Dominando Stencils de PCB: Guia Completo para Soldagem de Precisão

Stencils de PCB: a fase de impressão é a parte mais crítica de uma montagem de PCB. Também é a mais arriscada, pois o menor erro pode arruinar o circuito eletrônico final. Os erros mais frequentemente resultam da montagem de juntas de solda nos pads da PCB.

Você deve estar atento a erros quando está criando centenas, até milhares de juntas de solda uma por vez. No entanto, uma "bala de prata" que elimina erros que podem surgir durante a montagem de componentes é o stencil de PCB.

Com a estencilagem de PCB, você monta todas as juntas de solda na placa em uma única passada. Isso economiza uma quantidade considerável de tempo e elimina qualquer margem de erro na junta de solda.

Neste guia, você encontrará tudo o que precisa saber para começar com a estencilagem de pasta de solda.

1. O que é Stencil de PCB

1.1 Stencils de PCB – Definição

Um stencil é uma folha fina de material com uma formação de aberturas que determinam o layout dos componentes na PCB. Com o stencil de solda, você pode depositar as quantidades apropriadas de pasta de solda com precisão impecável em uma única passada por toda a placa.

Sua placa fica pronta para a instalação de componentes SMD assim que você aplica pasta de solda sobre um pad da PCB coberto com o stencil. Ao remover o stencil, o depósito de pasta de solda permanece na placa de acordo com a formação das aberturas do stencil.

A deposição impecável de pasta de solda garante que as juntas de solda sejam ideais quanto à resistência mecânica e conexões elétricas.

Atualmente, a maioria dos fornecedores de pads de PCB também produz stencils de PCB. Ao comprar de tais fornecedores, eles oferecem a opção de receber sua PCB junto com seu stencil personalizado.

No entanto, existem dois tipos de stencils: com moldura (framed) e sem moldura (frameless). Embora os sem moldura sejam mais baratos e fáceis de armazenar, eles são a segunda melhor opção para uso em impressão de alto volume.

O material do stencil é um determinante primário de sua capacidade de liberar pasta de solda através das aberturas. Você descobrirá mais sobre isso nas seções subsequentes deste guia.

No entanto, você pode melhorar a capacidade de liberação de pasta de um stencil aplicando um tipo específico de revestimento nele.

1.2 Stencils de PCB – Design do Stencil para PCB

A seguir, uma análise dos elementos críticos do design do stencil:

Espessura do Stencil

É outro determinante crucial da capacidade de um stencil liberar a pasta de solda. Se a espessura não for adequada para o tamanho das aberturas, você não alcançará a junta de solda necessária. Neste caso, a pasta pode aderir às paredes internas das fendas devido à tensão superficial.

Design das Aberturas

O design das aberturas pode afetar as juntas de solda de várias maneiras. Primeiro, determina as chances de ocorrência de defeitos como pontes (bridging) e esferas de solda (solder beads). Também pode fornecer uma vedação tipo gaxeta entre o stencil e a PCB.

Alinhamento

É o determinante final da precisão com que você imprime juntas de solda nos pads. Você pode alcançar excelente alinhamento gravando marcas de registro chamadas marcas fiduciais tanto na PCB quanto no stencil.

Design Específico para PCB

PCBs com pads de cobre que promovem condutividade e dissipação de calor nos pads exigem stencils com designs únicos. Nesses casos, um design de stencil para placas sem pads de cobre levaria a levantamento de cobre e soldagem ruim de terminais externos.

Para eliminar tais defeitos, você precisa adicionar um "efeito janela" (window effect) ao design da abertura. Isso elimina os defeitos moderando o volume de solda.

Se os pads de cobre no pad da PCB vêm com vias que aumentam ainda mais a dissipação, um design diferente de stencil é necessário. O design do stencil deve impedir o depósito de pasta de solda nas vias.

Também há casos onde um pad de PCB requer o uso de stencils de espessuras variadas. Nesses casos, pode haver peças de passo fino delicadas que precisam de stencils finos e peças maiores que exigem stencils mais grossos.

Você pode atender a tais requisitos usando stencils multinível que têm áreas de step-up e step-down. Você pode criar espaços de step-up adicionando mais material a uma área selecionada do stencil.

Isso aumenta a quantidade e altura de pasta de solda nas juntas formadas nessa área. O oposto ocorre na área de step-down.

Do que dissemos até agora, fica claro que a espessura é um dos aspectos mais críticos de um stencil de PCB. No próximo capítulo, analisamos o papel da consistência em um stencil de PCB.

2. Espessura do Stencil de PCB

A combinação de tamanho do pad, formação da abertura e espessura determina a capacidade de deposição de pasta do stencil. No entanto, mesmo se a formação da abertura e o tamanho do pad forem apropriados, a deposição ideal de pasta é impossível sem a espessura correta do stencil.

Fatores a Considerar Antes de Escolher a Espessura do Stencil

A seguir, uma análise dos fatores críticos que você deve considerar ao selecionar a espessura do seu stencil:

Razão de Aspecto (Aspect Ratio)

A espessura determina a quantidade e altura da pasta de solda que forma uma junta de solda. Quanto menor a quantidade, maior a possibilidade de desconexões e menor a possibilidade de pontes (jumpers).

Esta correlação, chamada de "aspecto", resulta das diferenças nas forças atuando sobre a pasta enquanto ela desliza pela abertura. Estas incluem a força que empurra a pasta além da abertura e a que mantém a pasta dentro das fendas.

O contraste entre estas duas forças é representado por uma medida conhecida como Razão de Aspecto. Para alcançar deposição ideal de pasta, você precisa garantir que a Razão de Aspecto seja maior que 1.

A tensão superficial entre a pasta e o pad deve exceder a entre a pasta e a parede da abertura. A Razão de Aspecto pode ser deduzida determinando a razão entre a largura da abertura e a espessura do stencil (W/T).

No entanto, padrões da indústria definem os critérios para determinar a espessura do stencil mais adequada para um tamanho de abertura. O limite inferior do padrão da indústria para Razão de Aspecto é 1,5.

Razão de Área (Area Ratio)

Outra medida crítica para determinar como a espessura de um stencil afeta sua capacidade de liberação de pasta é sua razão de área. A razão de área é a razão entre a área de superfície da abertura e a área de superfície da parede da abertura.

O limite inferior da faixa de áreas de superfície do padrão da indústria é 0,66.

Passo QFP e BGA

Também, ao determinar a espessura apropriada para seu stencil, você precisa considerar atentamente o QFP de passo fino, BGA e o menor tamanho de chip.

• Para um QFP com passo ≤ 0,5 mm, a espessura do seu stencil deve ficar entre 0,12 mm e 0,13 mm.
• Um QFP com passo > 0,5 mm requer espessura de stencil de 0,15 mm – 0,20 mm.
• Para um BGA com passo de esfera de 1,0 mm ou mais, a espessura apropriada do stencil é 0,15 mm.
• Para um BGA com passo entre 0,5 mm e 1,0 mm, você deve escolher 0,13 mm para a espessura do stencil.

É ainda mais imperativo considerar o BGA ou os componentes menores se você for colocar diferentes CIs simultaneamente na placa.

Tamanhos de Stencil SMT

As regras para determinação da espessura apropriada do stencil para uma montagem SMT são mais complexas. No entanto, também é imperativo considerar as razões de aspecto e área ao determinar tamanhos de stencil SMT.

• Para uma montagem SMT que usa gravação química, a razão de aspecto apropriada é 1:1,5.
• Para tipo de passo de stencil cortado a laser, a razão de aspecto adequada é 1:1,12.

Agora que você está equipado com informações adequadas sobre as qualidades essenciais, está pronto para explorar fabricantes de stencil de PCB. O próximo capítulo mostra como.

3. Fabricante de Stencil de PCB

Uma coisa é adquirir uma folha fina de material com a espessura correta. No entanto, é um jogo totalmente diferente furar furos de tamanhos perfeitos neles.

Dado que um stencil de PCB deve conter centenas ou até milhares de furos alinhados com alta precisão, é desaconselhável furar furos manualmente.

Os três métodos mais amplamente usados para fazer stencils com aberturas apropriadas são gravação química, corte a laser e eletroformação. Cada um destes métodos pode levar a superfície da parede do poro a um acabamento diferente; quanto mais liso o acabamento, mais eficiente a liberação de pasta.

O mais popular entre estes três fabricantes de stencil de PCB é o cortador a laser.

Neste capítulo, mostraremos como fazer stencils de PCB usando um cortador a laser. Note que esta técnica não é adequada para criar stencils com passos muito apertados.

Você precisará das seguintes ferramentas para esta técnica:

1. Cortador a laser
2. Folhas de Mylar
3. Software ExpressPCB ou EagleCAD
4. Software ViewMate Gerber Viewing
5. Software de impressão PDF
6. SketchUp, AutoCAD ou qualquer software que visualize e edite arquivos .dxf

Os Passos

1. Empilhe a Folha de Mylar

Empilhe duas folhas de Mylar juntas. Nesta técnica, você aquecerá as folhas de Mylar até que a primeira folha se desprenda da pilha. No processo, a segunda folha absorverá o pad derretido da primeira, permitindo que a primeira seja retirada limpa.

2. Exporte o arquivo de design do ExpressCAD ou EagleCAD:

No EagleCAD, exporte suas camadas de creme superior e inferior através de um arquivo cam, como você envia Gerbers para fabricação. No ExpressPCB, abra o menu Arquivo e selecione a opção "Exportar Desenho Mecânico DXF".

3. Stencils de PCB – Expandir pads no ViewMate

Se você estiver usando software que exporta Gerbers, precisa compensar o derretimento induzido pelo processo de corte. Como o derretimento fará o tamanho do pad aumentar, você precisa reduzir preventivamente o tamanho do pad.

Primeiro, selecione Arquivo > Importar > Gerber para importar suas camadas de creme no ViewMate. Em seguida, escolha Configuração > Códigos D. Selecione todas as colunas nesta área e abra Operações > Expandir (Swell). Digite o valor para os ajustes de tamanho de acordo com as especificações do seu laser.

Depois, imprima o Gerber para PDF e salve.

4. Expandir pads com AutoCAD

Se você estiver usando ExpressPCB, também pode precisar escalar o conteúdo do DXF usando software diferente. Você pode fazer isso com AutoCAD. Para isso, destaque todos os desenhos na janela AutoCAD aberta e digite "ESCALA".

No diálogo Fator de Escala que aparece, digite a figura de escala apropriada. Isso renderizará o desenho nas escalas corretas.

Feito isso, imprima o desenho final para PDF.

5. Stencils de PCB – Corte os Stencils

Ajuste as configurações do seu cortador a laser adequadamente para cortar as folhas de Mylar empilhadas. A primeira folha derreterá um pouco devido ao calor do laser. No entanto, a segunda absorverá o pad derretido da primeira, permitindo que você retire a primeira folha de forma limpa e eficiente.

Até agora, examinamos um fabricante de PCB amplamente usado. No entanto, o tipo e as qualidades do seu stencil de PCB permanecem os determinantes mais cruciais do sucesso na estencilagem de PCB. No próximo capítulo, dissecamos mais as taxas e tipos de stencils de pasta de solda.

4. Stencils de PCB – Stencil de Pasta de Solda

Além do design do stencil de PCB, quatro fatores devem ser criticamente considerados ao obter um template de pasta de solda:

O Material do Stencil

O material é tão crítico para o sucesso da estencilagem de PCB quanto o design do stencil. As folhas finas são geralmente feitas de metal ou poliamida. Stencils de metal (tipicamente aço inoxidável) são os mais ideais para produzir numerosos protótipos.

Stencils de aço inoxidável permitem a formação de aberturas mais precisas. A estrutura molecular do aço inoxidável proporciona paredes de abertura muito mais lisas e permite alcançar uma razão de aspecto eficaz rapidamente.

No entanto, como são mais caros, são excessivos para produzir alguns protótipos. Stencils de poliamida são uma alternativa muito mais barata. Quando entregues através de técnica de corte a laser, também podem criar aberturas excelentes.

Tipo de Stencil de Solda

Existem dois tipos de stencils de pasta de solda: com moldura (framed) e sem moldura (frameless). Stencils com moldura, também chamados de stencils colados, são folhas de stencil cortadas a laser e fixadas permanentemente em uma moldura de stencil.

Stencils com moldura são a melhor escolha para impressão de PCB de alto volume. Como geralmente vêm com paredes de abertura muito lisas, são mais adequados para uso quando passos muito apertados são necessários.

Stencils de pasta de solda sem moldura, também produzidos através de corte a laser, vêm com sistemas de tensionamento. Com estes sistemas, não precisam vir fixos em uma moldura. Torna muito mais fácil armazená-los.

São ideais para pequenas produções de PCB. Também têm aberturas lisas. Além disso, você pode usá-los para pads de PCB que requerem 16 Mil ou menos de passo e Micro BGAs.

Stencils de PCB – Pasta de Solda

O fluxo e as ligas em uma pasta de solda também podem impactar a extensão em que as juntas de solda seguram os componentes. Se a mudança na junta de solda for insuficiente, a solda não segurarão as peças firmemente na placa.

O Revestimento do Stencil

Existem vários tipos de revestimento para stencils de PCB que ajudam a resolver problemas específicos na estencilagem. Para começar, é bastante desafiador limpar placas após grandes produções.

Você pode facilmente limpar o excesso de solda da parte inferior de uma PCB para evitar que o excesso manche outras placas. No entanto, é excruciante fazer o mesmo em grandes produções.

Com certos tipos de revestimento, você pode reduzir a solda residual nas paredes das aberturas que distorcem a formulação necessária de pasta de solda/fluxo.

Agora que você tem uma compreensão mais clara dos tipos e qualidades de stencils de PCB, você está melhor preparado para implementar a estencilagem de PCB. O próximo capítulo dá uma olhada mais de perto em alguns equipamentos essenciais para fazer um stencil de PCB.

5. Impressora de Stencil de PCB

Impressoras de stencil de PCB são famosas por suas capacidades de impressão sem defeitos e repetíveis. Estas impressoras são geralmente ideais tanto para produção de PCB de baixo volume quanto de alto volume.

Existem dois principais tipos de impressoras de stencil SMT: automáticas e semi-automáticas. Existem também impressoras de stencil manuais projetadas explicitamente para produção de protótipos e pequenas tiragens.

Alguns dos recursos críticos de impressoras de stencil SMT incluem chave de fenda, controladores de velocidade e sistemas de câmera que facilitam o alinhamento da PCB. As operações geralmente giram em torno do ajuste de configurações de tamanho do stencil e colocação do stencil em um montador de moldura.

Uma impressora típica permite definir velocidade de impressão, comprimento do curso, pressão do rodo e muito mais. Impressoras de stencil SMT também vêm com telas que exibem detalhes da operação.

Também vêm com compartimentos que limpam a parte inferior dos stencils através de ações como umedecimento, secagem e vácuo. As etapas de vácuo expurgam solda residual presa nas aberturas.

Stencils de PCB – Cortador a Laser para Stencil

É um sistema a laser que usa feixes de alta potência para furar furos em stencils de acordo com parâmetros ditados por software de computador.

Automatiza completamente a criação de aberturas em stencils, tirando estresse e margens de erro da equação. Quando você corta seu stencil de PCB usando cortadores a laser, pode ter certeza que as bordas e paredes das aberturas serão otimamente lisas.

Sistemas de stencil a laser são geralmente altamente versáteis. Com lasers, você pode cortar, perfurar e ablar tanto stencils quanto pads de PCB feitos de uma ampla variedade de materiais.

Cortadores a laser de PCB também esculpem stencils sem produzir poeira, como acontece com sistemas de corte mecânico tradicionais. Isso faz toda a diferença em eletrônica de PCB que vem com componentes ópticos.

Agora, você sabe tudo o que precisa sobre as qualidades e fabricantes de um stencil de PCB. Vamos ver como tudo se junta em uma montagem de PCB de baixo volume.

6. Conclusão

Pronto. Dissecamos a estencilagem de PCB por dentro e por fora e mostramos tudo o que você precisa saber. Armado com este conhecimento, você estará melhor preparado para evitar erros específicos de impressão que podem arruinar seu projeto de PCB.

Além disso, você pode nos contatar sempre que se sentir perdido no processo de fabricação de PCB. Temos tanto expertise de ponta quanto equipamentos de última geração para ajudar você a superar qualquer problema no stencil de PCB.