Rio Nilo e transportá-la para reservatórios. Atualmente podemos ver estes mesmos sistemas utilizados em silos de armazenamento e transporte de cereais.
Trata-se de uma rosca-sem-fim que, em rotação constante permite que os materiais em contato “subam” por suas hélices.
Sua utilização na área eletro-eletrônica exige parâmetros e requisitos precisos e confiáveis. Além de alta produção (aprox. 40.000 – 50.000 pontos/hora/cabeçote).
Este sistema baseado em aplicação volumétrica e com alta precisão e repetibilidade ( ± 2% @ 6 sigma). Por seu princípio de funcionamento, ainda permite aplicações de diferentes tamanhos de gotas no mesmo programa apenas alterando a altura da aplicação.
Outra vantagem deste sistema é que ele é considerado um aplicador de fluídos (adesivo, pasta de solda, fluxo, epoxi, entre outros). Nos outros sistemas o tipo de aplicação é dedicado por operar em faixas limitadas de viscosidade.
5. Correto Perfil de Aplicação
Muito se fala se o correto perfil de aplicação deve ser de forma piramidal, angular ou forma de gota. O perfil de aplicação é definido pelas diferentes viscosidades dos adesivos.
Os adesivos de alta viscosidade apresentam forma piramidal, os de baixa viscosidade apresentam forma angular e os adesivos de média viscosidade apresentam a forma de gota.
Estas viscosidades variam e dependem diretamente de cada fabricante. Sendo assim, é de extrema importância a verificação das especificações técnicas do adesivo para a definição geométrica e perfil térmico de cura.
6. Correta relação entre Diâmetro e Altura da gota
Apesar do termo é muito comum ouvirmos ou lermos o termo em inglês – Diameter to Height Ratio. Esta relação é fundamental para que ocorra uma aderência aceitável do componente na PCI. Caso esta relação seja menor que 1:2, a probabilidade de ocorrência de problemas se potencializa. Vou explicar melhor: caso a altura da gota não seja o dobro do diâmetro, esta relação estará comprometida.
7. Distância da Agulha
Quando estamos aplicando adesivo por equipamentos dispensadores de líquidos, o parâmetro acima é o mais importante. A distância da agulha interfere negativamente ou positivamente na produtividade do equipamento. Quanto maior ou menor seja o curso que a agulha terá que percorrer, menor ou maior será o tempo gasto para a operação de dispensa de líquidos. Devemos estar atentos aos terminais de componentes convencionais caso estes já estejam inseridos. Esta situação é comum quando os componentes convencionais são inseridos automaticamente. A atenção deverá ser principalmente na posição de dobra dos terminais e eventuais dobras que possam causar alterações na altura final do terminal. A agulha durante seu percurso poderá, eventualmente chocar-se contra o terminal e se danificar.
A distância da agulha depende de dois itens. São eles:
* Diâmetro interno da agulha;
* Diâmetro da gota dispensada.
Então qual é a distância ideal da agulha em relação a PCI?
A fórmula é de extrema simplicidade. Iremos adotar a abreviação DA para a distância da agulha e DIA para diâmetro interno da agulha.
DA = DIA/X
Como a representação acima é uma operação inversamente proporcional, quanto mais aumentamos o diâmetro interno da agulha, menor o nosso valor “X “ se apresentará.
Temos uma recomendação para que você inicie seu trabalho. A fórmula ficaria da seguinte forma:
DA = DIA/3
Caso você ainda não esteja convencido sobre a importância da distância da agulha, considere que são duas as tensões superficiais que você deverá levar em consideração:
1) A tensão superficial entre a agulha e o adesivo;
2) A tensão superficial entre o adesivo e a PCI.
Podemos minimizar as tensões acima mencionadas. O uso de agulhas com pontas chanfradas reduzem a tensão superficial entre o adesivo e a agulha.
8. Tempo de Resposta
Todos os sistemas têm este tempo de resposta. Ele se refere ao tempo entre o comando de dispensa e o momento que adesivo é dispensado sobre a superfície da PCI.
Caso este tempo de resposta seja insuficiente, a tensão superficial correspondente entre a ponta da agulha e adesivo vai ser maior que a tensão superficial do adesivo e PCI. Resultado: o adesivo tende a ficar em maior quantidade na agulha.
Para que tenhamos uma deposição correta, é necessário que ocorra exatamente o contrário. A maior tensão superficial deverá ser entre o adesivo e PCI.
9. Retorno do Eixo Z
O retorno do eixo Z também deverá apresentar o que chamamos de “Efeito Snap-Off”, ou seja, o cisalhamento do adesivo deverá ocorrer da forma mais harmônica possível. O retorno do eixo Z incorreto vai produzir gotas com volumes e formas variadas.
Parâmetros Importantes de Dispensa de Adesivos
Correta Distância da Agulha;
Respeitar as opostas Tensões Superficiais;
Utilização de agulhas chanfradas;
Correto Tempo de Resposta;
Correto Retorno do Eixo Z;
10. PCI’s empenadas
Para que possamos ter uma aplicação adequada de adesivo sobre uma superfície devemos levar em consideração alguns itens adicionais aos citados imediatamente acima. Devemos ter uma superfície estável, com boa fixação e com planicidade bem definida.
São muitos os problemas que podem ocorrer caso tenhamos PCI’s empenadas. São eles:
* Variação da altura da superfície que receba o material dispensado;
* Variação da DA;
* Formação de rabichos e fios;
* Má repetibilidade de formato e tamanho das gotas;
* Controle deficiente de processo;
* Janela de Processo menor.
A utilização de suportes mecânicos (prensa chapas e limitadores), sensores de medida de altura, detectores a laser ou câmeras auto-foco.
Os suportes mecânicos (prensa chapas e limitadores) solucionam quase 99% dos casos de empenamentos, além de custo relativamente baixo e com baixa interferência nas taxas de produtividade.