Rogério Henrique de Magalhães Pintorepositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/39510/1... · Rogério Henrique de Magalhães Pinto UMinho | 2015 fevereiro de 2015 Avaliação da

Rogério Henrique de Magalhães Pinto

Avaliação da camada intermetálica emplacas de circuito impresso comacabamento superficial HASLcom diferentes processos de soldagem

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

fevereiro de 2015

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia de Materiais

Trabalho efetuado sob a orientação deProfessor Doutor Aníbal José Reis GuedesEngenheiro José Luís Sousa Ribas

Rogério Henrique de Magalhães Pinto

Avaliação da camada intermetálica emplacas de circuito impresso comacabamento superficial HASLcom diferentes processos de soldagem

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

iii

AGRADECIMENTOS

Os meus agradecimentos são endereçados para todas as pessoas que contribuíram para a

realização da minha Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais.

Gostaria de agradecer ao Prof. Doutor Aníbal Guedes, que me orientou pacientemente neste

desafio e pela constante disponibilidade em atender às minhas dúvidas.

Quero agradecer à Bosch Car Multimedia SA por apoiar o meu desenvolvimento pessoal e

profissional e por suportar os encargos financeiros para a realização desta dissertação.

Um agradecimento especial para o Engenheiro Luís Ribas pela oportunidade de ingressar na sua

equipa de trabalho. Um agradecimento especial também para o Ricardo Alves e Gonçalo Costa pelo

acompanhamento, orientação e completa disponibilidade em atender às minhas dúvidas e estarem

presentes em todos os momentos deste trabalho.

Também prestar os meus agradecimentos ao Pedro Carvalho, colaborador do laboratório químico

Marques Ferreira pelo constante auxílio e grande companheirismo demonstrado ao longo deste ano.

Gostaria de agradecer à Elsa Ribeiro, colaborada da Universidade do Minho, pela ajuda na aquisição

das imagens de microscopia eletrónica de varrimento.

Um muito obrigado aos meus amigos que sempre me apoiaram e incentivaram excessivamente a

não desistir ao longo desta dissertação, em especial à Catarina Miranda, à Marta Correia, ao Pedro

Carvalho e à Vânia Rego. Sem o vosso apoio e amizade, este ano de trabalhado não seria tão

gratificante.

Aos meus pais, avós e irmã por me apoiarem sempre incondicionalmente nesta longa caminhada

e por acreditarem desmesuradamente nas minhas capacidades, o meu enorme “obrigado por tudo”,

sem eles nada disto teria sido possível.

v

RESUMO

O principal acabamento superficial utilizado em placas de circuito impresso era o HASL (Hot Air

Solder Leveling) usando uma liga de solda Sn63Pb37 (% ponderal). No entanto, com a passagem para

processos de soldagem “lead free”, e tendo em conta os problemas inerentes ao acabamento, este foi

excluído dos produtos ligados à indústria automóvel.

O principal objetivo da dissertação foi avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos

de soldagem sem chumbo na morfologia, composição química e na resistência mecânica (resistência

ao corte à temperatura ambiente) das juntas de solda. As placas foram produzidas em 4 grupos com

diferentes condições, avaliando-se essencialmente o efeito da temperatura e do tipo de soldagem.

As técnicas de análise, os testes mecânicos e a caracterização feita nos produtos em estudo

demonstraram que placas soldadas com este tipo de acabamento, e de acordo com os requisitos Car

Multimedia (CM), apresentam boa qualidade e cumprem as especificações Bosch, não se encontrando

defeitos ou anomalias nas juntas soldadas nos processos de soldagem estudados, nomeadamente o

processo de reflow e de onda.

Relativamente ao crescimento dos produtos de reação entre a pasta de solda e os materiais de

base, estes manifestaram-se de forma diferente para os dois processos de soldagem. No caso de pads

de componentes SMD (Surface Mount Device) o crescimento máximo verificado é de 5,27µm enquanto

que em furos de componentes TH (Through Hole) o crescimento é mais elevado no topo do que na

parte inferior da placa, devido ao movimento dinâmico da soldagem por onda. O envelhecimento

associado a perfis térmicos máximos segundo requisitos CM causa um aumento da camada

intermetálica entre 0,3 e 1µm.

A soldagem mediante acabamentos superficiais HASL resulta na formação de camadas

intermetálicas de Sn-Cu-Ni nas interfaces entre a liga de solda (Sn-Ag-Cu) e o cobre dos pads. Na liga

de solda verificou-se a formação de duas fases diferentes, uma extremamente rica em estanho e outra

onde se evidenciou a presença da prata.

A caracterização mecânica das juntas de solda foi efetuada mediante a realização de ensaios de

resistência ao corte em condensadores, tendo-se verificado que a força máxima de corte estava

compreendida entre 25 e 30N. A fratura ocorreu pelos componentes a ligar e não pela junta de solda.

PALAVRAS-CHAVE

HASL (Hot Air Solder Leveling) – Camada intermetálica – Solda sem chumbo – Soldagem – Eletrónica

vii

ABSTRACT

The main surface finish used in printed circuit boards was the HASL (Hot Air Solder Leveling) using

the solder alloy Sn63Pb37 (% weight). However, with the transition for lead free soldering processes,

and taking into account the problems associated with the surface finish, this was discarded for products

related to the automotive industry.

The main objective of this thesis was to evaluate the influence of different thermal profiles and lead

free soldering processes in morphology, chemical composition and mechanical properties (shear

strength at room temperature) of solder joints. The plates were produced in 4 groups with different

conditions, assessing essentially the effect of temperature and the type of soldering.

The analysis techniques, mechanical testing and characterization of the products under study

demonstrated that soldered plates with this type of finish, and according to the Car Multimedia (CM)

requirements, have good quality and meet the Bosch specifications. No anomalies or defects were

found in the soldered joints on the studied soldering processes, in particular the process of reflow and

wave.

For the growth of the reaction products between the solder paste and the base material this has

manifested itself differently for the two soldering processes. In the case of pads for SMD components

(Surface Mount Device) the maximum growth verified was 5.27µm whilst in the holes of TH

components (Through Hole) the increase is higher at the top than at the bottom of the plate due to the

dynamic movement of the wave soldering. The aging associated with maximum thermal profiles

according to CM requirements cause an increase in intermetallic layer between 0.3 and 1µm.

Soldering in HASL surface finishes resulting in the formation of the intermetallic layers of Sn-Cu-Ni

between the solder alloy (Sn-Ag-Cu) and the copper pads. In the solder alloy it was found the formation

of two different phases, one is extremely rich in tin and other revealed the presence of silver.

The mechanical characterization of solder joints was analyzed by shear strength tests in capacitors

and it was verified that the maximum shear force which these components support is between 25 and

30N. The fracture occurred by the components to be connected and not in the solder joint.

KEYWORDS

HASL (Hot Air Solder Leveling) – Intermetallic layer – Lead free solders – Soldering – Electronic

ix

ÍNDICE

Agradecimentos .................................................................................................................................. iii

Resumo............................................................................................................................................... v

Abstract............................................................................................................................................. vii

Índice de Figuras .............................................................................................................................. xiii

Índice de Tabelas ............................................................................................................................. xvii

Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .......................................................................................... xix

Capitulo 1. Introdução ........................................................................................................................ 1

1.1 Enquadramento .................................................................................................................. 1

1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 2

1.3 Estrutura da dissertação ...................................................................................................... 3

Capitulo 2. Os PCBs ........................................................................................................................... 5

2.1 Printed Circuit Board (PCB) ................................................................................................. 5

2.1.1 Classificação dos PCBs ................................................................................................ 6

2.1.2 Percurso histórico ........................................................................................................ 8

2.2 Acabamentos Superficiais do PCB ..................................................................................... 10

2.2.1 Hot Air Solder Leveling – HASL “lead free”................................................................. 13

Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica ..................................................................................... 17

3.1 Produção de PCBAs (printed circuit board assembled) ....................................................... 17

3.1.1 Componentes eletrónicos ........................................................................................... 18

3.1.2 Through Hole Technology .......................................................................................... 19

3.1.3 Surface Mount Technology ......................................................................................... 19

3.1.4 Combinação das tecnologias TH e SMT ..................................................................... 20

3.2 Princípios de soldagem ..................................................................................................... 21

3.2.1 Principais aspetos físicos e químicos da soldagem ..................................................... 22

3.3 Pastas de solda ................................................................................................................. 23

3.3.1 Pastas de solda ......................................................................................................... 23

3.3.2 Fluxos ....................................................................................................................... 25

x

3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base .................................................... 26

3.5 Processos de soldagem ..................................................................................................... 29

3.5.1 Impressão da pasta de solda ..................................................................................... 31

3.5.2 Inserção de componentes .......................................................................................... 32

3.5.3 Processo de soldagem por Reflow .............................................................................. 33

3.5.4 Processo de soldagem por onda ................................................................................ 36

3.5.5 Defeitos de produção de PCBAs ................................................................................. 39

Capitulo 4. Procedimento experimental ............................................................................................. 41

4.1 Introdução ........................................................................................................................ 41

4.2 Materiais ........................................................................................................................... 44

4.3 Métodos de processamento ............................................................................................... 45

4.3.1 Envelhecimento dos PCBs ......................................................................................... 45

4.3.1 Perfis térmicos .......................................................................................................... 47

4.4 Técnicas de caracterização ................................................................................................ 55

4.4.1 Inspeção da impressão de liga de solda (SPI) e Inspeção ótica automática (AOI) ......... 55

4.4.2 Inspeção visual e Inspeção de scanner de raios-X ....................................................... 56

4.4.3 Cortes seccionais ...................................................................................................... 57

4.4.4 Resistência ao Corte .................................................................................................. 62

4.4.5 Microscopia eletrónica de varrimento (MEV) / Espectroscopia de dispersão de energias

(EDS)……. ................................................................................................................................. 64

Capitulo 5. Resultados e discussão ................................................................................................... 65

5.1 Introdução ........................................................................................................................ 65

5.2 Inspeção da impressão da pasta de solda (SPI) ................................................................. 65

5.3 Inspeção ótica automática (AOI) – Soldagem por reflow ..................................................... 67

5.4 Inspeção ótica automática (AOI) – Soldagem por onda ....................................................... 68

5.5 In circuit test (ICT) ............................................................................................................. 68

5.6 Inspeção visual ................................................................................................................. 69

5.6.1 PCB sem e com envelhecimento ................................................................................ 69

5.6.2 Passagem de PCBs através de 2 reflows .................................................................... 71

xi

5.6.3 Inspeção visual após os processos de soldagem ........................................................ 72

5.7 Inspeção por scanner de raios-X ........................................................................................ 74

5.8 Cortes seccionais .............................................................................................................. 75

5.8.1 PCB sem e com envelhecimento ................................................................................ 75

5.8.2 Comparação de PCB com PCB com 2 passagens no forno ......................................... 77

5.8.3 PCBAs após todos os processos de soldagem ............................................................ 79

5.9 Crescimento das camadas intermetálicas .......................................................................... 81

5.9.1 Efeito do envelhecimento no PCB ............................................................................... 82

5.9.2 Efeito dos perfis térmicos em PCBs “não montados” ................................................. 83

5.9.3 Efeito do envelhecimento e dos perfis térmicos (reflow) em PCBAs ............................. 85

5.9.4 Efeito do processo de soldagem por onda .................................................................. 87

5.10 Resistência mecânica das juntas de solda ......................................................................... 89

5.10.1 Resistência ao corte após o primeiro reflow ................................................................ 89

5.10.2 Resistência ao corte após segundo reflow .................................................................. 90

5.10.3 Resistência ao corte após soldagem por onda ............................................................ 90

5.10.4 Avaliação do modo de falha ....................................................................................... 91

5.11 Caracterização morfológica................................................................................................ 92

5.11.1 Topografia superficial do acabamento superficial HASL lead free ................................ 92

5.11.2 Composição química das interfaces ........................................................................... 95

Capitulo 6. Conclusões ..................................................................................................................... 99

Capitulo 7. Trabalhos futuros .......................................................................................................... 101

Referências Bibliográficas ............................................................................................................... 103

ANEXO I ......................................................................................................................................... 107

ANEXO II ........................................................................................................................................ 108

ANEXO III ....................................................................................................................................... 109

ANEXO IV ....................................................................................................................................... 110

ANEXO V ........................................................................................................................................ 112

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB. ..................................................... 6

Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de

dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11].............................................................................. 7

Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12]. ............... 8

Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13]. ................................................................. 9

Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14]. ................... 10

Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin. ................. 13

Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no

acabamento HASL [8]. ..................................................................................................................... 14

Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL......................................................................... 15

Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8]. ................... 15

Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH.

........................................................................................................................................................ 19

Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população. ........................... 20

Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola. ............. 21

Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda. ...................................................................... 22

Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3]. ......................................................... 25

Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31]. .............................. 28

Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1]. ............................................................. 29

Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33]. ......................................................................... 30

Figura 18. Sequência típica de etapas para a produção de um PCBA (Bosch). ................................... 30

Figura 19. Equipamento de impressão de pasta EKRA [35]. .............................................................. 31

Figura 20. Equipamento de inserção de componentes Siplace. a) Equipamento Siplace; b) Alimentador

de componentes; c) Nozzles do equipamento [36, 37]. ..................................................................... 32

Figura 21. Diversos métodos de soldagem por reflow [Adaptado de 3]. .............................................. 33

Figura 22. Perfil térmico típico usado no processo de soldagem por reflow [16]. ................................ 34

xiv

Figura 23. Equipamento de soldagem por onda. a) Equipamento completo Vitronics-Soltec; b) Sistema

de fluxação por spray; c) Sistema de pré aquecimento; d) Sequência de ondas de solda fundida [38]. 36

Figura 24. Condições dos PCBs dos grupos de produção. ................................................................. 42

Figura 25. Fluxograma detalhado para cada grupo de produção de 25 PCBs. .................................... 43

Figura 26. Câmara Heraeus Voctsch HC 0020 utilizada para o envelhecimento dos PCBs. ................ 46

Figura 27. Forno de reflow REHM utilizado na produção dos produtos [43]. ...................................... 47

Figura 28. Perfil térmico nominal (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ....... 48

Figura 29. Perfil térmico nominal (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ..... 49

Figura 30. Perfil térmico máximo (l. Inferior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ....... 50

Figura 31. Perfil térmico máximo (l. superior) e valores obtidos nas diferentes zonas de medição. ..... 51

Figura 32. Perfil térmico nominal - soldagem por onda. ..................................................................... 53

Figura 33. Perfil térmico máximo - soldagem por onda. ..................................................................... 54

Figura 34. Equipamentos de inspeção. a) Equipamento de SPI; b) Equipamento de AOI [45, 46]. ...... 56

Figura 35. a) Microscópio ótico Leica; b) Equipamento de inspeção scanner de raios-X Phoenix [47]. 57

Figura 36. Sequência para obtenção de cortes seccionais. a) Corte em resina; b) Equipamento de

desbaste e polimento Struers; c) Ataque químico. ............................................................................. 58

Figura 37. Microscópio Keyence VHX-2000 [49]. .............................................................................. 59

Figura 38. Zonas de cortes seccionais. a) Lado inferior da placa; b) Lado superior da placa. .............. 59

Figura 39. Pontos de medição da zona 1. a) Vista geral da soldagem dos dois DFPs; b) Representação

dos pontos de medição realizados em cada pad; c) Detalhe da medição da espessura. ..................... 60

Figura 40. Pontos de medição da zona 2. a) Vista geral da soldagem do BGA; b) Representação dos

pontos de medição realizados em cada bola de solda; c) Detalhe da medição da espessura. ............. 61

Figura 41. Pontos de medição da zona 5. a) Vista geral da soldagem do componente TH; b)

Representação dos pontos de medição realizados em cada furo; c) Detalhe da medição da espessura.

........................................................................................................................................................ 61

Figura 42. Representação dos componentes analisados e suas posições. a) Desenho técnico da zona

de análise; b) Imagem real da zona de análise. ................................................................................. 63

Figura 43. Representação dos resultados práticos obtidos no ensaio de resistência ao corte. ............. 63

Figura 44. Resultados da impressão da liga de solda – altura. ........................................................... 66

Figura 45. Resultados de AOI. a) Resultados do lado inferior do PCB; b) Resultados do lado superior do

PCB. ................................................................................................................................................ 67

xv

Figura 46. Resultados de inspeção AOI - soldagem por onda. ............................................................ 68

Figura 47. Resultados do In Circuit Test. ........................................................................................... 69

Figura 48. Inspeção visual entre PCBs com e sem envelhecimento. .................................................. 70

Figura 49. Inspeção visual entre PCBs com duas passagens pelo forno de reflow. ............................. 71

Figura 50. Resultados da inspeção visual após os processos de soldagem. ....................................... 72

Figura 51. Resultados da inspeção por scanner de raios-X. ............................................................... 74

Figura 52. Cortes seccionais em PCBs com e sem envelhecimento. .................................................. 76

Figura 53. Comparação de PCB com PCB sujeito a duas passagens pelo forno com perfis máximos. 78

Figura 54. PCBAs após todos os processos de soldagem. ................................................................. 80

Figura 55. Espessura da camada intermetálica - efeito do envelhecimento. ....................................... 82

Figura 56. Crescimento intermetálico entre PCBs sem e com envelhecimento. .................................. 83

Figura 57. Espessura da camada intermetálica em PCBs após passagens no forno de reflow. a) DFP -

lado inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. ..................................................................................... 84

Figura 58. Imagens de MEV do pad do componente DFP. a) PCB após envelhecimento; b) PCB após

envelhecimento e duas passagens pelo forno com perfis máximos. ................................................... 85

Figura 59. Espessura da camada intermetálica em PCBAs sujeitos a todas as variáveis. a) DFP - lado

inferior; b) DFP - lado superior; c) BGA. ............................................................................................. 86

Figura 60. Imagens de MEV do pad do componente DFP soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do

grupo 4. ........................................................................................................................................... 86

Figura 61. Espessuras da camada intermetálica no furo do transformador. a) Condição inicial (PCB); b)

Após o primeiro reflow; c) Após o segundo reflow; d) Espessura da camada intermetálica do

transformador soldado. ..................................................................................................................... 87

Figura 62. Imagens de MEV do furo do transformador soldado. a) PCBA do grupo 1; b) PCBA do grupo

4 ...................................................................................................................................................... 88

Figura 63. Resultados da força máxima suportada após o primeiro reflow. ........................................ 89

Figura 64. Resultados da força máxima suportada após o segundo reflow. ........................................ 90

Figura 65. Resultados da força máxima suportada após a soldagem por onda. .................................. 91

Figura 66. Resultados dos modos de falha predominantes. ............................................................... 92

Figura 67. Zona analisada. a) Cortes das zonas do PCB; b) Imagem da zona específica de análise. ... 93

Figura 68. Imagens de MEV da análise da zona anterior. a) Superfície do pad; b) Superfície do pad

após duas passagens pelo forno. ...................................................................................................... 93

xvi

Figura 69. Análise EDS da zona anterior. a) Análise das partículas; b) Análise da superfície do

acabamento. .................................................................................................................................... 94

Figura 70. Imagem de EDS das duas zonas. a) Pad zona 1; b) Furo da zona 5. ................................. 95

Figura 71. Imagem de EDS das duas zonas após processos de soldagem. a) Pad zona 1; b) Furo da

zona 5. ............................................................................................................................................. 96

Figura 72. Tabela de conversão de temperatura húmida para humidade relativa. ............................ 107

Figura 73. Gráfico referente à temperatura de 85ºC para o envelhecimento. ................................... 107

Figura 74. Gráfico referente à temperatura húmida representando 75% humidade relativa. .............. 107

Figura 75. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado superior. ......................... 108

Figura 76. Pontos de medição do perfil térmico do forno de reflow - Lado inferior. ........................... 108

Figura 77. Códigos de modos de falha de acordo com IEC 62137-1-2. ............................................ 109

Figura 78. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI – DFP lado inferior. ...................... 110

Figura 79. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - DFP lado superior. ..................... 110

Figura 80. Resultados referentes à área e volume obtidos no SPI - BGA. .......................................... 111

Figura 81. Espectro referente a um ponto da camada intermetálica................................................. 112

Figura 82. Espectro referente a uma partícula dispersa da camada intermetálica. ........................... 112

Figura 83. Espectro referente à solda do centro da junta soldada. ................................................... 112

xvii

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23]. ..................................................................................... 18

Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4]. .......................... 24

Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28]. ............................................ 25

Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho

[3]. ................................................................................................................................................... 27

Tabela 5. Defeitos comuns na produção de PCBAs [22, 39]. ............................................................. 40

Tabela 6. Diferentes pastas de solda utilizadas no presente trabalho [40-42]. .................................... 44

Tabela 7. Condições de Envelhecimento. .......................................................................................... 46

Tabela 8. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil nominal. ................................................ 47

Tabela 9. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. Inferior). ............................... 49

Tabela 10. Temperaturas definidas no forno de reflow - perfil máximo (l. superior). ............................ 51

Tabela 11. Tabela comparativa entre perfis nominais e máximos. ..................................................... 52

Tabela 12. Tabela comparativa entre os parâmetros da soldagem por onda. ..................................... 54

Tabela 13. Equipamento do teste, condições ambientais e standards aplicados. ................................ 62

Tabela 14. Medições de espessura do acabamento do DFP lado inferior da placa. ............................ 77

Tabela 15. Medição da espessura do acabamento para o BGA e DFP inseridos no segundo lado. ...... 77

Tabela 16. Medições de espessura do acabamento ao longo do furo do transformador. ..................... 77

Tabela 17. Espessura do acabamento superficial do DFP do lado inferior após duas passagens pelo

forno. ............................................................................................................................................... 79

Tabela 18. Espessuras do acabamento superficial após duas passagens pelo forno (componentes

segundo lado). .................................................................................................................................. 79

Tabela 19. Espessuras do acabamento superficial no furo do transformador após as duas passagens

pelo forno. ........................................................................................................................................ 79

Tabela 20. Composição química das partículas. ................................................................................ 94

Tabela 21. Composição química da zona 1 e 5. ................................................................................ 95

Tabela 22. Composição química da zona 1 e 5 após soldagem. ........................................................ 97

xix

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS

Ag Prata

AOI Automatic Optical Inspection

BGA Ball Grid Array

CET Coeficiente de Expansão Térmica

Cu Cobre

DFP Dual Flat Pack

EDS Espectroscopia de Dispersão de Energias

ENIG Electroless Nickel, Immersion Gold

FR-2 Flame Resistant 2

FR-4 Flame Resistant 4

HASL Hot Air Solder Levelling

ICT In Circuit Test

IPC Institute for Printed Circuit

MEV Microscopia Eletrónica de Varrimento

Ni Níquel

OSP Organic Surface Preservative

Pb Chumbo

PCB Printed Circuit Board

PCBA Printed Circuit Board Assembled

PTFE PoliTetraFluoroEtileno

QFP Quad Flat Pack

RoHS Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances

SMD Surface Mount Device

SMT Surface Mount Technology

Sn Estanho

SPI Solder Paste Inspection

TH Through Hole

WEEE Waste Electrical and Electronic Equipment

Capitulo 1. Introdução Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com

acabamento superficial HASL com diferentes processos de soldagem

1

CAPITULO 1. INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento

A indústria eletrónica é um dos ramos mais competitivos atualmente. O constante

desenvolvimento tecnológico faz com que cada empresa seja obrigada à inovação e otimização

contínua dos seus produtos.

Os produtos eletrónicos de hoje em dia funcionam com base em PCBs (Printed circuit boards –

Placas de circuito impresso). Os PCBs são a forma mais compacta de ligar componentes elétricos sem

a necessidade de fios. A miniaturização e o aumento da densidade de componentes nas placas de

circuito impresso levam a exigências acrescidas na produção, produtividade e custos, exigindo um

maior controlo sobre os processos de fabrico e soldagem dos PCBs [1].

A soldagem possibilita criar, transmitir, processar ou armazenar algum sinal ou estado

eletromagnético para executar a função desejada, proporcionando também a necessária integridade

estrutural para permitir a função elétrica de base [2]. Os processos mais utilizados industrialmente são

processos de soldagem por onda e soldagem por reflow [3].

Até 2006 a principal pasta de solda utilizada na indústria eletrónica era constituída por uma liga

eutéctica de estanho e chumbo (Sn63Pb37). Esta pasta é constituída por partículas de liga metálica e

por um fluxo (resina, ativadores, aditivos reológicos e solventes) [4].

A partir de 2006 foram implementadas as diretivas europeias do ambiente, restringindo o uso de

substâncias específicas consideradas perigosas (RoHS) e de resíduos de equipamentos elétricos e



2

eletrónicos (WEEE). Com estas diretivas pretende-se diminuir/eliminar a utilização de chumbo, entre

outros materiais, em montagens eletrónicas devido aos efeitos nocivos que estes acarretam quer para

o ambiente, quer para a saúde humana. [5, 6].

A proibição do chumbo nos produtos eletrónicos levou a indústria a preocupar-se com os seus

processos de soldagem, visto que as pastas de solda alternativas à tradicional Sn-Pb têm, entre outras

características, ponto de fusão superior. O ponto de fusão superior leva a que as temperaturas de

processamento sejam superiores, o que por sua vez se traduz em tempos excessivos de soldagem a

que o PCB e os componentes estarão sujeitos, podendo aumentar o número de defeitos e diminuir a

fiabilidade dos produtos [4, 7, 8].

De forma a cumprir a legislação e o objetivo de transição/ uso para pastas de solda sem chumbo

os processos tiveram de ser ajustados, sendo que os três principais elementos a serem revistos são a

pasta de solda, os componentes e os acabamentos superficiais. O acabamento superficial consiste

numa camada protetora aplicado na camada superficial de cobre do PCB, o qual acaba por ser

dissolvido pela solda no decorrer dos processos de soldagem.

A BOSCH Car Multimedia Portugal procura adaptar-se às restrições de processamento tornando

todos os seus produtos livres de chumbo. Nesse sentido existe a produção de PCBs com acabamento

superficial HASL (Hot Air Solder Leveling-Solda nivelada por ar quente), contudo este acabamento é

utilizado em soldagens com e sem chumbo. A avaliação deste tipo de acabamento nos processos

BOSCH de soldagem sem chumbo é o objetivo principal desta dissertação.

1.2 Objetivos

Com a necessidade de alteração de todos os processos para processos “lead free” e tendo caído

em desuso o acabamento superficial mais usado até esta alteração, pretende-se avaliar se este tipo de

acabamento pode ser reintroduzido nos processos de soldagem BOSCH. Assim, o objetivo desta

dissertação passa por avaliar o efeito nas juntas soldadas e nas camadas intermetálicas do

acabamento superficial HASL dos PCBs e a influência neste dos processos de soldagem.

De forma mais específica, esta dissertação foca-se no seguinte objetivo:



3

Avaliar a influência de diferentes perfis térmicos e processos de soldagem na morfologia,

composição química e na resistência mecânica (resistência ao corte à temperatura ambiente)

das juntas de solda.

1.3 Estrutura da dissertação

No capítulo 1 é apresentada uma breve introdução ao tema da dissertação, onde são

apresentadas as motivações à realização deste estudo bem como os objetivos a atingir.

O capítulo 2 aborda o tópico sobre o que é um PCB, as diferentes classificações de PCBs, bem

como o seu desenvolvimento ao longo do tempo. Neste capítulo são ainda apresentados os diferentes

acabamentos superficiais aplicados aos PCBs, dando enfoque ao acabamento superficial HASL.

No capítulo 3 é feita a revisão dos vários tópicos associados à soldagem na indústria eletrónica.

Passando desde a produção de PCBAs, tipos de componentes eletrónicos, as diferentes tecnologias de

montagem até aos princípios básicos da soldagem e às diferentes etapas que precedem os diferentes

processos de soldagem. Ainda neste capítulo é abordado o tópico das camadas intermetálicas e uma

descrição do estado da arte no que diz respeito a todos os tópicos aqui revistos.

No capítulo 4 são apresentadas as técnicas de caracterização bem como os materiais e os

parâmetros utilizados nos processos de soldagem.

O capítulo 5 será onde todas as técnicas, testes e resultados experimentais serão apresentados de

forma a atingir os objetivos da dissertação, descrevendo em que condições se realizaram as diferentes

técnicas de caracterização e os respetivos resultados.

No capítulo 6 são apresentadas as conclusões da dissertação, baseadas nos resultados obtidos

tendo em perspetiva os objetivos a atingir.

Finalmente no capítulo 7 são apresentadas propostas de trabalhos futuros, entre as quais

propostas de testes de fiabilidade que complementariam toda a caracterização deste acabamento

superficial.



4

Capitulo2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com


5

CAPITULO 2. OS PCBS

2.1 Printed Circuit Board (PCB)

Os equipamentos eletrónicos são uma combinação de componentes elétricos e eletrónicos

montados em PCBs de forma a produzirem a função para a qual foram concebidos [9].

O PCB foi patenteado pela primeira vez em 1943 por Paul Eisler e é responsável pelo suporte

mecânico dos componentes eletrónicos e pela conectividade elétrica do circuito. O PCB é constituído

por um substrato de fibra de vidro impregnado em resina epóxi que possui circuitos metálicos

impressos de cobre de face simples ou multicamada, sendo estes últimos os mais utilizados hoje em

dia [10].

Um PCB, além de ser constituído pelo material base FR-4 (resina epóxi e fibra de vidro) e pelas

pistas de cobre possui pads (terminais) de cobre, locais onde é feita a ligação dos componentes

elétricos superficiais (SMD) ao PCB, e ainda vias condutoras, que são furos metalizados que

atravessam completamente o PCB para a ligação de componentes TH [9]. A figura 1 apresenta uma

representação esquemática da constituição de um PCB.

Capitulo 2. Os PCBs Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com


6

Figura 1. Representação esquemática da constituição de um PCB.

2.1.1 Classificação dos PCBs

Os PCBs podem ser classificados segundo vários aspetos, o que torna a sua classificação confusa

e ambígua. No entanto, é comum a classificação dos PCBs ser feita em três classes, segundo a

aplicação a que se destinavam os produtos, nesse sentido diz-se que existem: PCBs de consumo,

PCBs profissionais e PCBs de alta fiabilidade. Esta classificação é feita por ordem crescente no que

toca aos requisitos dos produtos, ou seja, pela ordem acima referida os produtos são de classe para

classe mais caros, mais complexos, com maior exigência na qualidade e com elevado controlo dos

processos de produção [9].

Hoje em dia utiliza-se uma classificação de PCBs mais simples e compreensível, que consiste na

quantidade de camadas de cobre que cada placa contém. Assim sendo, existem os seguintes tipos de

PCBs [9, 11]:

PCB de face simples: consiste numa placa onde apenas um dos lados do substrato contém o

circuito impresso de cobre, denominado de lado da solda, onde anteriormente eram montados

componentes TH, ficando o corpo do componente do lado oposto [11]; Hoje em dia estes

PCBs (figura 2 (a)) são pouco utilizados;

PCB de dupla face: como o próprio nome indica, este tipo de placa contém o circuito de cobre

nos dois lados do material isolante, possibilitando uma maior densidade de componentes e



7

simultaneamente a montagem de componentes SMD e TH [11]; A figura 2 (b) apresenta este

tipo de PCB.

PCB de multicamada: este tipo de placas é constituído por várias camadas de circuitos de

cobre, e é utilizado em situações onde a densidade de ligações necessárias é demasiado alta

para se usar apenas duas camadas; O uso destes PCBs tem facilitado a redução do peso e

volume das ligações, que são proporcionais ao tamanho e peso dos componentes que ligam;

Normalmente são usadas em produtos de grande complexidade, com elevada performance e

mais caros, no entanto hoje em dia com o desenvolvimento da tecnologia e a produção em

massa, placas com 4 ou 6 camadas são já produzidas com quase a mesma facilidade com

que as de dupla face [9, 11]; Na figura 2 (c) está representada um PCB com multicamada.

Figura 2. Representação esquemática de vários tipos de PCBs. a) PCB de face simples; b) PCB de dupla face; c) PCB multicamada [Adaptado de 11].



8

Além das classificações anteriores, os PCBs podem ser também classificados segundo o tipo de

material de isolamento, existindo assim placas rígidas, constituídas por vários tipos de materiais,

placas semirrígidas, que consistem na combinação de placas rígidas e flexíveis, em que as partes

rígidas suportam os componentes que estão conectadas pelas partes flexíveis [9, 12].

Por fim, existem ainda as placas flexíveis constituídas por substratos de poliéster ou poliamida,

com espessuras na gama de 0,1mm. Estas placas contêm cobre nas faces, podendo ser de face

simples, dupla ou multicamada, sendo que as mais utilizadas são de face simples. Este tipo de

produtos é volumetricamente eficiente sendo por isso usados amplamente em equipamentos

eletrónicos [9, 12]. Na figura 3 observa-se uma representação esquemática dos diversos tipos de

placas flexíveis.

Figura 3. Representação esquemática dos vários tipos de placas flexíveis [Adaptado de 12].

2.1.2 Percurso histórico

A grande evolução dos PCBs é relativamente recente, no entanto durante o ano de 1904 Frank

Sprague, fundador da Elétrica Sprague e aprendiz de Thomas Edison, teve a ideia de eliminar a

soldagem por fio ponto a ponto [9].



9

Apenas em 1925 Charles Ducas, fez a primeira contribuição significativa para a evolução dos

PCBs, quando decidiu patentear a sua proposta de montagem de depósitos de metais elétricos

diretamente no material isolante, de forma a simplificar a construção de aparelhos elétricos [9, 13].

Entre 1925 e 1935 várias patentes foram criadas devido aos desenvolvimentos ocorridos na

fabricação dos PCBs, mais especificamente o desenvolvimento de diferentes métodos de aplicação do

metal condutor sobre o substrato isolante [9]. Este foi o início dos processos aditivos e subtrativos

utilizados hoje em dia. O processo aditivo consiste na adição da pista condutora à superfície de

material base. Por outro lado, no processo subtrativo o material base já contém a superfície coberta

com a camada condutora, posteriormente é transferido o padrão desejado e o excesso do material

condutor é removido deixando apenas o padrão desejado [11].

A maior contribuição para o desenvolvimento da tecnologia de circuitos impresso foi dada por Paul

Eisler em 1943, que propunha a aplicação de um revestimento de cobre em forma de folha sobre o

material isolante, de forma a ser usado posteriormente como o material base para a produção da placa

de circuito [9, 13]. Paul Eisler propôs também a utilização de folhas condutoras nos dois lados da

placa, onde seriam interligadas eletricamente através de through eyelets, em detrimento da tecnologia

TH que mais tarde se transformou na principal tecnologia de PCBs [9].

Mais tarde na década de 1970, as placas de circuito impresso entram firmemente na maioria dos

ramos da eletrónica. Desde então todos os processos envolvidos na produção de PCBs têm sido alvo

de investigação e desenvolvimento, com o objetivo de se obterem produtos com qualidade e mais

complexos possíveis [9].

Na figura 4, é possível observar-se Paul Eisler e o seu rádio.

Figura 4. Paul Eisler e seu rádio com o primeiro PCB [13].



10

Relativamente ao material de base utilizado na produção dos PCBs, aquando da produção apenas

de PCBs de face simples, era usual recorrer à utilização de substratos à base de papel e de uma resina

fenólica de baixo custo, denominados XPC-FR [10]. Na Europa usavam o mesmo tipo de fenolite (FR-2),

mas de maior qualidade que emitia menor odor quando submetida a alta tensão ou alta temperatura,

enquanto nos EUA utilizavam um compósito de papel e vidro impregnado em resina epóxi (CEM-1), um

material com maior resistência mecânica mas de maior custo, em comparação com as soluções

anteriormente referidas [10].

A produção das placas de FR-2 era relativamente simples, consistindo na moldação e prensagem

a quente. No entanto, estas placas eram altamente higroscópicas, o que levava à deterioração das

suas características isolantes [13].

Durante os anos 60 surgirão as placas de FR-4, constituídas por resina epóxi e fibra de vidro. Este

tipo de placa apresenta qualidade superior às anteriores FR-2, superando os problemas de absorção de

humidade, conferindo assim boas propriedades isolantes e estabilidade dimensional [13]. Este é o tipo

de PCBs mais usado hoje em dia, no entanto para casos onde é necessário polarização dielétrica

surgiram as placas de PTFE (PoliTetraFluoroEtileno – Polímero usualmente conhecido por teflon), ou

placas de poliamida ou poliéster, bastante utilizadas em placas de circuitos flexíveis [13].

2.2 Acabamentos Superficiais do PCB

Um acabamento superficial pode ser definido como um revestimento aplicado na camada

superficial de um PCB, o qual é dissolvido na liga de solda aquando do processo de soldagem. Na

figura 5 está representado esquematicamente um acabamento superficial.

Figura 5. Representação esquemática de um acabamento superficial [Adaptado de 14].



11

Após a produção do PCB, é necessário proteger o cobre com um acabamento superficial final

para evitar a sua oxidação [14, 15]. O acabamento superficial pode servir várias funções inter-

relacionadas, tais como [16]:

Providenciar uma superfície soldável para formar uma forte junta de solda;

Proteger os circuitos de cobre subjacentes à oxidação, ou outras formas de corrosão, até à

montagem;

Providenciar uma barreira para minimizar a dissolução de cobre durante os processos de

soldagem.

Como referido anteriormente, prevenir a oxidação é de extrema importância, pois uma

soldabilidade consistente de pads e PTH (Plated Through holes) é uma condição essencial para

processos de soldagem com uma reduzida taxa de defeitos/rejeição de produtos [3].

Existem vários tipos de acabamentos superficiais, o que dá origem ao aparecimento de interfaces

diferentes, o que por sua vez influencia a microestrutura e propriedades mecânicas das juntas de solda

[8, 17]. Quando falamos de espessuras de ligação menores que 100µm, o efeito da interface

solda/substrato vai ser bastante importante. Com ligações tão finas as propriedades da junta irão

resultar não só da liga de solda utilizada, mas também da formação de compostos intermetálicos os

quais terão grande influência na fiabilidade da junta [17, 18].

Até aos anos 90 a melhor alternativa era o uso da pasta de estanho-chumbo (SN63/Pb37)

aplicada pelo processo de HASL. No entanto com a implementação das diretivas europeias RoHs e

WEEE, proibindo a utilização de chumbo e também pelas limitações técnicas do HASL, que

começaram a ser reconhecidas a este acabamento, surgiu então a necessidade da utilização de novas

técnicas [16].

Dos vários acabamentos superficiais é de destacar os mais usados [10, 14-16]:

Organic Solderability Preservative – OSP: o acabamento OSP (figura 6 a)) consiste num

revestimento orgânico que protege a superfície de cobre até aos processos de soldagem,

tipicamente formam camadas de espessura entre 0,2 e 0,5µm; Esta camada orgânica irá

preservar o cobre até que a placa passe por algum processo térmico que removerá esta

camada [10]; Este tipo de acabamento é bastante usado em alternativa ao HASL “leaded” e

mesmo em comparação com as alternativas para lead free, pois é um método barato, de fácil



12

aplicação e que apresenta uma superfície regular e plana [16, 19]; No entanto, como é incolor

é de difícil inspeção, apresenta problemas em aguentar várias passagens por processos

térmicos e de espalhamento, deixando parte da superfície dos pads sujeita a oxidação; e

apresenta tempo de vida reduzido em armazenamento (6-12 meses) [14, 16];

Electroless Nickel/ Imersion Gold – ENIG: este tipo de acabamento (figura 6 b)) consiste

na imersão do PCB num banho onde se deposita uma camada de níquel, através de um

agente redutor, que pode apresentar 3 a 6µm de espessura; É um processo onde não se

aplica corrente em que, após a primeira etapa, passa por uma imersão num banho de ouro,

onde uma fina camada de ouro é depositada sobre a camada de níquel com espessura

compreendida entre 0,05 e 0,10µm [10, 16]; Durante a soldagem com este tipo de

acabamento, uma parte de ouro dissolve-se deixando uma camada de níquel livre não oxidada

para se formar a ligação com a liga de solda [16]; Este tipo de acabamento apresenta ótima

coplanaridade e molhabilidade, a camada de níquel previne a dissolução de cobre e apresenta

um tempo de vida superior a 12 meses em armazenamento; Por outro lado é um acabamento

dispendioso, com um processo que requer um apertado controlo e uma vez que a camada de

ouro é fina e porosa, o níquel pode migrar para a superfície oxidando e prejudicando a

soldabilidade, dando origem a um defeito denominado de Black Pad que poderá obrigar à

reparação ou rejeição desses produtos [16].

Imersion Tin: como o próprio nome indica é um processo de imersão da placa num banho

de estanho (figura 6 c)) para formar uma densa camada de estanho sobre o cobre exposto

[16]; Neste tipo de acabamento as dimensões estão diretamente relacionadas com a formação

dos seus compostos intermetálicos, no entanto a espessura varia entre 0,8 e 1,2µm; Este

processo é relativamente simples, o acabamento apresenta uma boa coplanaridade e um

tempo de vida superior a 12 meses em condições próprias. Por outro lado, é necessário um

apertado controlo para prevenir o crescimento de filamentos de estanho que podem resultar

em curto-circuito e deve ainda apresentar uma camada de estanho puro à superfície para

prevenir problemas de molhabilidade e soldabilidade caso os compostos intermetálicos se

prolonguem até à superfície [16].



13

Figura 6. Diferentes tipos de acabamentos superficiais. a) OSP; b) ENIG; c) Imersion Tin.

Como esta dissertação se irá focar no acabamento superficial HASL, o subcapítulo que se segue

será exclusivamente dedicado a esse acabamento.

2.2.1 Hot Air Solder Leveling – HASL “lead free”

Como referido anteriormente, até à imposição das diretivas europeias o acabamento HASL

(Sn63Pb37) era de longe o mais utilizado, por ser essencialmente constituído pela mesma pasta de

solda usada para a soldagem dos componentes, conferindo assim uma melhor compatibilidade a nível

metalúrgico [3, 16]. Como refere Willis [20], “Nothing solders like solder”, ou seja, nada seria um

melhor acabamento do que a própria pasta de solda utilizada na soldagem do componente.

Com a alteração dos processos para lead free existiram aspetos que tiveram de ser levados em

conta, mais especificamente [16]:

Temperaturas de processo superiores;

Maior tempo de contacto;

Pré aquecimento da placa;

O uso de óleos e fluxos com elevada resistência à temperatura;

Aumentar o controlo da composição da pasta, devido à dissolução de cobre superior que

ocorre com pasta de solda lead free.

Durante o processo HASL o solder mask tem a necessidade de ser limpo e gravado para preparar

a superfície para o contacto com a pasta de solda. De seguida ocorre a aplicação de fluxo, a placa é

pré aquecida e imersa num banho de liga de solda lead free, normalmente de estanho fundido entre

260 e 270ºC durante tempo suficiente para ocorrer a molhagem do cobre. Após a imersão da placa,



14

esta passa por um conjunto de facas de ar quente de forma a nivelar a espessura de metal líquido

sobre o PCB [8].

Figura 7. Esquema representativo do sistema de imersão e das facas de ar quente utilizado no acabamento HASL [8].

Usualmente as facas de ar quente (figura 7) são desniveladas entre elas, podendo mesmo operar

a pressões diferentes, de forma a garantirem as espessuras necessárias de cada lado do PCB e a

promover a remoção da liga de dentro dos furos [3, 8]. Segundo Shepherd, Bath e Willis [16, 20] com

este processo é possível obter espessuras na ordem dos 2 a 15µm, no entanto a experiência prática

com os produtos Bosch revelou ser possível obter espessuras entre 2 e 80µm [21].

Este acabamento é preferencial a outro devido essencialmente aos seguintes aspetos [8, 14]:

Permite acabamentos de maior espessura e assegura boa soldabilidade, mesmo em períodos

longos de armazenamento incontrolado;

Garante boa soldabilidade mesmo após ciclos térmicos de soldagem por reflow e consegue

melhor enchimento dos furos na soldagem por onda, em comparação com os outros

acabamentos;

Processo simples e barato.

Contudo, como qualquer outro processo, têm as suas desvantagens, sendo as principais [8, 19]:

Fraca coplanaridade devido à inconsistente espessura do acabamento (figura 8);

Usa temperaturas elevadas de processo que podem danificar o PCB.



15

Figura 8. Fraca coplanaridade do acabamento HASL.

Um aspeto de grande importância é a tensão superficial, pois, juntamente com o volume de liga

de solda deixada nos pads após a passagem pelas facas de ar, desempenha o maior papel na

determinação do perfil do acabamento [8]. Na figura 9 é possível observar que, dependendo da

maneira como as forças de tensão superficial operam, existe a tendência de o acabamento ser mais

espesso em pads pequenos [8].

Figura 9. A tensão superficial força a que a espessura seja maior em pads menores [8].



16

Capitulo 3. Soldagem na indústria eletrónica Avaliação da camada intermetálica em placas de circuito impresso com


17

CAPITULO 3. SOLDAGEM NA INDÚSTRIA ELETRÓNICA

3.1 Produção de PCBAs (printed circuit board assembled)

O termo PCBAs é referente à etapa seguinte à produção do PCB, isto é, à montagem dos

componentes na placa e sua respetiva soldagem.

No que diz respeito à obtenção de um produto final, existem empresas responsáveis pela

produção apenas do PCB, empresas que produzem a placa e fazem a respetiva montagem, sendo

estas menos comuns e empresas que só fazem a montagem e soldagem dos componentes ao PCB. A

Bosch Car Multimédia Portugal é uma das empresas que não é responsável pela produção do PCB,

mas sim pela montagem dos componentes e processos de soldagem dos mesmos.

Diferentes produtos desempenham diferentes funções, logo necessitam de diferentes

componentes eletrónicos e diferentes processos de soldagem, o que por sua vez implica o uso de

diferentes procedimentos, equipamentos, materiais e condições que irão caracterizar a obtenção de

um produto em específico [3].

Assim, a produção de um PCBA pode englobar inúmeros processos de manutenção do PCB e

outros tantos processos ligados aos componentes elétricos, como a inserção, fixação, soldagem,

proteção (através da aplicação de revestimentos contra a humidade ou extratores de calor), processos

de inspeção e montagem final dos produtos [4].



18

3.1.1 Componentes eletrónicos

Os componentes eletrónicos de forma simplista podem ser definidos como elementos eletrónicos

que transmitem corrente elétrica [10]. Normalmente, a ligação dos componentes ao PCB ocorre

através de pernos de ligação ou de pads metálicos e, esses componentes, uma vez montados ficam

interligados entre si [10].

Quando se fala de componentes eletrónicos, deve-se fazer referência a dois tipos de tecnologias

de montagem, isto é, ou os pads possuem furos para a montagem dos componentes TH ou são

montados diretamente na superfície dos pads, componentes SMD, sendo também possível ter a

montagem de componentes segundo estas duas tecnologias no mesmo PCB, o que é o caso mais

usual hoje dia [3, 10].

Na tabela 1 pode ver-se um conjunto de componentes SMD e TH utilizados na indústria eletrónica

[22, 23].

Tabela 1. Componentes SMD e TH [22, 23].

Componentes SMD Componentes TH

QFP (Quad Flat Pack)

BGA (Ball Grid Array)

DIP (Dual Inline Package)

Condensadores eletrolíticos



19

3.1.2 Through Hole Technology

Como mencionado anteriormente, este tipo de tecnologia de montagem usa componentes com

pinos que são inseridos em furos que atravessam o PCB e que estão conectados eletricamente a todo

o circuito, sendo posteriormente soldados. Esta tecnologia é usada desde os anos 20, onde os

componentes eram soldados ponto a ponto, no entanto só teve grande destaque com o aparecimento

da soldagem por onda, no início dos anos 60 [3, 10].

A grande desvantagem deste tipo de tecnologia é a de que os componentes TH são, regra geral,

grandes dispositivos, o que não permite placas de circuito com grande densidade de componentes,

limitando as funções do PCB, a miniaturização e densificação dos produtos. Na figura 10 é possível

observar uma placa de circuito com tecnologia TH [10].

Figura 10. Tecnologia TH. a) PCBA com componentes TH; b) Imagem lateral de um componente TH.

Por outro lado esta tecnologia permitia a redução de custos em algumas aplicações, uma vez que

este tipo de componente é normalmente montado manualmente, e mesmo quando o processo é

automático os custos associados a equipamentos e à produção podem ser inferiores aos associados à

montagem SMT e ao seu processo de soldagem por eleição, soldagem por reflow [10].

3.1.3 Surface Mount Technology

No processo de montagem SMT, os componentes são montados e soldados em pads à superfície

da placa, permitindo assim montagens só num lado ou nos dois lados da placa. Este tipo de

montagem é automático durante todo o processo de produção, desde a aplicação da pasta, inserção



20

de componentes e fusão da pasta, isto porque estes componentes são muito pequenos, sensíveis e

necessitam de grande precisão e controlo em todos os parâmetros do processo [3, 10].

Os componentes eletrónicos criados desta forma são denominados dispositivos de montagem

superficial e possuem terminais curtos ou não possuem terminais [4].

A tecnologia SMT teve início antes dos anos 60, aquando do desenvolvimento de um

microcircuito híbrido com substrato cerâmico, onde era difícil a colocação de furos. No entanto, só nos

anos 80 é que se tornou relevante, permitindo o uso de componentes mais pequenos e a produção de

placas com grande densidade de componentes, contribuindo assim para a miniaturização e

funcionalidade das placas de circuito impresso [3, 10].

Na figura 11 pode observar-se uma placa com processo de montagem SMT, onde se vê

claramente a evolução na miniaturização e complexidade das placas.

Figura 11. Tecnologia SMT, permitindo componentes menores e maior população.

3.1.4 Combinação das tecnologias TH e SMT

Hoje em dia a utilização das duas tecnologias, TH e SMT, na mesma placa é uma prática

recorrente. Nestes casos, é usual começar com a soldagem de componentes SMD no topo da placa

pelo processo de reflow. Os componentes TH iriam interferir com os processos de impressão de pasta

e inserção dos SMD, por isso são soldados posteriormente e pela parte inferior da placa, pelo processo

de onda [10].

Nos casos em que existem componentes SMD também na parte inferior da placa, estes podem

ser soldados também pelo processo de onda, no entanto necessitam de ser seguros à placa pela



21

colocação de pontos de cola, antes de passarem pelo processo de onda, como se pode observar na

figura 12 [3, 10].

Figura 12. Componentes SMD para soldar pelo processo de onda fixos com pontos de cola.

3.2 Princípios de soldagem

A “arte” de juntar materiais similares ou dissimilares, advém do início da humanidade com o

intuito de criar ferramentas, produzir produtos até à edificação de estruturas [2]. Como qualquer outro

tipo de tecnologia, o seu desenvolvimento ocorreu naturalmente com o passar dos tempos e hoje em

dia podem-se “juntar” vários materiais, de várias maneiras e recorrendo a processos sofisticados [2].

A junção de materiais pode ser requerida para que o conjunto desempenhe um determinado

conjunto de funções, de onde se destacam três principais categorias: conferir funções estruturais,

mecânicas e elétricas [2].

Existem diversas técnicas de ligação de materiais. Brasagem, soldadura, soldagem são alguns

exemplos [2].

Soldadura: É o processo, mais comum, de unir dois ou mais materiais através da aplicação de

temperatura ou pressão ou a combinação dos dois para permitir que a ligação ocorra. Neste

caso ocorre a fusão dos dois materiais a ligar;

Brasagem: Este processo é caracterizado pela utilização de um material de enchimento que irá

fundir a temperaturas superiores a 450ºC de forma a ligar os dois materiais de base;

Soldagem: À semelhança do caso anterior, a soldagem utiliza também um material de

enchimento. O processo de soldagem distingue-se do anterior pela temperatura de fusão até

450ºC do material de enchimento.



22

No caso do presente trabalho, estamos perante processos de soldagem, mais especificamente

soldagem por reflow e por onda. Na figura 13 está representado o sistema da junta de solda que se

pode formar na indústria eletrónica.

Figura 13. Partes constituintes de uma junta de solda.

3.2.1 Principais aspetos físicos e químicos da soldagem

A soldagem não é uma simples ligação física de dois materiais, passa pela formação química de

uma ligação intermolecular [9]. Para entender o que acontece na formação de uma junta de solda é

necessário compreender os aspetos básicos que afetam a soldagem [24].

De forma a obter-se uma junta de solda com qualidade é necessário controlar vários parâmetros e

condições, como os diferentes materiais da pasta, do componente e do acabamento superficial, mas

também as condições de processamento [9, 24].

Todos os processos de soldagem têm as suas próprias características, no entanto, estes diferem

entre si pela forma como a temperatura, o fluxo e a pasta de solda são aplicadas. Para conseguir uma

boa soldabilidade por toda a placa é necessário o uso de um perfil de temperatura adequado, na

verdade este é um ponto essencial de forma a garantir que o máximo de temperatura a que os

componentes estarão sujeitos não é comprometido.

Os parâmetros e condições possíveis de controlar de forma a conseguir uma boa junta de solda

são numa primeira instância a escolha correta da pasta de solda, tendo em conta a granulometria das

partículas, suas propriedades e do fluxo. Por outro lado, a correta definição do perfil térmico desde as



23

velocidades de aquecimento e arrefecimento, a temperatura máxima e o tempo de cada estágio, irão

definir os requisitos e propriedades das juntas a formar.

A escolha da pasta de solda, dos componentes a soldar e os parâmetros referidos anteriormente

terão influência nas condições de molhabilidade da solda sobre o substrato, nas diferenças entre os

vários coeficientes de expansão térmica dos materiais a ligar bem como nas propriedades mecânicas

da junta obtida [24, 25].

3.3 Pastas de solda

3.3.1 Pastas de solda

A pasta de solda como mencionado anteriormente, é constituída por partículas de uma liga

metálica e fluxo que serve de veículo. Quando o ponto de fusão da pasta é atingido, as partículas

coalescem formando uma massa liquida uniforme que em contacto com o pad tende a formar

compostos intermetálicos nas interfaces [4].

Do ponto de vista dos processos de soldagem, as características relevantes das pastas de solda

são: o tamanho das partículas, a sua metalurgia, a sensibilidade à temperatura e humidade, o tipo de

fluxo e seus resíduos, a viscosidade, etc. Dito isto, a viscosidade é na verdade uma das características

mais importantes devido às características de escoamento da mistura. Por outro lado, o tamanho das

partículas e a sua distribuição influência as características da impressão da pasta [4].

A escolha da pasta de solda passa também pelo tamanho das partículas uma vez que para casos

específicos de distâncias entre pads muito reduzidas (≈0,5mm) não se podem utilizar pastas com

partículas de dimensões exageradas. Na tabela 2, apresentam-se as classificações das pastas de solda

de acordo com o tamanho de partículas [4].



24

Tabela 2. Classificação das ligas de solda em termos de tamanho de partículas [4].

Tipo de liga

de solda

Intervalo de tamanho

de partículas. No

mínimo 80%

(µm)

Tamanho

máximo

(µm)

Tamanho de

partículas mínimo.

Menos de 1%

(µm)

Tamanho de

partículas mínimo.

Menos de 10%

(µm)

I 150 – 75 160 150 20

II 75 – 45 80 75 20

III 45 – 25 50 45 20

IV 38 – 20 40 38 20

V 25 – 15 30 25 15

VI 15 – 5 20 15 5

A composição e propriedades da pasta, aquando da soldagem, irão formar diferentes compostos

intermetálicos que por sua vez influenciarão a microestrutura e propriedades das juntas [3, 4].

Um dos pontos mais importantes na soldagem é a temperatura de soldagem, ou seja, todas as

partes a serem soldadas devem atingir a temperatura em que a solda se funde e molha as superfícies.

No entanto, o atingir da temperatura de fusão das pastas de solda pode significar o uso de

temperaturas que podem danificar componentes não permitindo o seu correto funcionamento. Esta

questão teve grande relevância com o uso das pastas de solda lead free. Quando se procedeu ao uso

de pastas ternárias, industrialmente, continuou-se a usar o termo temperatura de fusão, sendo que no

caso destas pastas esta temperatura corresponde à temperatura de liquidus.

A pasta mais estudada e usada sempre foi a pasta Sn63b37, com uma temperatura de fusão de

183ºC, no entanto com a imposição das diretivas europeias do ambiente, diferentes pastas lead free

foram desenvolvidas, tabela 3. As pastas de solda Sn-Ag-Cu (SAC) tornaram-se a principal alternativa

como pasta lead free, devido à sua boa molhabilidade, resistência à fadiga e plasticidade, quando

comparadas com outras pastas lead free. Contrariamente às suas antecessoras, as pastas SAC

apresentam um ponto de fusão superior (217 a 221ºC) e devido à sua composição podem criar

diferentes compostos intermetálicos influenciando as propriedades das juntas soldadas [4, 27].



25

Tabela 3. Diferentes tipos de pastas de solda e suas propriedades [28].

Pasta de

solda

Ponto de fusão

(ºC)

Temperatura de

operação (ºC)

Janela de processo

(ºC)

Sn-Pb 183 250 – 260 67 – 77

Sn-Ag-Cu 217 265 – 270 48 – 53

Sn-Cu-Ni 227 265 – 270 38 – 43

Devido à diferença de temperaturas observadas com as diferentes pastas, recorre-se

frequentemente a uma etapa de pré aquecimento nos processos de soldagem de forma a prevenir o

choque térmico, facilitar o molhamento e também para ativar o fluxo [9, 16].

3.3.2 Fluxos

O sucesso de qualquer operação de soldagem depende da condição e do comportamento das

duas superfícies em contacto, o substrato e a solda fundida. O fluxo tem de atuar sobre estas duas

superfícies [3].

Durante o tempo de contacto, o fluxo deve remover completamente todos os óxidos superficiais

tanto do substrato como da solda para que nada interfira na reação entre os dois. No entanto, durante

a reação que ocorre a temperaturas, usualmente, acima de 200ºC, o fluxo deve evitar a formação de

novos óxidos. Na figura 14, está representada esquematicamente a função do fluxo [3].

Figura 14. Representação esquemática da função do fluxo [3].



26

Os fluxos, na sua maioria, são inertes à temperatura ambiente mas altamente redutores a altas

temperaturas, o que retarda e/ou evita a formação de óxidos. Além da remoção dos óxidos os fluxos

têm como segunda função facilitar o molhamento durante a soldagem, aumentando a tensão

superficial e promovendo a molhabilidade [4].

Existem vários tipos de fluxos, desde fluxos solúveis em água a fluxos resinosos.

Os Fluxos resinosos têm diferentes níveis de atividade. Os de maior concentração de agentes

ativos favorecem a remoção de óxidos e a molhabilidade. Este tipo de fluxo pode requerer ou não a

limpeza da placa após a soldagem, dependendo do nível de ativação do fluxo. Os fluxos solúveis em

água podem ser orgânicos ou não e normalmente é necessário proceder à limpeza das placas. Existem

ainda fluxos “no-clean” que não necessitam de limpeza, pois os resíduos sólidos presentes na placa

após soldagem são mínimos [3].

3.4 Interação entre a pasta de solda e os materiais de base

A reação entre o metal que será soldado (substrato) e a solda fundida é uma reação exotérmica e

autossustentada, isto é, não requer uma fonte de energia externa para continuar, uma vez que seja

iniciada. Durante o contacto entre o cobre e a liga fundida átomos de cobre tendem a difundir no metal

liquido. Junto à superfície de cobre a concentração de átomos é elevada formando assim uma interface

com composição diferente da liga metálica. Esta interface designa-se de camada intermetálica [3].

Normalmente esta interface é considerada o ponto de maior fragilidade do conjunto das partes a

ligar. Isto porque tipicamente estes compostos são duros e frágeis, podendo constituir zonas propícias

para a formação de fissuras ou fraturas. Dito isto, os compostos intermetálicos são o indicativo da

ligação química na interface e se o processo de soldagem formou uma boa ligação. No entanto os

compostos intermetálicos podem influenciar as propriedades das juntas, assim como influenciar os

processos de molhamento e de ligação [29].

Estes produtos de reação formam uma camada inicial durante o processo de soldagem que

continua a crescer no estado sólido, e especialmente a temperaturas elevadas, até um ponto em que

as camadas já formadas impedem o transporte de reagentes adicionais [29].

O crescimento da camada intermetálica segue um crescimento parabólico que pode ser expresso

pela equação 1:



27

Onde,

X – é a espessura da camada intermetálica

t – é o tempo

k – é uma constante de crescimento a uma temperatura especifica

No caso do presente estudo está-se perante camadas intermetálicas características, devido ao

sistema Sn-Cu formado durante o acabamento superficial, e o sistema Sn-Ag-Cu referente à pasta de

solda usada. Na tabela 4, podem-se observar diferentes compostos intermetálicos que se formam em

diferentes substratos.

Tabela 4. Diferentes compostos intermetálicos que se podem formar com pasta de solda de estanho [3].

Substrato do pad Compostos intermetálicos

Cu Cu3Sn (Ɛ); Cu6Sn5 (ƞ)

Ni Ni3Sn2, Ni3Sn4, Ni3Sn7

Fe FeSn, FeSn2

Ag Ag3Sn

Estes sistemas irão produzir diferentes compostos intermetálicos que no seu conjunto irão definir

as propriedades e a fiabilidade das juntas soldadas. Na figura 15 estão apresentados os diagramas de

fases dos dois sistemas.



28

Figura 15. Diagramas de fases. a) Sistema Sn-Cu; b) Sistema Sn-Ag-Cu [30, 31].

O sistema Sn-Cu (figura 15 a)) representa o que acontece no acabamento HASL, formam-se

tipicamente duas camadas intermetálicas Cu6Sn5 e Cu3Sn, tipicamente denominadas de fase η e ε

respetivamente. O ponto eutéctico deste sistema está localizado a 99,3 %ponderal (Sn) e 0,7 %ponderal

(Cu) à temperatura de 227ºC. A transformação eutéctica associada a este sistema é a seguinte [30]:

As pastas de solda SAC são sistemas ternários (figura 15 b)), em que normalmente é observada a

formação de duas fases, uma rica em estanho e uma outra contendo prata. Dispersas pelo volume de

solda é possível encontrar-se ainda pequenas partículas dos produtos de reação, normalmente Ag3Sn,

e partículas da fase Cu6Sn5, fase formada junto da interface cobre/solda que após atingir o limite

máximo de crescimento se dispersam pela junta, como se pode observar na figura 16.



29

Figura 16. Camada intermetálica formada em ligas SAC [1].

Por vezes, as partículas de Ag3Sn crescem até um ponto em que podem afetar a fiabilidade das

juntas se se formarem em regiões de concentração de tensões. Estas estruturas podem estar

relacionadas com velocidades de arrefecimento lentas na soldagem [32].

Como referido anteriormente, as partículas intermetálicas (Ag3Sn e Cu6Sn5) podem fortalecer as

juntas de solda, funcionando como “paredes” à propagação de fissuras; podem induzir a formação de

grãos finos quanto mais finas forem as partículas, o que produzirá uma microestrutura fina também.

No entanto se estas camadas se tornarem espessas demais o efeito será o oposto e as juntas de solda

ficarão fragilizadas devido à natureza frágil dos compostos e devido à diferença entre os coeficientes de

expansão térmica destes compostos e da pasta de solda [32].

3.5 Processos de soldagem

Numa típica linha de produção de PCBAs podem-se ter outros processos antes da etapa da

soldagem propriamente dita, por exemplo, a impressão da pasta de solda e a inserção dos

componentes. Na figura 17 pode observar-se uma linha típica de produção (reflow) [33].



30

Figura 17. Linha típica de produção de PCBAs [33].

Dependendo do produto a obter, podem-se ter diferentes sequências do processo de montagem

das placas. O caso mais simples é aquele em que apenas se têm componentes SMD num lado do

PCB. Nesse caso, as etapas essenciais passam pel

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