Guia Especialista: Solução de Problemas de Solda por Onda em PCIs

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O que é Solda por Onda?

A solda por onda é um tipo de processo de soldagem usado durante a fabricação em massa de placas de circuito impresso, ou PCI. O processo de solda por onda permite que fabricantes soldem rapidamente e de forma confiável grandes placas de circuito impresso. O processo obtém seu nome da onda de solda que cada placa passa. Usar uma onda de solda em oposição a pontos de solda individuais produz juntas de solda que são mecanicamente e eletricamente confiáveis.

O processo de solda por onda é eficaz tanto para o método convencional de montagem de PCI com furo passante quanto para o método mais novo de montagem superficial.

Então, o que há em uma máquina de solda por onda, e como o processo funciona?

No seu núcleo, uma máquina de solda por onda padrão começa com um componente: um tanque aquecido de solda que é mantido na temperatura requerida para o processo de soldagem específico que está ocorrendo. Dentro do tanque, o técnico configura uma onda de solda, então passa cada PCI através do tanque, para que o topo da onda de solda apenas faça contato com a parte inferior da PCI.

Projetistas precisam estar cientes de duas questões principais quando se trata de projetar placas de circuito impresso que vão ser soldadas por onda.

• Espaçamento de ilhas: Se as ilhas que precisam ser soldadas estão muito próximas, solda líquida pode fluir entre elas. Curto-circuito não apenas das duas ilhas conectadas, mas possivelmente da PCI inteira, é o resultado.

• Resistência de solda: Ter uma camada de resistência de solda na placa de circuito impresso não é tanto uma questão quanto era no passado, pois uma camada de resistência de solda está no blueprint como prática padrão. Ainda assim, verificar novamente se uma máscara de solda ou camada de resistência de solda é parte do blueprint da sua PCI é sempre uma boa coisa a fazer, e ajuda a prevenir acidentes infelizes.

Uma vez que a placa a ser soldada foi verificada para espaçamento de ilhas e uma camada de resistência de solda, é hora de aplicar fluxo. Fluxo ajuda a garantir que as áreas da placa que precisam ser soldadas estão limpas e livres de oxidação. Existem duas maneiras diferentes de aplicar fluxo, dependendo das circunstâncias.

• Fluxo em spray, que pode ser aplicado como uma névoa fina e seguido por um jato de ar comprimido para remover qualquer excesso.
• Fluxo em espuma, que é aplicado à placa a partir de um tanque de fluxo regular. Um cilindro plástico com pequenos furos é submerso no tanque de fluxo. Uma vez que o cilindro foi bem e verdadeiramente submerso, uma chaminé de metal pode ser ajustada sobre o topo dele. Ar pode então ser forçado através do cilindro para fazer espuma subir através da chaminé. A parte inferior da PCI pode então ser revestida nesta espuma de fluxo.

Uma vez que você tratou a parte inferior da placa com fluxo, é hora de pré-aquecer a placa. Devido à forma como a solda é aplicada como parte do processo de solda por onda, placas de circuito impresso que foram soldadas por onda são submetidas a enormes quantidades de calor — muito mais do que se tivessem sido soldadas manualmente. Sem pré-aquecimento, placas de circuito podem acabar com todos os tipos de defeitos de soldagem — todos devido a choque térmico.

Para ajudar a minimizar as chances de choque térmico, placas que precisam ser soldadas por onda devem ser lentamente aquecidas à temperatura requerida.

Quais são alguns dos defeitos que podem acontecer a placas soldadas por onda se não forem pré-aquecidas?

Defeitos de Solda por Onda e Soluções

Só porque há maquinário envolvido no processo de solda por onda não significa que é menos propenso a erros que soldar cada junta à mão. Seja você usando um tanque de solda ou um ferro de mão, você precisa tratar soldagem como a ciência precisa que é, controlando cuidadosamente onde e o que você solda.

Caso contrário, você acabará com qualquer um dos vários defeitos de soldagem como os listados abaixo:

1. Preenchimento Insuficiente de Furo

Preenchimento insuficiente de furo é um problema que ocorre em placas de circuito impresso com furos pré-perfurados para componentes serem montados na placa. Essencialmente, preenchimento insuficiente de furo ocorre quando uma quantidade inadequada de solda preenche os furos perfurados para os componentes, significando que a solda não grudará na placa de circuito uma vez que esfrie. Existem várias razões para preenchimento insuficiente de furo:

• O fluxo foi aplicado incorretamente e não penetrou através da placa, significando que a solda não foi ativada e não pôde ligar os componentes adequadamente.

• A temperatura do lado superior da placa não está alta o suficiente para tornar a solda fundida para que ela possa subir através dos furos.

• Não havia suficiente placa na onda de solda. Se não o suficiente da placa faz contato com a onda, pouca solda é empurrada para cima nos furos passantes.

A melhor maneira de corrigir estas questões é executar outra série de verificações pré-soldagem. Verifique o tipo de fluxo que você está usando, e certifique-se de que há um volume suficiente dele para cobrir toda a PCI. Esta etapa também ajudará com o segundo problema: pré-aquecimento insuficiente.

Como a solda flui para o calor, a solda não fluirá tão bem se os furos passantes da sua PCI não estiverem na temperatura correta. Enquanto a temperatura "certa" depende dos padrões operacionais da sua empresa, a regra geral é entre 300 e 340 graus Fahrenheit, ou aproximadamente 150 a 170 graus Celsius.

Toda a montagem precisa atingir esta temperatura antes que a placa faça contato com a onda. Se você não tem certeza se seus furos passantes estão atingindo a temperatura correta, faça um perfil do processo de solda por onda — ele deve parecer exatamente igual ou muito similar aos processos de refluxo da sua placa.

Enquanto você está fazendo um perfil do processo de solda por onda, você também pode verificar a altura da placa — ou seja, quanto da placa está exposta à onda a qualquer momento. Tente ter pelo menos metade da espessura da placa correndo na onda de solda a qualquer momento, o que permitirá que a pressão hidrostática da onda empurre a solda para cima no furo passante.

2. Componentes Levantados

Componentes levantados, também conhecidos como lápides (tombstones), são componentes que se elevaram da placa durante o processo de soldagem. Existem várias causas comuns de lápides, incluindo:

• Comprimentos de terminais incorretos, que podem causar componentes a levantar da placa quando entram no banho de solda.
• Tentar realizar solda por onda em uma PCI flexível, que dobrará enquanto o resto dos componentes fica plano, causando-os a levantar da placa.
• Usar componentes com requisitos variados para tipo de solda e temperatura.

Para corrigir os comprimentos de terminais incorretos, veja quais terminais você está usando. Se seus terminais são muito longos, atingir o banho de solda pode empurrá-los para fora do furo passante. Para corrigir isso, você pode aumentar o tempo de imersão na onda, o que deve diminuir a demanda térmica nos terminais e permitir que eles se assentem.

Para corrigir flexão da PCI ou outros problemas relacionados a flex, verifique novamente que tipo de PCI você está usando e quais são suas tolerâncias térmicas. Flexão de placa é comum em conectores grandes e em pacotes IC grandes ou soquetes. PCIs que flexionam desde o início, como plástico, não devem ser soldadas por onda, pois a onda de solda pode causar o plástico a dobrar e levantar os componentes da placa.

Finalmente, uma vez que você verificou as tolerâncias térmicas da sua placa, verifique as tolerâncias térmicas de todos os seus componentes. Componentes que têm diferentes demandas de temperatura ou temperaturas de soldabilidade de terminal também podem levantar no contato com a onda, pois alguns componentes soldam, enquanto calor excessivo empurra outros para longe. Certifique-se de que todos os componentes que você está usando têm os mesmos requisitos, o que deve ajudar a prevenir esses tipos de questões.

3. Solda Excessiva

Solda excessiva é o resultado de sua placa assumindo um acúmulo de solda ao passar por um tanque de solda por onda. Embora isso ainda acabe fazendo uma conexão elétrica entre a placa e o componente em questão, será difícil para você ou quem mais estiver olhando para a placa dizer exatamente o que está acontecendo dentro da solda em si.

Podem haver várias razões pelas quais você pode ter muita solda em suas conexões:

• Ter os mesmos tipos de componentes virados em direções diferentes
• Usar comprimentos de terminais incorretos quando se trata de seus processos de projeto
• Rodar sua esteira transportadora muito rápido

A primeira causa é uma correção fácil. Certifique-se de que todos os seus componentes de um único tipo — por exemplo, todas as suas baterias — viram da mesma forma quando entram no tanque de onda. Então, se um componente está virado "para longe" do tanque quando entra, todos os outros componentes daquele tipo devem estar virados daquela forma também.

Corrigir protrusões de terminais — que são causadas por comprimentos de terminais incorretos no processo de projeto — também pode ajudar a prevenir solda excessiva. Se o terminal é muito longo, a solda pode se acumular contra ele e se tornar excessiva. Para resolver isso, decida um comprimento de terminal que não se estenda muito além das superfícies das ilhas. Por exemplo, a NASA usa um comprimento de terminal de 2,29 mm — apenas longo o suficiente para passar a ilha para soldagem.

Se seus componentes estão todos virados da mesma forma e seus comprimentos de solda são precisos, você pode precisar desacelerar sua esteira transportadora. Uma esteira transportadora que vai muito rápido pode acabar despejando onda após onda de solda nos componentes da sua placa enquanto eles passam pelo tanque de solda. A correção mais fácil para esta questão é conversar com seu gerente de projeto sobre velocidades aceitáveis de esteira transportadora.

4. Esferas de Solda (Solder Balling)

Esferas de solda podem ocorrer quando pequenos pedaços de solda se re-anexam à PCI — especificamente perto dos terminais — enquanto passa pelo processo de solda por onda. Causas comuns de esferas de solda podem incluir:

• A temperatura da solda no tanque está muito alta.
• Solda está caindo de volta na onda enquanto se separa da placa, o que pode causar aquele excesso de solda a respingar de volta na placa.
• Gases liberados por fluxo aquecido podem causar solda líquida a ser cuspida de volta na placa.

A melhor maneira de corrigir problemas gerais de esferas de solda está no projeto da PCI em si. Quando chegar a hora de escolher a máscara de solda que você usa no seu projeto de PCI, tente encontrar uma que tenha a menor chance de permitir que a solda adira a ela em primeiro lugar. Escolhendo a melhor máscara de solda para seu projeto, você pode ajudar a tornar seu projeto de placa mais robusto.

Esferas de solda causadas por gases de fluxo aquecido geralmente decorrem de um refluxo excessivo no ar ao redor do seu tanque de solda por onda, ou uma queda no nitrogênio presente no ambiente. Verifique quanto ar está fluindo para o tanque de solda, bem como a quantidade de nitrogênio presente no ambiente do seu tanque de solda. Manter um olho cuidadoso em ambos ajudará a aliviar questões de esferas de solda causadas por ricochete de fluxo aquecido.

Existem várias razões pelas quais a solda pode cair de volta na onda: se há material volátil ainda no fluxo, quão alta a onda de solda é, etc. A melhor maneira de obter uma noção da raiz do problema é rodar sua onda de solda com um cartão branco sobre o topo da onda, mas sem placas processando. Rode o mesmo teste com alguns painéis de teste passando pela onda, e compare os resultados.

5. Flags de Solda (Solder Flags)

Flags de solda são pequenas protrusões de solda que saem das extremidades dos seus terminais. Embora ainda permitam que você forme uma conexão elétrica adequada com os outros componentes na placa, elas indicam tanto aplicação inadequada de fluxo quanto problemas com como a solda está drenando da sua placa.

Causas comuns para flags de solda incluem:

• Drenagem lenta da solda da máquina de solda por onda, deixando uma quantidade excessiva de solda no terminal, que vai "flag" para um lado enquanto drena.

• Trilhas de solda que parecem bigodes — comumente o resultado de fluxo aplicado inadequadamente.

• Armazenamento inadequado dos seus terminais de solda, que pode causar oxidação que sua solda não será capaz de prontamente aderir.

Drenagem lenta é geralmente causada por controle ruim entre a separação da onda de solda e a placa. Na maioria dos casos, isso é porque o refluxo da onda de solda não está configurado corretamente — certifique-se que o seu está configurado para uma onda estilo "lambda". Se o refluxo da sua onda de solda está configurado corretamente, a solda fluirá na mesma velocidade e na mesma direção que a placa quando ela se separa da onda. Se você precisar, pode rodá-la ligeiramente mais rápido. No entanto, rodá-la lentamente, ou não de todo, aumentará flags/picos de solda.

Oxidação pode ser o resultado de terminais cortados ou armazenados inadequadamente. Se seus terminais não são cortados internamente, verifique com seu fornecedor como eles cortam seus terminais. Extremidades cortadas nuas podem causar seus terminais a oxidar, especialmente se armazenados por um longo tempo. Se sua oficina corta terminais internamente, você tem mais controle sobre como eles são cortados e armazenados, bem como por quanto tempo permanecem em armazenamento. Todos estes três fatores deixam o terminal aberto à oxidação, tornando muito mais difícil molhar com solda quando chega a hora de rodá-lo através da onda.

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