O que é soldagem por onda na fabricação de PCBA

Introdução

No complexo mundo da fabricação de placas de circuito impresso (PCB), obter conexões elétricas robustas e confiáveis ​​é fundamental. A soldagem por onda é uma etapa essencial do processo.

Essa técnica garante que os componentes through-hole adiram perfeitamente aos PCBs, fixando-os com segurança para as aplicações eletrônicas pretendidas.

Na produção de PCBA, o processo de soldagem por onda envolve etapas complexas, cada uma delas essencial para o resultado final. Da preparação meticulosa da PCB e da aplicação precisa do fluxo ao controle da temperatura da solda e da altura da onda, este método guarda os segredos para a criação de juntas de solda confiáveis.

Nesta exploração, nos aprofundamos no mundo da soldagem por onda. Apresentaremos os detalhes do pré-aquecimento, da criação da onda de solda, da soldagem, do resfriamento e da importância da inspeção final. 

O que é soldagem por onda?

A soldagem por onda é um método popular para soldagem em massa durante a produção de placas de circuito impresso. Neste procedimento, movemos uma placa de circuito sobre um recipiente cheio de solda líquida. 

Dentro desse recipiente, um dispositivo de bombeamento cria uma onda ascendente de solda que se assemelha a uma onda estacionária. À medida que a placa de circuito interage com essa onda de solda, ela facilita a soldagem de seus componentes à placa. 

Embora a soldagem por onda seja aplicada principalmente na soldagem de componentes passantes, ela também pode ser empregada para montagem de superfície em cenários específicos.

O equipamento fundamental utilizado no processo de soldagem por onda de PCB abrange um transportador que transporta a placa de circuito impresso através de várias zonas sequenciais. 

O banho de solda é essencial no procedimento de soldagem, e uma bomba gera a onda de solda essencial. Além disso, este sistema inclui componentes integrais, como um pulverizador de fluxo e uma almofada de pré-aquecimento.

Vale ressaltar que há diversos tipos de máquinas de solda por onda disponíveis, mas seus principais componentes e princípios operacionais permanecem consistentes. 

Máquina de solda ondulada

O processo de máquina de solda por onda Compreende um recipiente de solda aquecido para manter a temperatura necessária. Dentro deste recipiente, criamos uma onda de solda, e a placa de circuito impresso a atravessa, garantindo que apenas a parte inferior da placa entre em contato com a onda de solda.

É essencial regular a altura da onda para evitar que a solda penetre em áreas indesejadas na superfície superior da placa. Normalmente, montamos as placas com segurança em uma esteira transportadora resistente a altas temperaturas. Em fábricas de eletrônicos, é comum encontrar máquinas de solda por onda bimodal ou eletromagnética. Além disso, o preço da solda por onda varia de acordo com o modelo, as características e as capacidades.

Etapas envolvidas no processo de soldagem por onda

Aqui estão as etapas críticas envolvidas no processo de soldagem por onda de PCB:

Preparação de PCB

Comece preparando a placa de circuito impresso (PCB), certificando-se de que esteja limpa e livre de contaminantes ou resíduos. Esta etapa pode envolver a limpeza da superfície da placa de circuito impresso para otimizar a adesão da solda.

Aplicação de fluxo

O fluxo desempenha um papel crucial no processo de soldagem por onda, principalmente para limpar os componentes soldados, especialmente para lidar com quaisquer camadas de óxido que possam ter se formado. 

Existem dois tipos diferentes de fluxo utilizados: corrosivos e não corrosivos. Os fluxos não corrosivos necessitam de pré-limpeza e são empregados quando se exige baixa acidez, enquanto os fluxos corrosivos, por serem mais rápidos e exigirem menos pré-limpeza, possuem um nível de acidez mais alto. 

Precisamos aplicar o fluxo na parte inferior da placa que queremos soldar. É essencial usar a quantidade certa. Muito pouco pode levar a juntas de solda fracas, e muito pode deixar fluxo extra na placa. A quantidade certa é essencial para uma boa soldagem.

No processo de soldagem por onda de PCB, utilizamos duas técnicas principais para aplicar fluxo.

1. Aplicação de fluxo por pulverização: Este método envolve a pulverização de uma névoa fina de fluxo na parte inferior da placa a ser soldada. Em alguns sistemas, um jato de ar comprimido pode remover o excesso de fluxo, garantindo uma aplicação precisa.

2. Aplicação de fluxo de espuma: Nessa abordagem, a placa de circuito impresso eletrônico é colocada sobre uma camada de espuma de fluxo em cascata. Produzimos a espuma colocando o fluxo em um tanque. Dentro do tanque, há um cilindro de plástico com pequenos orifícios. Uma chaminé de metal cobre o cilindro, e os operadores injetam ar através dele, fazendo com que a espuma de fluxo suba para dentro da abertura.

Esses dois métodos de aplicação permitem a deposição controlada e eficaz de fluxo no PCB, uma etapa crucial para garantir uma soldagem confiável.

Pré-aquecimento

Durante o processo de soldagem por onda, altas temperaturas, muito mais altas do que as experimentadas na soldagem manual, expõem as placas e os componentes do PCB. Essa mudança repentina de temperatura, chamada de choque térmico, pode aumentar o risco de falhas. 

Portanto, é necessário pré-aquecer as placas gradualmente, permitindo que atinjam a temperatura desejada e, assim, minimizando o choque térmico, o que resolverá esse problema. Na zona de pré-aquecimento, comumente usamos aquecedores de ar quente. 

Os usuários precisam soprar ar quente sobre as placas de circuito impresso (PCBs) à medida que elas passam pela máquina de solda por onda. Um aquecedor infravermelho pode garantir um aquecimento uniforme em casos onde a placa é densa, evitando áreas sombreadas.

A configuração da temperatura de pré-aquecimento varia de acordo com o tipo de conjunto ou PCB:

• Para soldagem por onda unilateral, ajuste a temperatura para 90 a 100 graus.
• Para soldagem por onda dupla e soldagem por refluxo dupla, mantenha a temperatura dentro da faixa de 100 a 110 graus.
• Para soldagem por onda de PCB multicamadas e soldagem por refluxo de PCB multicamadas, ajuste a temperatura entre 115 e 125 graus.

Criação de ondas de solda e processo de soldagem

Um recipiente ou bandeja de solda dentro da máquina retém a solda derretida no processo de soldagem por onda. Uma bomba cria um fluxo ascendente controlado da solda, formando uma onda estacionária distinta. É crucial manter essa onda na altura e temperatura corretas para facilitar o processo de soldagem de forma eficaz.

Após pré-aquecer a placa de circuito impresso (PCB), movemo-la cuidadosamente sobre a onda de solda derretida. À medida que a PCB entra em contato com a onda de solda, a solda se liga às pastilhas metálicas expostas e aos terminais dos componentes. Essa interação resulta na formação de juntas de solda sólidas e confiáveis.

Escolha do material de solda

A escolha do material de solda é crucial. Tradicionalmente, a liga de solda mais utilizada é a Sn63Pb37, composta por 63% de estanho e 37% de chumbo. Essa combinação oferece excelentes propriedades de soldagem, tornando-a famosa na fabricação de eletrônicos.

No entanto, o chumbo é uma substância perigosa que pode prejudicar a saúde humana e o meio ambiente. Sua presença em materiais de solda representa um risco para os trabalhadores e pode levar à poluição. 

Os fabricantes introduziram ligas de solda sem chumbo como uma alternativa mais segura para resolver essas preocupações. Essas soldas sem chumbo geralmente consistem em materiais diferentes, e duas opções comuns são Cu6Sn5 e Ni3Sn4.

Temperatura de solda 

No processo de soldagem por onda, a temperatura da solda é um fator crucial que influencia a qualidade das juntas soldadas. É crucial gerenciar cuidadosamente a temperatura tanto do recipiente de solda quanto da placa de circuito impresso (PCB) para uma soldagem por onda bem-sucedida. Abaixo estão as faixas de temperatura recomendadas e considerações para uma operação de soldagem por onda eficaz:

• Temperatura da parte superior: Para soldagem por onda sem chumbo, a temperatura típica da parte superior fica entre 180 e 225 °C. No entanto, a temperatura específica pode variar dependendo do tipo de fluxo utilizado.
• Temperatura do pote de solda por onda: No caso de soldagem sem chumbo, o ideal é que os operadores mantenham a temperatura do recipiente de solda por onda na faixa de 265 a 270°C.
• Temperatura inferior do PCB: A temperatura na parte inferior do PCB na última zona de pré-aquecimento deve ser de aproximadamente 150°C.
• Temperatura do ponto de estanho: Os operadores devem controlar de perto a faixa de temperatura do ponto de estanho em 245±10℃ durante a soldagem.
• Temperatura entre CHIP e WAVE: É essencial garantir que a temperatura na zona entre o CHIP e o WAVE não caia abaixo de 180°C.
• Taxa de rampa de temperatura de pré-aquecimento: Os operadores devem manter a taxa de aumento de temperatura da parte inferior da placa PCB durante o pré-aquecimento a uma taxa menor ou igual a 5°C por segundo.
• Temperatura de saída do PCB: Na saída do forno, devemos controlar cuidadosamente a temperatura da placa PCB para garantir que ela permaneça abaixo de 100 graus.

O gerenciamento eficaz desses parâmetros de temperatura é essencial para obter juntas de solda confiáveis ​​e garantir o sucesso geral do processo de soldagem por onda.

Altura da onda de solda

Ao configurar o processo de soldagem por onda, um parâmetro crítico a ser considerado é a altura da onda de solda. A duração do contato entre a onda de solda e os componentes soldados normalmente dura de 2 a 4 segundos. 

Duas configurações principais da máquina regulam esse tempo de contato: a velocidade da esteira e a altura da onda. Alterar qualquer um desses parâmetros impactará diretamente o tempo de contato. Geralmente, aumentamos ou diminuímos a velocidade da bomba na máquina de acordo para ajustar a altura da onda. 

Além disso, podemos usar uma placa de vidro temperado para uma avaliação mais precisa de quaisquer alterações na altura da onda. Quando um dispositivo é instalado, ele permite o registro digital do tempo de contato, altura da onda e velocidade para um controle abrangente do processo.

Processo de refrigeração

É crucial manter uma taxa de resfriamento adequada para a placa de circuito impresso (PCB) após a soldagem. O resfriamento rápido pode causar deformação da PCB e possíveis danos às juntas de solda.

Por outro lado, se a PCB esfriar muito lentamente, ela pode se tornar quebradiça, com risco de danos a alguns componentes devido à exposição prolongada a altas temperaturas. É aconselhável empregar métodos como resfriamento a água ou a ar, que ajudam a regular o processo de resfriamento e minimizam os danos potenciais à PCB, para um equilíbrio adequado.

Aparar e limpar

Às vezes, pode haver muita solda que precisa ser consertada para uma conexão limpa e robusta. Para isso, pode ser necessário remover o excesso de solda ou as esferas de solda da PCB para deixar tudo limpo e confiável.

Inspeção final

Uma inspeção final da placa de circuito impresso (PCB) garante que todas as juntas de solda atendam aos padrões de qualidade necessários e que a PCB esteja livre de falhas. Esta etapa é vital para confirmar a integridade da placa e a qualidade da soldagem.

Equipamento básico usado no processo de soldagem por onda

Os equipamentos essenciais utilizados no processo de soldagem por onda incluem:

• Esteira transportadora: A esteira transportadora facilita a movimentação da placa de circuito impresso, guiando-a por diferentes seções da máquina de solda.

• Bandeja de solda: serve como núcleo do processo de soldagem, contendo a solda derretida necessária para a operação.

• Bomba: A bomba gera ondas de solda características que lembram ondas estacionárias, permitindo uma soldagem eficaz.

• Pulverizador de fluxo: O pulverizador de fluxo distribui o fluxo na parte inferior do PCB, preparando-o para pré-aquecimento e submersão na solda líquida.

• Almofada de pré-aquecimento: Este elemento pré-aquece o PCB, garantindo condições ideais de soldagem.

Precauções de segurança no processo de soldagem por onda

Ao realizar a soldagem por onda, é crucial observar diversas precauções para se proteger contra riscos potenciais e garantir a qualidade do produto final. Algumas dessas precauções incluem:

Inspeção de Máquina

Antes de começar, é crucial verificar cuidadosamente a máquina de solda por onda, o que envolve examinar as condições da superfície do forno, garantir que a escória de estanho esteja em boas condições e verificar o fornecimento de ar pressurizado.

Manutenção da máquina

A manutenção regular é essencial para evitar riscos potenciais, como parafusos soltos, baixa velocidade da corrente e eixos de transmissão enferrujados. Esses problemas podem levar ao desprendimento da placa e à baixa qualidade após a soldagem.

Prevenção de elevação de componentes

O calor gerado durante a soldagem pode enfraquecer a adesão do cobre, tornando a placa frágil. É crucial manusear a placa com cuidado ao removê-la da máquina de solda para evitar que os componentes se levantem.

Evitando curtos-circuitos de solda

Curtos-circuitos ocorrem quando a solda não se separa de dois ou mais fios antes de solidificar. Para evitar esse problema, reduzir o comprimento e o tamanho da almofada pode ajudar a minimizar a quantidade de solda que adere à placa. Essas medidas contribuem para um processo de soldagem por onda mais seguro e de maior qualidade.

Preenchimento adequado do buraco

É crucial manter um fluxo de solda constante para evitar o preenchimento insuficiente dos furos, o que pode resultar em drenagem lenta da solda. A drenagem lenta pode levar ao excesso de solda no terminal, causando uma drenagem irregular e criando rastros de solda na placa. A remoção oportuna da placa da onda de solda também pode ajudar a evitar esse problema.

Gerenciando a quantidade de solda

O excesso de solda pode levar a problemas como a formação de pontes de solda, quando a solda conecta involuntariamente dois ou mais fios. Para evitar isso, é necessário aplicar uma camada protetora que impeça a solda de formar pontes nas conexões.

Prevenção de formação de bolas de solda

A formação de pequenas bolas de solda na placa pode ser reduzida usando a quantidade adequada de fluxo e garantindo a limpeza da placa antes da soldagem.

Evitando Soldagem Falsa

Soldagem falsa e a formação de bolhas de ar podem ser resultados de um furo úmido. É crucial confirmar se o furo está seco antes de prosseguir.

Monitoramento da composição de estanho

Verificar regularmente a composição do estanho é essencial para evitar problemas como resultados de baixa qualidade após o forno e possível deformação horizontal dos trilhos.

Vale ressaltar que estas precauções servem como diretrizes gerais, e os cuidados específicos podem variar dependendo do tipo de máquina de solda por onda e dos materiais utilizados. Sempre siga as instruções e diretrizes de segurança do fabricante antes de operar uma máquina de solda por onda.

Defeitos comuns encontrados no processo de soldagem por onda

Durante o processo de soldagem por onda, diversos defeitos podem afetar a qualidade do produto final. Aqui estão alguns defeitos comuns, suas possíveis causas, efeitos e soluções:

Defeitos de orifício ou bolha

Esses defeitos são causados ​​pela espessura do revestimento de cobre. A umidade da placa é expelida pela fina camada de cobre ou por espaços vazios.

As possíveis causas desses defeitos são revestimento de cobre, fluxo e solda de baixa qualidade. Os efeitos desses defeitos são baixa condutividade elétrica e baixa resistência mecânica. A solução para esse problema é usar revestimento de cobre, fluxo e solda de alta qualidade.

Preenchimento de furo insuficiente

Este problema ocorre em placas de circuito impresso com furos pré-perfurados para a montagem de componentes na placa. As possíveis causas deste defeito são baixa temperatura, solda contaminada, superfícies muito oxidadas para o fluxo utilizado, fluxo contaminado e má aplicação do fluxo.
 
Os efeitos desse defeito são baixa condutividade elétrica e baixa resistência mecânica. A solução para esse problema é investigar cada causa possível e corrigir as discrepâncias suspeitas, uma de cada vez, até que a soldabilidade seja restaurada.

Componentes Elevados

Esse defeito ocorre quando o usuário não solda corretamente os componentes à placa. Possíveis causas para esse problema incluem fluxo abaixo do esperado, solda de baixa qualidade e pré-aquecimento inadequado. 

As consequências desse defeito se manifestam como condutividade elétrica comprometida e resistência mecânica reduzida. A solução para esse problema envolve a utilização de fluxo, solda e técnicas de pré-aquecimento de alta qualidade.

Excesso de Solda

Esse defeito surge quando se aplica solda em excesso à placa. Fatores potenciais que contribuem para esse problema incluem fluxo abaixo do padrão, solda de baixa qualidade e pré-aquecimento insuficiente. 

As repercussões desse defeito resultam em diminuição da condutividade elétrica e enfraquecimento da resistência mecânica. É essencial empregar fluxo, solda e métodos de pré-aquecimento de alta qualidade para resolver esse problema.

Bola de solda

Esse defeito ocorre quando pequenas bolas de solda se formam na placa. Fatores que contribuem para esse problema podem incluir fluxo abaixo do ideal, solda de qualidade inferior e pré-aquecimento inadequado. 

Os efeitos desse defeito incluem redução da condutividade elétrica e enfraquecimento da resistência mecânica. É aconselhável implementar procedimentos de fluxo, solda e pré-aquecimento de alta qualidade para superar esse problema. 

Soldagem por onda vs. soldagem por refluxo

Soldagem por refluxo e por onda são métodos diferentes de produção de placas de circuito impresso (PCBs). A soldagem por refluxo monta principalmente componentes de tecnologia de montagem em superfície (SMT), que são particularmente adequados para componentes menores. 

Em contraste, a soldagem por onda é o método de escolha para tecnologia de furo passante (THT) ou montagem de pacote duplo em linha (DIP), normalmente acomodando componentes maiores.

A soldagem por refluxo é cada vez mais popular na indústria de PCBs, oferecendo vantagens econômicas. Em contrapartida, a soldagem por onda se destaca em velocidade e eficiência, tornando-se uma escolha ideal para cenários de fabricação de alto volume. 

Tanto a soldagem por onda quanto a soldagem por refluxo têm vantagens e limitações exclusivas, e a escolha de qual delas empregar depende dos requisitos específicos do PCB.

Vamos dar uma olhada nas vantagens e desvantagens de cada técnica:

Prós da soldagem por refluxo:

• Ideal para componentes pequenos
• Cria juntas de solda de alta qualidade
• Funciona bem para produção em pequena escala
• Custo-beneficio

Contras da soldagem por refluxo:

• Não é adequado para componentes significativos
• Exige controle preciso da temperatura
• Menos eficaz para produção de alto volume

Prós da soldagem por onda:

• Adequado para componentes grandes
• Rápido e eficiente
• Excelente para fabricação em alto volume
• Requer controle de temperatura menos exigente

Contras da soldagem por onda:

• Inadequado para componentes pequenos
• Requer operação qualificada
• Isso pode levar a problemas como componentes levantados e excesso de solda, principalmente se não for tratado com experiência.

Conclusão

Concluindo, dominar a soldagem por onda não é apenas uma necessidade da indústria; é uma forma de arte que combina precisão, tecnologia e responsabilidade ambiental. 

Ao compreender sua complexidade, os fabricantes podem garantir a produção de PCBs que atendem a padrões de qualidade precisos, minimizando ao mesmo tempo seu impacto ecológico. 

A soldagem por onda continua sendo um elemento fundamental da produção de PCB, abrindo caminho para a próxima geração de inovações eletrônicas.