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Tecnologia da Pasta de Solda

IV - Tecnologia da Pasta de Solda

1. Definição
2. Introdução
3. Como é feita a Impressão Serigráfica;
4. Manuseio e cuidados necessários;
4.1 Armazenamento;
4.2 Preparação
4.3 Retirada do pote previamente à utilização;
4.4 Homogeneização da pasta de solda;
4.5 Viscosidade da pasta de solda;
4.6 Componentes da pasta de solda;

4.6.1 Metal
4.6.2 Metal e suas ligas;
4.6.3 Fluxo
4.6.4 Tipos de Fluxo
4.7 Propriedades Reológicas
4.8 Curva de Temperatura para Pasta de Solda

Pasta de Solda

1. Definição

“Pasta de Solda é a mistura homogênea e consistente de esferas de solda em fluxo estabilizado, no qual alguns agentes especiais são adicionados. Tem como função principal a união intermetálica entre dois ou mais metais”.

2. Introdução

A aplicação da pasta de solda é apenas mais um passo no processo SMD (montagem superficial de componentes) em PCI’s. Apesar disto ela é muito crítica e afeta diretamente a qualidade e produtividade.
Geralmente, uma boa qualidade de impressão serigráfica da pasta de solda depende na reologia (ciência que estuda materiais viscosos e suas características de fluidez), de um conjunto de parâmetros e de uma escolha adequada do equipamento.
Neste capítulo iremos tratar, desde a composição da pasta de solda até aspectos processuais.
Para se ter idéia da importância de uma aplicação correta da pasta de solda, 64% dos problemas ocorridos em um processo SMD são causados por uma aplicação inadequada ou incorreta da pasta.


Alguns princípios básicos contribuem sensivelmente para a transferência da pasta de solda na PCI.
São eles:
a) a aderência relativa entre as superfícies da pasta/stencil e pasta/substrato;
b) a força aplicada pelo rodo através do eixo Y (vertical);
c) a pressão (por unidade de área) aplicada pelo rodo através do eixo Z (descendente);
d) a pressão hidráulica criada na pasta de solda quando comprimida entre o rodo e stencil;
e) finalmente, a força gravitacional.

3. Como é feita a impressão serigráfica

O rodo faz um contato linear com o stencil e um contato de aproximação com a pasta, capaz de movê-la através da superfície do stencil. Durante o movimento do rodo, a pressão hidráulica na pasta é capaz de atuar contra o stencil e rodo, resultando na extrusão da pasta através das aberturas do stencil.

4. Manuseio e cuidados necessários

Se trata de um material composto essencialmente por estanho e chumbo em proporções de 63% e 37% ( também é muito comum a presença de 2% de prata alterando esta composição para 62% Sn, 36% Pb e 2% Ag), respectivamente.

O chumbo é um material pesado, isto é, quando absorvido pelo corpo humano não é secretado e se acumula em órgãos vitais como o fígado entre outros.
Por motivos tão sérios como o que acabamos de citar, o manuseio deve seguir alguns procedimentos básicos.

São eles:

a) Sempre manusear o pote de pasta de solda com luvas impermeáveis;

b) não subestimar as pequenas quantidades que entram em contato com a pele. Não esquecer que a pele pode absorver estes metais e eles podem se depositar no organismo;

c) por possuir em sua composição básica alguns ácidos, é possível a ocorrência de dermatites de contato. São pequenas erupções (bolhas) causadas pela reação alérgica em algumas pessoas, que causam um certo desconforto. Mais um motivo para a utilização de luvas impermeáveis;

d) destruir os potes de pasta de solda vazios e não permitir, em hipótese alguma, a reutilização dos mesmos. Sempre haverá uma quantidade residual no pote por mais que se limpe. Encaminhar este dejeto para um lixo industrial.

4.1Armazenamento

A Pasta de Solda é um material sensível à temperatura e tem uma vida útil limitada, deve-se obedecer a certos critérios térmicos para que se evite a degradação da pasta através da alteração em sua reologia.

A temperatura deve ficar na faixa de 0º até 10º C. A vida útil média de uma pasta de solda varia de acordo com seu tipo de fluxo, mas fica em torno de 6 meses, mantida em temperatura de armazenamento e com a embalagem original e inviolada.
Nota: Seguir sempre as recomendações de seu fornecedor de pasta de solda.

Temperaturas abaixo de -26º C irão certamente congelar alguns ingredientes da pasta de solda e cristalizá-los. Após congelamento, estes materiais não irão retornar as suas características originais quando atingirem novamente a temperatura ambiente.

Se a pasta de solda trabalhar em um ambiente muito frio, irá apresentar uma viscosidade maior alterando a definição de impressão e provocando entupimento nas aberturas do stencil,resultando em insuficiência de solda na PCI ou abertos (pontos sem solda).

Precauções devem ser tomadas para que a pasta de solda não exceda 43º C. A pasta de solda é uma mistura reativa, portanto temperaturas acima de 43º C iniciam o processo de ativação do fluxo. Após longa exposição em elevadas temperaturas, o fluxo começa um processo de ataque as esferas de solda.

Se a pasta de solda estiver “quente” por causa do ambiente de trabalho, ocorrerá com maior freqüência a deformação dos blocos de pasta de solda sobre a ilha onde o componente será posicionado. Este problema processual tem o nome em inglês de “slump”. Acarreta geralmente curtos entre outros defeitos.

As esferas de solda irão se separar do fluxo quando estocadas em temperaturas elevadas. A alteração de viscosidade permite o deslocamento das esferas de solda para a parte inferior da embalagem devido a diferença de densidade.

4.2Preparação para uso

4.3 Retirada do pote previamente a utilização

Os potes que serão utilizados na produção devem deixar o refrigerador 24horas antes do início de sua manipulação ou até atingirem a temperatura ambiente para uso, que é em torno de 20º - 25ºC.

Nota: Seguir sempre as recomendações de seu fornecedor de pasta de solda.

Considerar a umidade relativa do ar como fator importante para a adequação deste tempo, pois antes do pote ser aberto não deve haver nenhuma presença de gotículas de água na parte externa do pote. Toda e qualquer condensação na pasta é indesejável e influenciará negativamente no processo de fabricação.

É indispensável ter o ambiente com a temperatura e umidade relativa do ar controlada para obter resultados ótimos na utilização da pasta de solda.

* Temperatura: 20º - 25ºC

* Umidade: 45% - 55%

A rotatividade da pasta de solda em estoque é muito importante. Pastas de solda têm um acréscimo de viscosidade com o passar do tempo e com a rotação esta variação diminui.

4.4Homogeneização da Pasta de Solda

Este processo consiste em misturar (manualmente ou automaticamente) a pasta de solda para obter uma homogeneização entre fluxo e esferas de solda. Por se tratar de um material tixotrópico (alteração da viscosidade em função da variação de temperatura), esta mistura auxilia a pasta a obter a viscosidade de trabalho.

Quando esta homogeneização é feita manualmente, utiliza-se uma espátula e esta não deve ser fabricada de materiais que possam contaminar a pasta.

Alguns exemplos:

* Aço carbono: libera óxido para a pasta;
* Alumínio: é contaminante de pasta de solda. Veremos sobre este assunto adiante;
* Madeira: pode soltar cavacos ou lascas que prejudicam a aplicação da pasta de solda, entre outros.

CUIDADO !!!


Não pressione a pasta com muita força contra as paredes do pote. Isto poderá deformar as esferas e prejudicar a deposição das mesmas na PCI.

A viscosidade normalmente é especificada emcps (centpoise) e deve ser medida antes da operação de serigrafia. Existem desde equipamentos portáteis até equipamentos de bancada que medem a viscosidade e efetuam a correção caso esta esteja acima ou abaixo do especificado. Nossa realidade atual confia na sensibilidade humana, isto é, apenas alguns usuários utilizam um método automático.

Abaixo temos a tabela 5.2.a que referência as viscosidades com os métodos de aplicação.

Métodos de aplicação

Viscosidade

“Pin Transfer”

200 - 400 Kcps

Dispensador por seringa

200 - 400 Kcps

Impressão por telas tramadas

400 - 600 Kcps

Impressão por Stencil de metal

600 - 1400 Kcps

Os métodos de aplicação terão detalhamento em capítulo próprio dado sua importância no processo SMD.

4.5Viscosidade da Pasta de Solda

A Viscosidade é definida “pela habilidade do fluído de resistir à uma força aplicada a ele”. Também tecnicamente definida pela Lei de Newton como arazão entre ocoeficiente da tensão por cisalhamento versus a taxa de cisalhamento.

Viscosidade=tensão por cisalhamento / taxa de cisalhamento

Dentro de uma certa conveniência, a viscosidade medida num ponto simples tem sido utilizada como indicativo de consistência da pasta de solda. Uma medição consistente da viscosidade ocorre quando as seguintes condições são encontradas:

* A reologia da pasta é conhecida;
* A técnica do manuseio que precede a medição é conhecido;
* A técnica de medição e equipamento são especificados;
* A temperatura de medição é especificada.

Nota:

Os itens acima citados são, geralmente, fornecidos pelo fabricante da pasta de solda.

4.6Componentes da Pasta de Solda

Os ingredientes encontrados na pasta de solda são: metal e fluxo (voláteis e ativadores). Abaixo iremos descrever cada um deles e suas características e funções.

4.6.1Metal

Definição:

“Sua função principal é formar a união intermetálica permanente entre terminais dos componentes e substrato (PCI), proporcionando um contato elétrico e fixação mecânica”

A “esfera” de solda pode apresentar várias formas geométricas, sendo a mais comum e indicada, a forma esférica. Veja as demais formas encontradas na figura 6 a abaixo.

Formatos de Partículas


A esfera de solda é o maior ingrediente na pasta de solda, afetando diretamente a impressão serigráfica, bem como a qualidade da soldagem final. O critério principal para selecionar a “esfera” é balancear a demanda de fluxo, a reologia e a carga de metal aceitável na pasta. Em outras palavras, o metal a ser utilizado deve corresponder a menor área superficial com o mínimo de fluxo, tendendo a mínima formação de bolas de solda (solder balls) durante a refusão. Ao mesmo tempo, as partículas devem ser pequenas suficientes para proporcionar uma reologia adequada durante a impressão serigráfica da pasta de solda e a resolução especificada.

A dimensão e formato das partículas metálicas determinam o conteúdo de óxido das partículas e a capacidade de aplicação da pasta. Partículas esféricas são preferidas sobre as partículas elípticas. Quanto menor a área superficial da partícula, menor será a oxidação. Assim as partículas com formatos irregulares e mais finas, com suas grandes superfícies, tem um nível de oxidação maior que as partículas esféricas.

Pastas de solda contendo partículas de formato irregular são propensas a prejudicar a impressão. Algumas variações no tamanho e formato das partículas devem ser esperados.

Problemas de impressão são encontrados com pasta de solda contendo partículas que são maiores em diâmetro, que rapidamente entopem as aberturas do stencil. Por outro lado, pastas de solda com partículas muito pequenas são propensas a formar bolas de solda durante a refusão.

A regra prática mais comumente utilizada para definir qual o diâmetro de esfera é obter a menor abertura existente no stencil e por onde a pasta fluirá. Após este passo, “alinhar” teoricamente, no mínimo, cinco esferas nesta abertura. Veja figura 6b abaixo:

Apesar de sua simplicidade, este procedimento define a quantidade de pasta de solda apropriada para a união intermetálica.
As esferas de solda geralmente são representadas por uma designação de malhas (mesh) de acordo com a ASTM B-214 (Test Method for Sieve Analysis of Granular Metals Powders).

A tabela 6b resume as faixas típicas de tamanho de partículas, diâmetro médio e razão relativa de área superficial/unidade de volume para os quatro tipos de esferas designadas.

Tabela 6b

Designação de malhas (mesh)

Faixa de diâmetro de partículas (mm)

Diâmetro médio de partículas (mm)

Razão relativa área superficial/

unidade de volume

-200/+325

74 – 44

60

1.0

-325/+500

44 – 25

35

1.71

-400/+500

37 – 25

31

1.93

-500

25 – 10

18

3.33

É assumido que a razão relativa da área superficial/unidade de volume é medida com esferas perfeitamente esféricas e o volume compreende uma estrutura de “empacotamento” (close-packed) com eficiência de 95%.

A morfologia de uma esfera entre 25 e 90mm é mostrada na Tabela 6c.

Tabela 6c

Seleção do diâmetro de partícula para Técnicas de Impressão

Passo do Componente (pol.) (pitch)

Largura da abertura do Stencil (pol.)

Máximo diâmetro da esfera (mm)

Malha (mesh) aplicável

0.050

0.026

90+-5

-200/+325

0.025

0.014

65+-5

-200/+325, ou

-325/+500

0.020

0.010

53+-5

-325/+500

0.015

0.008

41+-5

-325/+500, ou

-400/+500,

ou menor

0.010

0.006

25+-5

-500, ou

15 - 5 mm

A definição de malha (mesh) é a quantidade de furos em cada eixo por polegada quadrada. Vide o exemplo simples da figura 6c para que possamos entender a coluna “Malha (mesh) aplicável” na Tabela 6c.

Figura 6c


A figura 6d ilustra o exemplo entre a espessura de um cartão de crédito e os diâmetros das esferas de soldas e “mesh” correspondente.

Figura 6d


Nota:as dimensões apresentadas acima estão expressas em polegadas.

4.6.2O Metal e suas ligas

O metal é compreendido por ligas estanho/chumbo e suas variações. As mais comuns estão descritas na tabela 6d abaixo:

Tabela 6d

Liga Sn/Pb

Temperatura de Fusão

Temperatura de Refusão

63% Sn / 37% Pb

183º

208 - 223º

60% Sn / 40% Pb

183 - 190º

210 - 220º

50% Sn / 50% Pb

183 - 216º

236 - 246º

25% Sn / 75% Pb

183 - 266º

286 - 296º

10% Sn / 90% Pb

268 - 302º

322 - 332º

62% Sn / 36% Pb / 2% Ag

179º

204 - 219º

96.5%Sn / 3.5% Ag

221º

241 - 251º

95% Sn / 5% Ag

221 - 245º

265 - 275º

A tabela acima mostra que o ponto eutético da liga se altera facilmente quando acrescentamos novos metais a liga básica Sn/Pb.

Os fatores críticos que determinam a composição da pasta de solda são os seguintes:

a) Materiais da PCI e os Componentes SMD:
Temperaturas altas de soldagem (acima de 250o C) podem ser usadas para soldar encapsulamentos cerâmicos em substratos cerâmicos. Entretanto para a soldagem de encapsulamentos plásticos ao substrato de fibra de vidro (FR-4), soldas com ponto de fusão mais baixo são usados para evitar degradação do substrato e encapsulamento, durante a soldagem.

b) Compatibilidade da solda com as metalizações no substrato e nos terminais dos componentes:
Ligas de In (Indio) e SnPb, são recomendadas para soldagem de terminais de ouro, uma vez que a liga de SnPb forma uma camada intermetálica nociva com o ouro.

c) Força da solda:
Se uma alta tensão e força de cisalhamento a temperaturas elevadas são uma necessidade, ligas de chumbo e antimônio são recomendadas.

d) Custo:
A prata é habitualmente adicionada ao SnPb para diminuir a dissolução da prata dos terminais dos componentes. A liga contendo 2% de prata é recomendada pois é mais barata e tem praticamente o mesmo efeito da liga que contém 4% de prata. Esta adição melhora a resistência mecânica da interligação metálica e reduz levemente a temperatura de refusão.

As pastas existentes no mercado mundial para aplicação no processo de serigrafia em SMD têm, em média, 90% de metal (ligas de Sn/Pb eoutras) e 10% de fluxo (resina natural ou sintética, ácidos e solventes) em massa.

Em aplicações onde é necessário o uso de dispensadoresde pasta (retrabalho e/ou montagem de componentes em PCI’s populadas) a porcentagem de metal cai para 85%. Nestes casos é necessária uma viscosidade menor para que a pasta de solda possa fluir pela agulha aplicadora.

Iremos tratar com mais profundidade sobre as ligas e impurezas mais adiante.

Em taxas de volume, esta proporção é de aproximadamente 50%/50%.
Uma impressão de 0.2 mm de espessura de pasta de solda irá resultar, em média, 0.1 mm de espessura de metal refundido.

A espessura final da solda refundida pode variar de 50% da espessura da pasta com conteúdo metálico de 90% até tão baixo quanto 22% da espessura da pasta com conteúdo metálico de 75%. Assim, apenas uma pequena variação do conteúdo metálico da pasta de lote a lote pode ter um impacto significante na qualidade das juntas de solda. Por exemplo, uma variação de 10% no conteúdo metálico pode mudar um excesso de solda na junta para uma junta com insuficiência de solda para a mesma espessura de pasta.

4.6.3Fluxo

Definição:

“Proporciona duas funções principais. A primeira, de manter as esferas de metal em suspensão, sem oxidação e de forma homogênea. A segunda, remover quimicamente as oxidações nos terminais dos componentes e ilhas da PCI, permitindo uma boa formação da interligação metálica entre as partes”.

Como foi comentado anteriormente, a porcentagem de fluxo na pasta de solda está entre 10 e15% de sua massa e aproximadamente 50% de seu volume.

Os componentes encontrados no fluxo da pasta de solda geralmente são os descritos abaixo:

* Resina: proporciona um aquecimento médio estável e forma a textura básica do fluxo;

* Intensificador: cria a massa que mantêm as esferas de metal em suspensão. Proporciona a tixotropia e produz boa resolução durante processo de impressão serigráfica;

* Solvente: dissolve todos os ingredientes para obtenção de mistura homogênea.
O solvente não deve ser higroscópico. Ele deve ter alto ponto de ignição e deve ser compatível com o ativador e os modificadores reológicos.
Os dois fatores mais importantes para controlar a formação de porosidade nos filetes de solda são, o solvente na pasta de solda e o perfil de refusão. Os vazios formados durante a refusão não apenas diminuem a força do filete mas também representam um obstáculo para a eficiente transmissão de calor do componente para o substrato, podendo resultar num sobreaquecimento do produto. Vazios nos filetes de solda podem ser determinados por uma análise de raios X. A área total dos vazios, calculada como percentagem do total do filete, não deve exceder 10%.

* Amina: neutraliza a acidez do fluxo;


* Ativadores: limpam as superfícies a serem soldadas e reduzem a tensão superficial da solda para proporcionar uma boa soldabilidade;

* Inibidores: preservam as superfícies metálicas;

* Aditivos: adicionam características especiais à pasta de solda.

Nota: Cada fabricante detêm e modifica as formulações dependendo da aplicação do produto e suas características técnicas.

4.6.4Tipos de fluxos existentes

Já definimos anteriormente o diâmetro da esfera que devemos utilizar. Iremos definir agora qual o fluxo que deveremos utilizar.

Fluxos com base de resina têm sido utilizados com sucesso e por vários anos na indústria eletro-eletrônica. Suas principais propriedades são:

* Proporcionar remoção da oxidação e efetuar uma suave ação de limpeza nos pontos a serem soldados;
* Auxiliar a molhagem (wetting) através da diminuição da força de coesão da solda;
* Proteger a superfície durante o aquecimento, de uma reoxidação;
* O movimento do fluxo propicia uma melhor dispersão da solda.

A resina se caracteriza por não ter um ponto de fusão definido e preciso, por usualmente não ser um condutor de eletricidade e normalmente, transparente ou translúcido. Ainda podem ter sua origem natural ou sintética. As resinas naturais (rosin) são provenientes dos pinheiros e não apresentam solubilidade em água. As resinas (resin) sintéticas podem ter muitas ou todas as propriedades das resinas naturais.

Esta escolha está diretamente relacionada com as condições da PCI, componentes e processos estabelecidos. São eles:

Fluxo tipo R:
A designação R significa “resinoso”. Seu uso é raro e incomum. É necessária limpeza da PCI após soldagem. Uma de suas raras aplicações é sua utilização nos testes de soldabilidade de componentes;

Fluxo tipo RMA:
A designação RMA significa “resinoso mediamente ativado”. Tem uso bastante amplo e remove oxidações acentuadas. É recomendada limpeza da PCI após soldagem, mas não obrigatória com nos casos de PCI’s na área de entretenimento;

Fluxo tipo NC:
A designação NC significa “No Clean”, isto é, não necessita de limpeza após soldagem. Os resíduos sólidos presentes na PCI após soldagem são mínimos. Seu maior inconveniente é sua baixa ativação. A janela de processo é crítica e limitada.
O tipo de fluxo tem impacto direto na limpeza das montagens. Nas montagens SMD, devido à pequena distância entre a PCI e os componentes, o fluxo pode ficar retido neste espaço, levando à problemas de confiabilidade, por essa razão os fluxos menos agressivos são preferidos nessas montagens.

Fluxo tipo RA:
A designação RA significa “resinoso ativado”. Contém ativadores corrosivos e removem as mais severas oxidações. Necessita uma limpeza criteriosa da PCI após a soldagem. Seu uso é bastante limitado.

Fluxo OA ou WS:
A designação OA significa “ácido orgânico” ou WS “water soluble (hidrosolúvel)”. Necessita de limpeza da PCI após a soldagem.
Esta limpeza ocorre através da lavagem da PCI em equipamento automático, com água deionizada em temperatura próxima a 55º C e o detergente numa concentração que varia entre 1 - 2% para sistema de limpeza semi-aquoso. As pastas com fluxo hidrosolúvel, certamente tem melhores ações de molhagem (habilidade de remover óxidos e preparar superfícies para soldagem). A ação de molhagem da pasta é determinada pelos ativadores do fluxo utilizado.

4.7Propriedades Reológicas

As propriedades reológicas da pasta de solda - viscosidade, caimento (slump), aderência (tackness) e vida útil - são controladas pela adição de modificadores reológicos, também chamados de agentes intensificadores ou solventes secundários. Modificadores reológicos são geralmente solventes com ponto de ebulição alto, uma vez que eles precisam funcionar em temperaturas até o ponto de fusão da pasta. Entretanto, partes do solvente ficam presas na junta de solda após a solidificação, sempre que não haja tempo suficiente para que esses modificadores evaporem completamente.

Viscosidade:
Pastas de solda são fluídos tixotrópicos. A uma taxa constante de tensão de cisalhamento, a viscosidade da pasta de solda diminui em função do tempo, assim, sua estrutura progressivamente se desprende. Ainda mais, a viscosidade da pasta de solda diminui com o aumento da tensão de cisalhamento aplicada a ela. Explicando de forma popular e leiga, a pasta de solda é “mais macia” quando uma tensão de cisalhamento é aplicada (com um "rodo de impressão" por exemplo) e “mais dura” quando nenhuma tensão é aplicada. Esta propriedade é altamente desejada para impressão, pois a pasta de solda estará por cima das aberturas no stencil, fluindo apenas quando o rodo de impressão induzir uma força sobre ela.

Uma vez que a pasta foi depositada sobre as ilhas, a força de cisalhamento é removida e a pasta retorna a sua forma de alta viscosidade, ficando assim sobre as ilhas e não fluindo sobre as superfícies não metalizadas da PCI. Em adição, a força de cisalhamento, o tamanho da partícula e a temperatura ambiente, têm influência sobre a viscosidade da pasta de solda.

Pouco antes da aplicação, a viscosidade da pasta de solda deve ser medida a 25º C +- 0.2o C, utilizando-se um viscosímetro. A pasta de solda deve ser visualmente inspecionada, uma aparência homogênea com tom de cinza médio é desejável. Uma camada fina de fluxo que faz o contorno das partículas de solda ainda perceptível é aceitável. Ela não deve exibir a aparência de uma crosta seca. Para inspecionar substâncias estranhas, formação de grãos ou crostas superficiais a pasta de solda deve ser manuseada com uma espátula limpa.

Caimento (slump):
Caimento é a habilidade da pasta espalhar-se após ter sido depositada nas ilhas. Para bons resultados de soldagem, o caimento deve ser minimizado. O caimento também depende da percentagem do metal na pasta de solda. O método mais confiável para controlar o caimento é através de um controle preciso da viscosidade, da aplicação serigráfica da pasta de solda,temperatura adequada e uma relação proporcional entre as aberturas e a espessura do stencil. Caimento excessivo pode causar curtos.

Vida Útil e Aderência:
Existem algumas divergências na definição de "vida útil". A vida útil da pasta de solda é geralmente definida como o tempo que a pasta pode permanecer no stencil, sem degradação das suas propriedades reológicas antes da impressão, ou na PCI, após a impressão. Ambas as definições podem estar corretas, mas elas não são igualmente comparáveis.

Por exemplo, o tempo que a pasta pode ser deixada no stencil antes da impressão não nos ajuda muito. É muito comum ouvirmos o termo em inglês “Stencil life” para a definição anterior.

Entretanto, o tempo que a pasta pode ser deixada na PCI após a impressão é uma informação útil e se utiliza o termo em inglês “tack time”para defini-lo. Este é o tempo máximo que a máquina posicionadora de componentes (pick and place) tem para assentar os componentes. Assim a mais usual definição de "vida útil" é: “O máximo tempo que pode passar entre a abertura do pote da pasta de solda até a refusão sem que haja degradação das propriedades reológicas da pasta”. Isto inclui o tempo total para impressão, posicionamento, refusão e manuseio entre as operações.

Aderência é a “habilidade da pasta de solda de fixar os componentes na posição após o posicionamento, porém antes da refusão”. A aderência da pasta é um indicador de sua vida útil. Através desta análise pode se saber se ela expirou ou não. A pasta não é mais capaz de fixar os componentes na posição durante a colocação e no manuseio antes da refusão. Para esta situação os usuários utilizam o termo em inglês “Tack time” ou “Tack life”, como citamos anteriormente.

Estes termos em língua inglesa são encontrados nos boletins técnicos dos fabricantes de pasta de solda.

A aderência da pasta é importante para determinar se a pasta no stencil ou na PCI deve ser substituída em algum evento, como, por exemplo, troca de turno durante a produção.

Bolas de Solda:
Bolas de solda são pequenas esferas de solda, comumente de 0,05 a 0,12 mm de diâmetro, que se alojam nas superfícies não metálicas da PCI e sobre a máscara de solda. Bolas de solda, especialmente as móveis, são um perigo potencial para a confiabilidade, pois podem colocar em curto condutores metálicos a qualquer tempo durante a vida da PCI. Há dois mecanismos pelos quais bolas de solda são formadas.

a) Bolas de solda são formações secundárias a partir das esferas de SnPb contidas na pasta de solda. Elas são deslocadas para longe da área onde a solda está depositada quando o fluxo derrete e flui antes da solda derreter. Isto acontece especialmente quando a pasta é depositada fora da ilha, quando a abertura do stencil é maior que a ilha ou por falha de registro.

Essas pequenas esferas então perdem contato com a pasta de solda depositada e quando a solda derrete, cada partícula torna-se uma pequena bola de solda na periferia do depósito principal. O agrupamento de pequenas bolas de solda ao redor do depósito principal é chamado de auréola ("halo").

b) Bolas de solda são também formadas quando a camada de óxido na superfície das esferas da pasta de solda é tão espessa que o fluxo e os ativadores da pasta não são suficientes para removê-la. Uma vez que os óxidos não podem derreter nas temperaturas de soldagem, ele é empurrado para o lado como bolas de solda cercando a solda líquida livre de óxido. Bolas de solda formadas desta maneira são normalmente maiores que as formadas pelo primeiro mecanismo devido a presença do óxido superficial que é menos denso que o metal.

A oxidação das esferas da pasta de solda é acelerada por armazenamento indevido, ou por curar a pasta de solda em uma temperatura excessivamente alta antes da refusão. A oxidação das esferas também é promovida pela corrosão ou pela produção de óxidos devido a mútua abrasão das superfícies das esferas durante o processo de fabricação, especificamente na separação dos vários diâmetros. A tendência de uma pasta de solda formar bolas de solda pode ser determinada por um simples teste. Algumas amostras de pasta de solda com espessura de 0,15 a 0,25 mm são depositadas por stencil ou tela em uma superfície não metálica como vidro, cerâmica ou fibra de vidro (FR-4) e depois refundida, preferencialmente usando-se o mesmo perfil usado na produção.

O depósito de solda resultante deve ser examinado visualmente. Se resultado da refusão for uma esfera grande, brilhante e com superfície lisa, a pasta de solda é aceitável. Uma ou duas esferas de solda são aceitáveis, desde que elas não sejam maior que 10% da esfera principal ou tenham mais que 0,125 mm de diâmetro. Uma auréola de esferas de solda é inaceitável. Naturalmente a ausência de esferas de solda é preferível, porém uma pequena ocorrência de esferas de solda muito pequenas é também aceitável. Agrupamentos de esferas de solda são inaceitáveis. O teste de esferas de solda descrito acima deve ser feito de maneira regular, de modo a monitorar a qualidade da pasta de solda e sua tendência a formar esferas.

Habilidade de Impressão:
A habilidade de impressão de uma pasta de solda é refletida na precisão e repetibilidade da pasta de solda aplicada nas ilhas. A habilidade de impressão da pasta de solda é um dos testes mais críticos, e deve ser determinado de acordo com os seguintes experimentos. Veja abaixo o procedimento para o teste em referência. PCI’s “padrão” podem ser usadas para testes.

a) Pesar cinco PCI’s “padrão” antes e (W1) e depois (W2) da aplicação da pasta de solda.
b) Determinar o peso da pasta de solda aplicada em cada PCI pela fórmula (W2-W1)/5.
c) Medir e registrar a altura da pasta em quatro pontos pré-determinados na PCI.
d) Repetir os itens A a C para a pasta recém aplicada e exposta à atmosfera por quatro horas.

* O critério de aceitação para uso de uma dada pasta de solda deve ser como segue:
peso da pasta não deve variar mais que 10% entre a média obtida e de uma determinada PCI.

* A altura da pasta de solda não deve variar mais que +/- 0,025 mm (+/- 1 mil) entre as medições feitas em uma PCI. A altura de pasta aceitável compreende a faixa de 0,2 e 0,25 mm (8 mil a 10 mil). Comumente a espessura do stencil é de 8 a 10 mils para componentes com passo entre terminais até 25 mil e de 4 a 6 mil para componentes “fine-pitch” (abaixo de 25 mil). Além da espessura do stencil, a condição do equipamento de impressão determina a altura da impressão.

* O modelo da pasta de solda deve ter cobertura uniforme, sem formação de fios e sem separação do fluxo e solda, e deve imprimir sem formação de pontas.

* Equipamentos específicos para medição da altura, largura, volume e posicionamento da pasta de solda são utilizados para auxiliar no teste acima. Softwares de Controle Estatístico de Processo são recomendados para o controle e gerenciamento destes dados.

4.8Curva de Temperatura para Pasta de Solda

O objetivo do processo de refusão é de fundir as esferas da pasta de solda, executar uma boa molhagem (wetting) das junções intermetálicas, e solidificar a solda criando uma união metalúrgica robusta. A curva de temperatura que iremos apresentar é baseada em pastas com fluxo RMA. Levando em consideração que as atuais pastas No-Clean tem sua base resinólica, e os fluxos RMA também, tomaremos esta curva com seus dados para nosso exemplo.

Devemos observar que cada fabricante de pasta de solda recomenda a curva de temperatura ideal para cada modelo em função do tipo de fluxo e ligas presentes na pasta de solda.

A curva de temperatura deve ser utilizada para evitar os seguintes problemas de processo.

AZona de Pré-aquecimento na prevenção de evaporação insuficiente do solvente, choque térmico entre PCI/Componentes, e formação de bolas de solda em decorrência de micro explosões.

AZona de Cura ou Ativação na prevenção de ativação insuficiente do fluxo e formação excessiva de óxidos.

AZona de Refusão na prevenção de alojamento de fluxo, formações indesejáveis, descoloração do fluxo e danos na PCI e/ou Componentes.


Zona I - Estágio inicial de Pré-aquecimento

(Temperatura ambiente até 150ºC)

* O excesso de solvente é eliminado;
* A PCI e Componentes são gradualmente aquecidos;
* O gradiente de temperatura deve ser < 2.5ºC/Seg. para se evitar:

-Micro explosões (Splattering): a rápida evaporação do solvente e a expulsão do ar resulta em possíveis formações de bolas de solda (solder balls);

- “Slump”: A rápida separação do fluxo da pasta de solda resulta em possíveis formações de pontes de solda entre terminais.

Zona II - Zona de Cura (Ativação) (de 150ºC até 180ºC)

* Os componentes presentes no fluxo iniciam sua ativação e redução dos óxidos nos terminais dos componentes, ilhas da PCI, e nas esferas metálicas da pasta de solda;

* Permite que componentes de massa distintas atinjam a mesma máxima temperatura;

* O fluxo ativado mantêm a superfície metálica livre de novas oxidações;

Zona III - Estágio de Refusão ( 183 - 230ºC)

* A pasta de solda atinge o ponto de fusão de suas ligas;
O fluxo ativado reduz a tensão superficial na interface metálica para que uma boa interligação metálica ocorra.

Zona IV - Estágio de Resfriamento ( de 183ºC até a temperatura ambiente)

O conjunto PCI/Componentes é resfriadopara que se evite formações intermetálicas indesejáveis ou “stress” excessivo entre PCI e Componentes, em função de coeficientes de dilatação distintos entre os materiais.

Como veremos em capítulo futuro, existem vários fornos de refusão utilizados na indústria de montagem eletrônica. Apesar destes fornos terem diferentes características e capacidades, ter uma curva de temperatura bem definida é ter iniciado o processo de maneira ideal.

A pasta de solda deve ter as características abaixo:

1. Curva de pré-aquecimento rápida, suave e constante. Para que isto ocorra, a pasta de solda não deve conter solventes com baixo ponto de evaporação que limitam a taxa de aquecimento e necessitam de baixas temperaturas na zona de cura/ativação;

2. A máxima temperatura que a PCI pode alcançar é 235ºC quando utilizamos ligas Sn63/Pb37 ou Sn62/Pb36/Ag02. Acima deste ponto, não apenas inicia-se o “stress” térmico da PCI, como existe uma grande chance do fluxo se cristalizar e dificultar a remoção destes resíduos;

3. É freqüente a necessidade de se ter, durante a zona de cura/ativação, uma curva de temperatura equilibrada para PCI’s de grandes dimensões. O comprimento desta zona deve ter o tempo suficiente para atingir, um diferencial de temperatura, de no máximo 10ºC antes que a PCI entre na zona de refusão (aprox. 180ºC).
O tempo máximo da curva entre 150º e 180ºC deve se limitar a 2.5 minutos para pastas de solda resinosas e 2.0 minutos para pastas de solda hidrosolúvel. Os ativadores iniciam seu trabalho em torno de 150ºC e podem ser eliminados antes da refusão se o tempo na zona de cura/ativação for muito longo. Não existe nenhum teste prático que defina o tempo mínimo.

4. Apesar da pasta de solda com ligas Sn63/Pb37 e Sn62/Pb36/Ag02 refundirem a 183ºC ( ponto eutético), é recomendável que a PCI atinja, no mínimo, 205ºC. Isto é necessário para que haja uma molhagem (wetting) adequada e auxilie a remoção do fluxo da área soldada.

5. O tempo total da curva de temperatura varia pelas dimensões da PCI, densidade da PCI, necessidades de produção, do tipo de equipamento de refusão utilizado e tipo de pasta de solda. Tempos típicos podem ser de 2 minutos para PCI’s de pequenas dimensões até 8 minutos para PCI’s grandes e/ou densas.A grande maioria das PCI’s utilizam curvas de temperatura com tempo médio de 4 a 6 minutos.
A velocidade da esteira transportadora do forno e as temperaturas da curva requerem ajustes únicos para cada família de PCI produzida.