Lead Free

Com a constante necessidade de preservar o meio ambiente e maximizar o poder de reciclagem dos materiais utilizados atualmente, novas tecnologias estão constantemente sendo desenvolvidas para este fim.

No tocante a industria eletroeletrônica, além das dificuldades pelo uso de diferentes materiais, tecnologias de fabricação e reparo, obsolescência dos equipamentos entre outros, as dificuldades de recuperar, reaproveitar ou mesmo reciclar produtos avariados ou com tecnologia ultrapassada vêm se dificultando e também se tornando inviável. Diante deste fato, muitas empresas e pessoas preferem descartar seus equipamentos ou partes deles, tais como a placa de circuito impresso.

Estes materiais são coletados, algumas vezes prensados e então enterrados ou simplesmente lançados em aterros sanitários. Aí começa o problema.

Solubilidade do Chumbo

Os circuitos eletrônicos por serem essencialmente fabricados com um dos seus elementos chamado Chumbo (a partir de agora descrito pela sigla Pb) e este se solubiliza quando em contato com águas ácidas. Muitos podem perguntar se é difícil a ocorrência deste contato. Eu sinto falar que não, pois toda a chuva que cai atualmente é ácida. Logo, estas placas e circuitos em contato com água da chuva iniciam o processo de solubilidade do Pb.  O resultado final desta reação é a ocorrência da contaminação deste metal pesado que se deposita em nosso organismo e não é eliminado. Suas conseqüências em grandes concentrações são devastadoras, principalmente quando armazenado no cérebro ou fígado.

Mecanismo de Solubilidade

Vamos explicar este mecanismo de forma bastante rápida e clara através das reações abaixo mencionadas. Elas são auto-explicativas.

Vocês percebem que sempre o produto final é o Pb + água. Aí está o problema. Esta água contaminada vai até os depósitos de água que posteriormente nós consumimos.

Abaixo vamos ver um “slide” de uma empresa americana que simbolizou o evento acima mencionado.

Por outro lado somos usuários de modernos equipamentos que nos geram muito conforto tais como aparelhos de ar condicionado, máquina de lavar roupa, aparelhos de vídeo e áudio, computadores, eletrônica embarcada, entre outros milhares de exemplos. E a liga de Sn-Pb que é indispensável para efetuar a soldagem de componentes eletrônicos em suas respectivas placas de circuito impresso.

Consumo de Pb por produto

O Pb é amplamente utilizado na indústria mundial e suas aplicações são surpreendentes. Na minha opinião, que gostaria de enfatizar que é pessoal e subjetiva, me leva a crer que este movimento mundial para banimento do Pb se iniciou na indústria eletrônica devido a ser uma tecnologia de vanguarda, pelo curto ciclo de vida de seus produtos e pela massiva produção. Apesar disto podemos notar abaixo que outros mercados são grandes usuários de Pb.

Consumo de Chumbo por Produto

• Baterias automotivas – 80.81%

• Tintas, vidros e outros produtos químicos – 4,78 %

• Munições – 4,69%

• Folhas de Chumbo – 1,79%

• Tubulações – 0,72%

• Soldas (não-eletrônicas) – 0,70%

• Soldas (eletrônicas) – 0,49%

• Outras Aplicações – 6,02 %

A preocupação da indústria com o Pb

Em linhas gerais, a preocupação da indústria com a utilização de Pb e seu conseqüente banimento se dá devido a necessidade de preservação do meio ambiente, mas também em decorrência de todos os cuidados e prevenções que devem ser adotados no que tange a saúde humana. As formas que temos de absorver o Pb pode ser através dos atos de comer, beber ou fumar. A recomendação é que antes de qualquer um dos atos acima mencionados, deve-se lavar bem as mãos, evitando assim, qualquer contato com o Pb em forma de óxido, como anteriormente mencionado e descrito.

Assim sendo, fica aqui uma recomendação para usuários de solda eletrônica, seja em fio, barra ou pasta.

Lavem sempre suas mãos após a manipulação de solda e

antes de comer, beber ou fumar.

Ainda, no processo de soldagem que utiliza máquinas de solda por onda e existe a necessidade da limpeza e manutenção periódica dos tanques de solda, através da retirada dos óxidos (borra) dos potes e bocais, é extremamente recomendável o uso de máscaras para evitar que os óxidos em suspensão durante a limpeza possam ser inalados pelo operador que executa a limpeza e aos colaboradores que se encontram próximos da máquina de solda por onda.

A Alternativa

Acredito que a mesma força que temos para destruir, temos para recompor e reconstruir apenas usando a única capacidade que nos diferencia dos outros animais, que é nossa inteligência. Pensando desta forma, vários estudos foram iniciados à alguns anos atrás na Ásia, mais precisamente no Japão. Após vários anos e muitos experimentos, algumas ligas isentas de Pb começaram a ser criadas e desenvolvidas.

As ligas isentas de Chumbo, comumente chamadas na língua inglesa de “Lead Free”, doravante apenas descrita como LF, começaram a ser definidas utilizando vários metais, que iremos falar logo adiante.

O maior desafio seria definir uma composição metálica que atendesse as necessidades técnicas presentes na soldagem eletrônica. A substituição pura e simples da liga Sn-Pb seria a situação ideal.

Fontes de Pb nas montagens eletrônicas

O Pb está presente em todos os materiais utilizados na soldagem eletrônica, seja na placa de circuito impresso, seja nos componentes, bem como na solda propriamente dita.

A figura abaixo pode nos dar uma idéia do conteúdo de Pb em cada um dos componentes presentes na soldagem eletrônica.

Liga Estanho – Chumbo

Falando um pouco da liga Sn-Pb (Estanho e Chumbo), se a mesma for composta de 63% de Sn e 37% de Pb, ela se define como uma liga eutética, isto é, não possui fase pastosa, passando da fase sólida para líquida e vice-versa. Muitos podem perguntar a razão da importância da solda eletrônica ser eutética. A resposta é simples: quando mais rápido a solda se solidificar, menor será a chance do componente não ser soldado adequadamente ou se movimentar durante o transporte da placa de circuito impresso. Esta é apenas uma das vantagens da liga Sn63Pb37. Outro fator de fundamental importância é a temperatura de fusão: 183^o C, considerada baixa e ideal para evitar stress térmico em componentes e substrato (placa de circuito impresso). A grande desvantagem é o nosso tema principal: a presença do Pb e a necessidade de bani-lo do uso em soldagem eletrônica.

A substituição pura e simples

Seria ideal se a nova liga pudesse substituir a liga SnPb sem que nada a mais no processo sofresse qualquer alteração. Para que isto ocorresse algumas características precisavam estar presentes na liga LF, como por exemplo:

•        Temperatura de fusão estar próxima de 183^o C;
•        Temperatura de trabalho ser próxima de 230^o C;
•        Proporcionar a mesma molhagem (wetting) que a liga SnPb;
•        Resistência mecânica similar que a liga SnPb;
•        Utilização dos mesmos equipamentos e processo;
•        Preços reduzidos;
•        Condução termo-elétrica apropriada;
•        Disponibilidade estável e garantida;
•        Não causar problemas para o meio ambiente.

Infelizmente a maioria dos itens acima não pôde ser atendida, mas os cientistas e pesquisadores puderam selecionar algumas ligas que proporcionaram uma soldagem com excelente resistência mecânica, eliminação do Pb e com disponibilidade estável e garantida na natureza.

As ligas LF

Na eliminação do Pb, vários candidatos (metais) foram considerados para a referida substituição.

O Sn (Estanho) foi mantido, pois é o principal ingrediente na liga eutética Sn-Pb com 63% da composição. Além disto têm um ponto de fusão em torno de 230^o C, isto é, formam ligas que atingem a fase líquida em temperaturas desejáveis, está disponível na natureza, apresenta um custo razoável (apesar de ser 8X mais caro que o Pb), combina com outros metais formando uma liga eutética, entre outras razões técnicas.

Vamos citar abaixo alguns potenciais substitutos para o Pb e a razão de sua seleção ou não para compor a liga LF juntamente com o Sn. São eles:

•       Prata (Ag);
•       Indium (In);
•       Zinco (Zn);
•       Antimônio(Sb);
•       Cobre (Cu);
•       Bismuto (Bi)

Apenas um menção sobre uma legenda para facilitar os pontos positivos e negativos mencionados em algumas das ligas abaixo utilizaremos um sinal de (+) para enfatizar uma vantagem e um sinal de (-) para enfatizar uma desvantagem. O leitor vai poder tirar a conclusão por si próprio por que alguns metais foram selecionados e outros reprovados.

Zinco (Zn)

+            Barato;

+            Disponível;

+            Reduz ponto de fusão para níveis próximos da liga eutética;

-            Rápida e estável formação de óxidos (fenômeno denominado “Concretion  of    Solder Paste” – problemas com a vida da pasta, tempo sobre o stencil e aderência);

-             Redução na molhagem;

-             Problemas de robustez na união soldada por longo prazo devido à corrosão das ligas de Zn.

Indium (In)

+          Muito bom por reduzir o ponto de fusão;

+           Boas propriedades físicas (boa resistência e alongamento);

-            Caro;

-            Escasso;

-            Ponto de fusão muito baixo (114°C) na liga Sn/Ag/In, que pode degradar as propriedades térmicas de fadiga.

Liga Sn/Ag/Bi

+           Reduz ponto de fusão

+            Molhagem aceitável

+            Propriedades físicas excelentes (resistência e alongamento)

+            Excelentes propriedades em relação a fadiga para componentes SMD

-              Preocupação com baixo ponto de fusão (96°C) que degrada as propriedades térmicas (Thermal Cycling)

-             Restrições em relação aos filetes formados nos componentes convencionais devido à fase pastosa da liga.

Ligas LF em teste

Vários países estão envolvidos no desenvolvimento de ligas LF, sendo que muitas delas são apenas variações da liga SAC, que significa:

Sn – Estanho;

Ag – Prata e

Cu – Cobre.

A liga mais comum é a liga SAC 305, que significa que a liga contém 96,5% de Sn (Estanho), 3,0% de Ag (Prata) e 0,5% de Cu (Cobre).

O conteúdo de cada metal varia dependendo da aplicação, temperatura e características técnicas desejáveis.

No Japão temos as seguintes ligas em estudo ou já implementadas:

•       Sn/Cu
•       Sn/Zn
•       Sn/Ag
•       Sn/Ag/Cu
•       Sn/Ag/Cu/Sb
•       Sn/Ag/Bi/Cu/Ge

Nos Estados Unidos temos as seguintes ligas em estudo ou já implementadas:

•       Sn/Cu
•       Sn/Ag
•       Sn/Ag/Cu
•       Sn/Ag/Cu/Sb
•       Sn/Ag/Bi/Cu

Na Europa temos as seguintes ligas em estudo ou já implementadas:

•       Sn/Cu
•       Sn/Ag
•       Sn/Ag/Cu
•       Sn/Ag/Cu/Sb
•       Sn/Ag/Bi/Cu
•       Sn/Ag/Bi/Sb

Situação atual da tecnologia Lead Free nos principais continentes:

•        Ásia (principalmente pela forte influência do Japão)

Os países da Ásia são fornecedores de bens de consumo e outros equipamentos eletrônicos que contenham circuitos eletrônicos para todo o mundo, mas principalmente para o Japão. Desta forma, qualquer empresa que queira fornecer para estes dois mercados, deve ter o processo Lead Free implementado.

No caso específico do Japão, a proibição do uso de Chumbo em ligas para soldagem eletrônica já tem regulamentação desde janeiro de 2003, tanto que 90% das empresas domésticas no Japão já tinham migrado para esta nova tecnologia.

A JEITA (Japanese Electronic Industry & Tecnology Association) vem desenvolvendo e aprimorando as normas para o processo Lead Free e atualizando “Road Map” de Tecnologia. A recomendação é sobre a liga SAC 305 e existem fortes investigações para a liga Sn-Bi-Zn (Estanho-Bismuto-Zinco).

•        Europa

Apesar da forte resistência inicial devido a mudança de tecnologia que necessitaria de uma revisão total no processo e também na substituição dos equipamentos de produção, a Comunidade Européia chegou a uma data limite que é dia 01 de Julho de 2006. Para o mercado automobilístico onde os produtos fabricados são itens de segurança, tais como, módulos de injeção eletrônica, Air Bags, etc., algumas empresas estão considerando que o limite será 01 de Janeiro de 2008. Vamos falar das diferenças entre as tecnologias mais adiante e assim estes esclarecimentos virão.

•        Estados Unidos

Devido ao grande parque industrial instalado e a enorme variedade de produtos, sendo em sua maioria de alta tecnologia, qualquer mudança envolve uma quantia estrondosa de investimentos. Analisando por esta ótica, a resistência que houve, inicialmente, pela Europa se estendeu e delongou pela maior potência mundial. Aos poucos este processo de mudança vem ocorrendo e, grande parte dos fabricantes e montadores de placas de circuito impresso está se adequando a tecnologia Lead Free.

•        Brasil

Praticamente todos os fabricantes de produtos eletrônicos de origem Japonesa e um grande número de empresas asiáticas que estão instalados no Brasil já migraram para a tecnologia Lead Free. E agora, a partir de 01 de Julho de 2006, as empresas européias efetivam este migração, apesar da grande maioria já ter adotado este postura. Atualmente a relação de tecnologia SnPb e Lead Free está por volta de 60% e 40%, respectivamente, e com grande taxa de crescimento. Ou se produz com tecnologia Lead Free, ou está fora do mercado Europeu e Japonês.

Curva comparativa entre os processos SnPb e Lead Free

Seleção de Liga – Fase Líquida

Como podemos constatar nas duas figuras acima, temos:

Na liga SnPb temos dois metais que trabalham muito bem juntos pois proporcionam uma boa temperatura de fusão (ponto eutético de 183^o C) mas atomicamente não são compatíveis, o que é bom, pois além da capacidade natural de difusão do Pb, esta característica é otimizada devido a incompatibilidade entre os dois metais. O que não ocorre na liga Lead Free SnAgCu, que tem uma maior tensão superficial, que significa dizer menor difusão.

Logo não esperem que a solda Lead Free tenha a mesma aparência, volume e preenchimento do que a liga SnPb.

Guia de sugestões das ligas Lead Free

•       Liga Eutética Sn/3.5Ag. Apesar de muito pouco utilizada, devemos menciona-la para efeito informativo. Em sua composição temos 96,5% de Sn (Estanho) e 3,5% de Ag (Prata). Notem que não temos a presença do Cu (Cobre). Sendo assim devemos nos atentar a problemas relacionados a dissolução de Cu durante a soldagem. Como mencionei anteriormente a função da Ag na liga é a formação da camada intermetálica (Sn₃Ag) que dará a aderência entre componente e PCI. A função do Cu (Cobre) é reduzir ou eliminar a possibilidade de dissolução deste elemento. Mas cuidado, o Cu deve ser inferior a 0,9% pois senão se torna um incoveniente contaminante.
•    Liga Eutética Sn/0.7Cu. Esta liga é apenas considerada para aplicações em soldagem por onda por razões comerciais. Sua temperatura típica de fusão é em torno de 228^o C.
•      Sn/3.0-4.0Ag/0.5-1Cu*. As ligas de maior preferência são a SAC 305 e SAC 405. Uma regra básica para aprender a interpretar estes códigos é colocando virgulas entre os números. Veja o exemplo abaixo:

SAC - SnAgCu

SAC 3,05 – significa que a liga tem 3,0% de Ag

SAC 30,5 – significa que a liga tem 0,5% de Cu

O restante do metal é Sn

•       Existem esforços para viabilizar a liga Sn/Ag/Bi/Cu