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Retrabalho de PCI´s

Retrabalho de PCI’s

Introdução

A situação ideal seria não haver a necessidade de reparo e/ou retrabalho em nenhuma união intermetálica da PCI. Esta situação nos levaria a crer que todos os componentes, matérias primas e processo produtivo estariam em sua condição perfeita e sem nenhuma influência externa.

Bem, como nossa realidade demonstra um cenário diferente desta situação “perfeita” apresentada acima, vamos discorrer sobre este assunto polêmico e extremamente inconveniente.

Existem vários pontos conceituais a serem considerados. Um deles é a própria definição de defeito e como e quando se faz necessária a interferência do operador para efetuar a correção detectada em um defeito de soldagem da PCI.
Primeiramente vamos definir confiabilidade de um produto: “É a habilidade de um ponto soldado durar por um período máximo em um produto, sob condições extremas de utilização”. Em outras palavras, as junções soldadas não devem apresentar falhas durante a vida útil de um produto apesar de um uso impróprio, guardadas as devidas proporções.
Desta forma, um reparo significativo envolve mais que utilizar um ferro de solda em uma PCI após a máquina de solda ou forno de refusão. É imperativo distinguir entre um retrabalho de ordem funcional e um retrabalho coméstico, por muitas vezes, totalmente dispensável.

No processo de revisão de componentes de tecnologia convencional após a soldagem por onda, notamos um grupo de operadores efetuando uma série de soldagens onde os critérios de análise são subjetivos e muitas vezes não obedecem as normas definidas para o produto em produção.

O aquecimento adicional na união intermetálica reduz a confiabilidade e deve ser evitado.

Para cada tipo de produto temos uma norma a ser seguida. O que geralmente acontece é que queremos seguir um critério universal de qualidade. Muitos destes critérios foram adotados e desenvolvidos historicamente e especificados por comitês. Não existe dúvida que uniões intermetálicas devam ser da melhor qualidade possível, mas em muitos casos, existem excessos.
É importante entender o verdadeiro propósito decada retrabalho. Esta operação deve estar limitada a atingir um padrão de soldagem bem definido.
As propriedades metalúrgicas da solda são preservadas quando limitamos a quantidade de contaminação obtidas a partir dos metais presentes na periferia dos filetes (cobre, ouro, etc.). Estas contaminações ocorrem de maneira considerável durante o ciclo de aquecimento enquanto a solda é derretida. Adicionalmente, temos que minimizar, tanto o tempo como a temperatura de contato durante a fase líquida da solda no ciclo de retrabalho e/ou reparo.

As propriedades metalúrgicas da solda são preservadas quando limitamos a quantidade de contaminação obtidas a partir dos metais presentes na periferia dos filetes (cobre, ouro, etc.). Estas contaminações ocorrem de maneira considerável durante o ciclo de aquecimento enquanto a solda é derretida. Adicionalmente, temos que minimizar, tanto o tempo como a temperatura de contato durante a fase líquida da solda no ciclo de retrabalho e/ou reparo.

Os componentes também sofrem danos com o calor proveniente das ferramentas de reparo/retrabalho, especialmente se este calor for aplicado em um componente “frio” causando um choque térmico localizado. Operações de reparo/retrabalho no lado solda da PCI, bem distantes dos componentes, devem ser regra básica e fundamental. Efetuar qualquer reparo/retrabalho no lado componente de tecnologia convencional poderá causar falhas no componente e reduzir sua vida útil. Esta regra não se aplica integralmente para os componentes de tecnologia SMD, haja visto que muitos componentes devem ser retrabalhados diretamente em seus terminais. Existem exceções a serem observadas.

Para o leitor, a impressão inicial pode ser que o reparo/retrabalho é abominável. Não podemos ser tão incisivos, mas devemos alertar que o reparo/retrabalho é indesejável. O lema principal é: “Faça a coisa certa na primeira vez”.

A seguir vamos discorrer sobre as várias formas aplicadas na operação de reparo/retrabalho, os diferentes processos utilizados e as ferramentas apropriadas.

Planejamento inicial para a operação de reparo/retrabalho

A operação de soldagem é um processo reversível e refundir a solda possibilita a correção dos erros causados durante o processo tradicional de soldagem, seja ele em tecnologia convencional ou SMD. A remoção e derretimento da solda permite que a substituição dos componentes seja relativamente simples. Mas alguns requisitos devem ser observados e seguidos para que isto ocorra dentro de uma normalidade. São eles:

* Padrões de reparo/retrabalho definidos;
* Operadores qualificados;
* Inspetores de qualidade treinados;
* Ferramentas apropriadas (ferros de solda, jatos de ar quente, etc.);
* Solda (fio ou pasta) e fluxos apropriados;
* Equipamentos periféricos (esponjas, suportes, etc.);
* Procedimentos de limpeza e seus materiais;
* Técnicas específicas de reparo/retrabalho;
* Fluxo lógico de operações.

Armados com estas ferramentas, podemos iniciar o procedimento de reparo/retrabalho que irá intensificar a qualidade do produto com um custo razoável. Reafirmamos que cada fabricante tem um diferente requerimento devido ao projeto e utilização.
O treinamento é a forma mais efetiva de obter uma operação de reparo/retrabalho otimizada. O treinamento não deve se limitar aos operadores; devem ser incluídos os inspetores. Supervisores, engenheiros e gerentes devem estar informados sobre os detalhes do processo para que possam auxiliar e/ou intervir quando necessário.

Ferro de Solda

A ferramenta principal para operações de reparo/retrabalho é o ferro de solda e ferramentas similares. Apesar deexistirem sofisticados sistemas automáticos de reparo/retrabalho, esta operação manual ainda ocupa seu espaço de maneira expressiva.

O ferro de soldanão recebe muita atenção dos comunidades técnicas, provavelmente por causa do grau de tecnologia envolvido no processo de soldagem manual.Porém, uma ferramenta especificada erroneamente pode causar prejuízos considerados em termos de confiabilidade e geração derefugos. Isto se aplica não só para grandes componentes de tecnologia convencional como também para componentes em tecnologia SMD.

A classificação dos ferros de solda é muito simples e a escolha deve ser feita seguindo os critérios técnicos e bem específicos. Esta escolha poderá definir o sucesso ou fracasso na operação de reparo/retrabalho.

Estas operações necessitam de uma considerável parcela de participação e/ou interferência do operador, isto é, qualquer ferramenta, processo ou informação pode influenciar na qualidade final do reparo/retrabalho.

Vamos a classificação em três categorias principais:

Ferros com temperatura fixa;
Ferros com temperatura limitada;
Ferros com temperatura controlada.

1. Ferros com temperatura fixa: São aqueles mais simples e comuns. Apresentam baixo custo e são muito populares. São ligados diretamente na “tomada”, e emitem calor enquanto conectados. São definidos por sua potência, o que pode ser um engano quando estivermos relacionando esta potência com uma certa temperatura. Esta característica não define termicamente o ferro de solda. Podemos considerar a temperatura da ponta, capacidade de aquecimento, taxa de recuperação da temperatura e as variações da temperatura durante repouso e sobre carga térmica.
Após uma avaliação considerando os pontos acima mencionados podemos selecionar adequadamente o ferro de solda ideal para a linha de produção ou no reparo/retrabalho.
Para uma medição consistente sugerimos a utilização de um termopar fixado na ponta do ferro de solda e um aparelho de levantamento de perfil térmico, tipo Super M.O.L.E ou similar, para obtermos as temperaturas nas diferentes situações.

2. Ferros com temperatura limitada: São projetados e construídos para operações de reparo/retrabalho. Possuem tecnologia avançada e sua fonte de potência emite RF além do conjunto ponta/elemento de resistência estarem conjugados. As temperaturas são definidas pelo conjunto ponta/elemento de resistência em faixas que variam entre 500º F e 800º F.

Estes ferros de solda estão agregados emestações de reparo/retrabalho que não possuem potênciometros , já que a temperatura de trabalho é definida pela ponta e cada temperatura de operação é definida pelo pessoal de processo. Esta definição preliminar da temperatura pelo pessoal de processo e a impossibilidade de sua alteraçãopor parte do operador proporciona um controle de processo otimizado e totalmente seguro.

3. Ferros com temperatura controlada:

Ferros com temperatura controlada: Possuem as mesmas características que os ferros com temperatura limitada, porém comum potênciometro que permite alterar a temperatura de trabalho. A tecnologia de transferência de calor é convencional, isto é, utilizam um sensor na ponta que “sente” a alteração em sua temperatura, enviauma informação para a fonte de potência que se encarrega de aquecer a ponta através do elemento de resistência. Este longo percurso não permite recuperações rápidas da temperatura. É comum encontrarmos estações com temperatura controlada ajustadas para operar com mais de 400o C. Isto significa que a temperatura excessiva causa uma formação de uma camada intermetálica mais espessa, diminuindo a qualidade da união soldada. Também estamos deixando a decisão da temperatura mais adequada para o operador, o que não é a situação mais recomendada.

Estação de Soldagem com ajuste de temperatura

através de teclado de membrana e indicador digital

Reparo/Retrabalho – Conceitos Gerais

Antes que possamos tratar deste assunto de forma mais direta, se faz necessário a descrição de alguns conceitos e princípios técnicos sobre os materiais envolvidos neste processo.

Iremos tratar desdecomo identificar os vários substratos, soldas (fio e pasta de solda), componentes e preparação da PCI.

I. Substratos
Material base onde se encontram todas as ligações elétricas e que recebem os componentes eletrônicos. A miniaturização dos circuitos é limitada devido as restrições mecânicas da PCI (placa de circuito impresso). Dependendo do grau de sofisticação, complexidade, densidade ou especificação do produto final, define-se o material do substrato.

a) Laminado FR-4
É constituído de fibra de vidro impregnada de resina epóxi. É o mais comum entre os substratos presentes no mercado de eletro-eletrônica. Seu uso é intenso em circuitos que necessitam de ligações elétricas entre suas duas faces pois é possível a metalização dos furos.Como o próprio nome define, possui características de retardante de chamas (FR = Fire Retardant).
Suas características principais são:

* Resistência;
* Capaz de suportar temperaturas relativamente altas;
* Coloração verde clara;* Coeficiente Térmico de Expansão aproximadamente 18 ppm/°C

b) Cerámico
Possui alta condução térmica (dissipa o calor rapidamente) mas é sensível a alterações bruscas de temperatura. Caso ocorra uma rápida mudança de temperatura, o laminado poderá trincar ou até se romper.
Suas características principais são:

* Frágil;
* Custo elevado;
* Coloração branca;* Coeficiente Térmico de Expansão aproximadamente 6 ppm/°C
c) Fenolite
Material de custo muito baixo, utilizado normalmente em circuitos eletrônicos de produtos de consumo tais como aparelhos de áudio, TV’s, etc.
Apresentam coloração marrom ou bronze. Seu uso limitado para circuitos de uma única face pois os furos não podem ser metalizados.
Resistência térmica e mecânica bem inferior ao FR-4.
d) Circuitos Flexíveis d.1) KaptonÒ
Feito de Poliamida e coloração marrom ou bronze. Transparente e atende a aplicações em ambiente de temperatura moderada. Entre os flexíveis é o mais comum.
d.2) Mylar
Coloração branca leitosa e translúcida. Baixo ponto de fusão (150°C)
d.3) Teflon
Opaco podendo ter qualquer tonalidade. Coeficiente Térmico de Expansão dez maior que o cobre (podendo delaminar em mudanças bruscas de temperatura).
d.4) Nomex
Nylon de alta temperatura. Normalmente apresenta coloração polida ou bronze clara.
d.5) Cu – Invar – Cu
Coloração verde e Coeficiente Térmico de Expansão próxima da Cerâmica. Normalmente laminado em 4 camadas.
d.6) Poliamida
Coloração marrom escura. Material com alta resistência térmica e Coeficiente Térmico de Expansão aproximadamente de 6.5 ppm/°C. Possui condutividade térmica intermediária (inferior à cerâmica).

II. Soldas

Como já dedicamos um capítulo específico para tratarmos deste assunto, iremos apresentar apenas um resumo que tem como objetivo principal orientar sua leitura.

Composição


Sn60/Pb40
Fusão completa em 190°C (374°F) iniciando seu processo de fusão em 183°C, logo com estado plástico de 7°C.

Sn63/Pb37
Liga eutética, logo sem apresentar estado plástico com fusão completa em 183°C (361°F).

Sn62/Pb36/2Ag
Liga eutética com fusão completa em 179°C (354°F). Contém 2% de prata. Proporciona aumento da resistência mecânica da união intermetálica e melhor molhagem (wetting) nos terminais dos componentes passivos.

III. Fluxo
Tem como objetivo principal remover as oxidações superficiais previamente à soldagem. Sua ativação ocorre normalmente em 110°C (230°C). Auxilia na ação da molhagem da solda.
Os tipos de fluxos também já foram citados anteriormente que são:

* R (Resinoso);
* RMA (Resinoso Mediamente Ativado);
* RA (Resinoso Ativado);
* Orgânico;
* Ácido;
* Hidrossolúvel;
* No-Clean

Cuidado!!!

Fluxos ácidos e orgânicos nunca devem ser utilizados na soldagem eletrônica
Recomendamos que exista compatibilidade entre os fluxos utilizados na Máquina de Solda por Onda, pasta de solda utilizada no Forno de Refusão e fluxos utilizados no Retrabalho.

Preparação dos componentes e PCI’s
O objetivo principal desta operação é a remoção completa de todas as contaminações (óleos, graxas, oxidações, etc.) previamente a soldagem.

Métodos de remoção

* Químico
a) Estanhagem – Processo no qual se adiciona solda para posteriormente remove-la;

b) Solvente – O passo final em qualquer operação de limpeza.

* Mecânico
a) Bastões abrasivos;

b) Pequenos conjuntos com motores e discos de abrasivos ou escovas. Este método não deve ser utilizado em componentes e PCI’s sensíveis a eletricidade estática.

Processos de transferência de Calor

* Condutivo

a)
Contato direto com o ponto soldado

Exemplos:
1. Ferro de Solda;
2. Onda de Solda.

* Convectivo
a) Aquecimento sem contato;

Exemplo:
1. Ar quente ou gás inerte (N2)

* Radiante
1. Infravermelho; 2. Laser.

IV. Condutividade Térmica (Dissipação de Calor)
Após termos visto de maneira muito sucinta as diferentes formas de transferência de calor, iremos tratar de forma um pouco mais ampla, tanto a dissipação de calor como o choque térmico.
Começaremos pela baixa condutividade térmica dos materiais. Materiais com esta característica tendem a se aquecer de forma rápida. Um exemplo típico é o FR-4, material base da PCI. Sua composição de resina e fibra de vidro favorece este rápido aquecimento.
Materiais com alta condutividade térmica promovem um aquecimento muito lento, ou em alguns casos, nenhum aquecimento.
Em se tratando de retrabalho, se faz necessário um pré-aquecimento, pois enquanto toda a área de PCI e componente não estiver aquecida de maneira uniforme, a soldagem não ocorrerá satisfatoriamente.
O pré-aquecimento proporciona alguns benefícios que são:

* Um aumento gradual de temperatura na área da solda anteriormente ao processo primário de aquecimento;
* Redução significativa dos riscos de choques térmicos;
* Redução da fuga de calor proporcionada pelas montagens e/ou componentes adjacentes;

Um exemplo típico de material com alta condutividade é a cerâmica.

V. Choque Térmico

É muito comum vermos o pessoal de processo tomando cuidados excessivos (com toda razão) em relação aos gradientes de temperaturas da PCI e componentes durante a soldagem por refusão. Normalmente o fabricante do componente especifica quantos graus por segundo o componente comporta durante períodos de pré-aquecimento, cura, refusão e resfriamento. Mas durante o processo de retrabalho/refusão, vemos um operador retirando um componente (aquele mesmo que o pessoal de processo tomou todos os cuidados) em segundos. Bom, será que foram respeitados todos requisitos básicos e especificações que citamos acima? Você responde.

Citamos no item IV que a PCI em FR-4 apresenta baixa condutividade. Isto minimiza a ocorrência de choques térmicos, o que não acontece com substratos cerâmicos. Substratos cerâmicos são susceptíveis aos choques térmicos por apresentarem alta condutividade térmica.

Se com o FR-4 temos esta vantagem (se assim podemos dizer) temos que atentarmos aos componentes. Choques térmicos são fatais, haja visto o problema de trincas (cracking) nos componentes passivos, como resistores e capacitores.

VI. Critérios de aceitação para posicionamento e união intermetálica emtecnologia SMD

1. Chip Components (Capacitores e Resistores)

1.1 Posicionamento



* Terminais devem estar em contato com as ilhas;
* Faces internas dos terminais devem estar alinhadas com as faces internas das ilhas;
* Terminais devem estar no eixo longitudinal das ilhas.

1.2. Soldagem

* Um bom filete côncavo deve ser formado em todas os lados soldáveis dos terminais do componente;
* Terminais devem evidenciar uma completa molhagem de solda;
* A quantidade de solda em cada terminal deve ser consistente para reduzir os efeitos do stress térmico.

2. SOT, SOIC e QFP





2.1 Posicionamento

a) Alinhamento: terminais do componente devem estar centralizados com o padrão visível das ilhas;
b) Coplanaridade: terminais do componente devem estar planos em relação as ilhas para que possa haver contato integral;

2.2 Soldagem

a) A quantidade de solda deve ser suficiente para que o perfil dos terminais seja perceptível;
b) Evidências de molhagem devem ser observadas por toda a área soldada.

3. SOJ e PLCC



PLCC

3.1 Posicionamento

a) Alinhamento: Terminais devem estar centralizados nas ilhas;
b)Coplanaridade: Terminais devem estar em contato com as ilhas;

3.2 Soldagem

a) Filetes côncavos em todos lados do componente:

b) Pela dificuldade em inspecionar a parte inferior dos terminais tipo J, a qualidade da soldagem deve ser assegurada através de métodos e processos eficientes de inspeção.

VIII. Instalação dos componentes SMD

1. Pontos Principais
a) Evitar choques térmicos em componentes cerâmicos;

b) Evitar a dissolução dos terminais metalizados dos “chip components”;

c) Alinhar os terminais dos componentes SMD com suas respectivas ilhas na PCI;

d) Filetes e soldagem apropriada.

IX. Controle de Descargas Eletrostáticas (ESD)

1. Por que controlar a ESD?

a) Evitar danos irreversíveis e imediatos em componentes sensíveis a descargas eletrostáticas;

b) Degradação precoce da performance e redução da confiabilidade. Itens que são muito difíceis de detecção.

2. Sensibilidade a ESD

a) Componentes sensíveis:

* CMOS;
* MOSFET;
* OP AMP;
* Film Resisitors;
* EPROM;
* Outros.

b) Tensões de 300mv são suficientes para destruir um CMOS.

3. Fontes de Descarga Eletrostática

Cargas estáticas são geradas quando dois materiais distintos (normalmente, mas não sempre isolantes) são separados um do outro ou friccionados entre si.

Algumas fontes incluem os seguintes materiais:

* Papel;
* Roupas sintéticas;
* Lã;
* Solas de sapatos confeccionadas de borracha;
* Metais não aterrados;
* Madeira;
* Ar seco;
* Pele Humana não aterrada.

4. Métodos de Prevenção

a) Aterramento robusto dos operadores através de pulseiras e calcanheiras antiestáticas;
b) Superfícies de trabalho dissipativas;
c) Equipamento de retrabalho aterrado;
d) Ionizadores de ar;
e) Roupas condutivas (algodão).

X. Técnicas de instalação e remoção dos componentes SMD

10.1 Preparação das ilhas

a) Limpeza das ilhas com solvente para remoção de óleos, graxas e óxidos;
b) Aplicação de fluxo (de maneira moderada) nas ilhas;
c) Seleção das pontas e bocais apropriados para a operação de retrabalho;
d) Aplicação da fonte de calor apropriada para a operação. Caso seja uma ferramenta de contato, observar que a posição da mesma deverá ser o mais vertical possível. Caso seja um jato de ar quente, definir a melhor intensidade e distância entre bocal e componente;
e) Observar a fusão da solda (alteração da aparência da solda para uma cor brilhante) para efetuar a remoção do componente, seja por uso de vácuo ou tensão superficial da própria ferramenta de contato;
f) Limpeza das ilhas com solvente (caso seja necessário) e inspeção final.

10.1.1 Instalação de resistores, melfs e capacitores utilizando ferro de solda e fio de solda

a) Limpeza das ilhas;
b) Preencher uma das ilhas com solda;
c) Posicionar o componente sobre as ilhas;
d) Aplicar fluxo;
e) Enquanto o componente está posicionado sobre as ilhas, refundir a solda com o auxílio da ponta do ferro de solda;
d) Soldar o lado oposto do componente utilizando o mesmo processo.

Nota: A quantidade de solda em ambas as ilhas deve ser igual para que se reduza os efeitos do stress térmico.

Cuidado: A ponta do ferro de solda não deve ser utilizada sobre o capacitor cerâmico, pois pode resultar em choque térmico.

g) Limpeza e inspeção.

10.1.2 Instalação de componentes passivos (capacitores e resistores) com jato de ar quente

a) Limpeza das ilhas;
b) Preencher ilhas com solda proveniente do fio de solda ou pasta de solda;
c) Se utilizar fio de solda com fluxo em seu núcleo, efetuar nova limpeza e aplicar fluxo;
d) Posicionar o componente;
e) Enquanto o componente está posicionado sobre as ilhas, aplicar o jato de ar quente com aproximadamente 480oC com baixa pressão para efetuar a refusão da solda.

Nota: Aproximar lentamente o jato de ar quente do componente para prevenir formação de bolas de solda e eventuais choques térmicos.

10.1.3 Instalação de componentes passivos (capacitores e resistores) com pinça térmica

a) Limpeza das ilhas;
b) Preencher ilhas com solda proveniente do fio de solda ou pasta de solda;
c) Se utilizar fio de solda com fluxo em seu núcleo, efetuar nova limpeza e aplicar fluxo novo;
d) Segurar o componente pelos seus terminais com a pinça térmica. Posicionar o componente e observar a fusão da solda.
e) Enquanto a solda é fundida, assegurar o alinhamento entre componente e ilhas. Após este procedimento, remova as pontas da pinça térmica aliviando a pressão das mesmas.

Nota: O calor por pulso diminui a possibilidade de bolas de solda e choque térmico.

e) Limpeza e inspeção

10.1.4 Remoção de componentes passivos utilizando ponta de ferro de solda bifurcada

a) Limpeza das ilhas;
b) Adicionar solda na parte interna da ponta de solda bifurcada;
c) Acomodar a ponta de solda bifurcada entre os terminais do componente;
d) Observar a completa fusão da solda;
e) Remover o componente;
f) Efetuar limpeza e inspeção.

10.1.5 Remoção de componentes passivos utilizando pinça térmica

a) Limpeza das ilhas e aplicação de fluxo;
b) Instalar as pontas adequadas à pinça térmica;
c) Ajustar a temperaturada pinça, quando necessário;
d) Segurar os terminais pelos seus terminais com a pinça térmica;
e) Observar a completa fusão da solda;
f) Remover o componente;
g) Limpeza e inspeção.

10.1.6 Remoção de componentes passivos utilizando jato de ar quente

a) Limpeza das ilhas e aplicação de fluxo;
b) Aplicar o jato de ar quente com aproximadamente 480oC e ajustado em baixa pressão sobre o componente até que a solda se funda;
c) Remover o componente;
d) Efetuar limpeza e inspeção.

10.1.7 Instalação de SOT’s utilizando ponta de ferro de solda em formato cônico e fio de solda

a) Limpeza das ilhas;
b) Preencher uma das ilhas com solda;
c) Posicionar o componente sobre as ilhas;
d) Aplicar fluxo;
e) Enquanto o componente está posicionado sobre as ilhas, refundir a solda com o auxílio da ponta do ferro de solda;
f) Soldar os terminais restantes do componente utilizando o mesmo processo.
g) Efetuar limpeza e inspeção.

10.1.8 Instalação de SOIC’s utilizando ponta de solda em formato cônico e fio de solda

a) Limpeza das ilhas;
b) Posicionar o componente sobre as ilhas;
c) Aplicar fluxo;
d) Pontear os terminais diagonais às suas respectivas ilhas;
e) Soldar os terminais restantes as ilhas;
f) Efetuar limpeza e inspeção.

10.1.9 Instalação de SOIC’s utilizando ponta de solda em formato fenda simples

a) Limpeza das ilhas;
b) Assegurar que o componente está estanhado e limpo;
c) Posicionar o componente e aplicar fluxo externamente;
d) Aplicar solda na face plana da ponta de solda;
e) Posicionar a face plana da ponta de solda sobre os terminais;
f) Arrastar a ponta de solda sobre a área dos terminais que estão em contato com as ilhas;
g) Efetuar a limpeza e inspeção.