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A anatomia de uma máquina de solda por onda

 

A estrutura central da linha de produção SMT

Uma linha de produção SMT (tecnologia de montagem em superfície) é um sistema de montagem automatizado concebido para a produção precisa e de grande volume de placas de circuito impresso (PCB). Compreender a sua estrutura central é crucial para dominar a montagem e a soldadura eficientes de componentes electrónicos. Todo o processo consiste numa série de etapas cuidadosamente coordenadas, cada uma delas realizada por equipamento especializado. A base desta linha de produção automatizada é normalmente formada por várias máquinas-chave ligadas para garantir uma transição perfeita da placa nua para o produto acabado.

No centro da estrutura da linha de produção SMT estão os seguintes componentes principais:

  • Carregador de PCB: O processo começa com um carregador de placas de circuito impresso , que alimenta automaticamente as placas nuas das cassetes para a linha de produção. Este passo inicial elimina o manuseamento manual e reduz o risco de contaminação e danos. Na outra extremidade, um descarregador de PCBs recolhe as PCBs completas e empilha-as para a fase seguinte de produção ou de teste. O manuseamento automatizado da linha de produção é crucial para manter uma produção contínua e de alta velocidade . [Fonte: Electronic Design].
  • Impressora de pasta de solda: Uma vez carregada a placa nua, é enviada para uma impressora de pasta de soldadura. Esta máquina utiliza um estêncil e um raspador para aplicar uma camada precisa de pasta de solda nas almofadas específicas onde os componentes são colocados. A precisão nesta fase é crucial, uma vez que uma pasta de solda insuficiente ou excessiva pode resultar em defeitos de soldadura, tais como aberturas ou pontes de solda . [Fonte: Epec Engineered Technologies]
  • Máquinas de colocação de chips: Estes são o coração da linha de produção SMT. Recolhem componentes individuais de montagem em superfície a partir de bobinas ou tabuleiros e colocam-nos com precisão nas placas. As máquinas modernas funcionam a velocidades extremamente elevadas, capazes de colocar milhares de componentes por hora com elevada precisão, o que é crucial para a eficiência da montagem SMT.
  • Máquina de soldar (soldadura por refluxo ou por onda): Após a colocação dos componentes, a placa de circuito impresso tem de ser aquecida para derreter a pasta de solda, criando uma ligação eléctrica permanente. O método mais comum utilizado em SMT é soldadura por refluxo . A placa é movida numa correia transportadora através de múltiplas zonas de aquecimento, seguindo um perfil de temperatura para garantir que todas as juntas de solda são formadas corretamente sem danificar os componentes [fonte: PCB Technologies]. . Para placas com componentes de furo passante, uma soldadura por onda é utilizada uma máquina que passa a placa através de uma onda de solda derretida.
  • Transportadores de PCB: A ligação de todas estas máquinas é a Transportador de PCB sistema . Estes transportadores automatizados transportam placas de circuito impresso de uma estação de trabalho para a seguinte. A velocidade e a estabilidade do transportador são cruciais para otimização do fluxo de trabalho e evitar estrangulamentos ou deslocação de componentes durante o transporte. As linhas mais complexas podem também incorporar transportadores de reserva ou portas de vaivém para gerir dinamicamente o processo de produção.

Preparação da placa: Áreas de fluxo e pré-aquecimento

Quando um conjunto de PCB passa por uma máquina de soldadura por onda, entra primeiro nas zonas de aplicação de fluxo e de pré-aquecimento. Estas fases iniciais são cruciais para preparar a placa para a formação de uma junta de soldadura bem sucedida. Saltar estes passos ou geri-los de forma incorrecta pode resultar em inúmeros defeitos de soldadura.

O papel da zona de fluxo

Antes de a placa de circuito impresso entrar em contacto com a solda fundida, passa por uma zona de fluxo, onde é revestida com uma camada de fluxo. A principal função do fluxo é limpar a superfície metálica e prepará-la para a soldadura. Isto é feito de três formas principais:

  • Remoção de óxidos: As superfícies metálicas (incluindo os cabos dos componentes e as placas de circuito impresso) formam naturalmente camadas de óxido quando expostas ao ar. Estas camadas de óxido impedem a solda de formar uma boa ligação metálica. O fluxo contém activadores químicos que removem eficazmente estes óxidos . [Fonte: AIM Solder]
  • Melhoria da humidade: O fluxo limpa a superfície, permitindo que a solda derretida seja “molhada”, ou distribuída uniformemente, sobre as almofadas de metal e os cabos. Esta molhagem é crucial para formar juntas de solda fortes e fiáveis.
  • Evita a re-oxidação: O fluxo forma uma barreira protetora nas superfícies limpas, impedindo-as de re-oxidar à medida que a placa passa pela zona de aquecimento da máquina antes de chegar à onda de solda.

O fluxo pode ser aplicado através de uma variedade de métodos, incluindo pulverização, formação de espuma ou imersão, sendo o fluxo por pulverização o método mais comum nos equipamentos modernos devido à sua elevada precisão e controlo. Para obter informações mais pormenorizadas, ver a nossa guia para a seleção e manutenção de fluxos.

Fase crítica de aquecimento

Após a aplicação do fluxo, a placa de circuito impresso entra imediatamente na zona de pré-aquecimento. Esta fase consiste em aumentar gradualmente a temperatura de todo o conjunto. O processo de pré-aquecimento faz mais do que apenas aquecer a placa; também desempenha várias funções importantes:

  • Ativação do fluxo: O calor ativa os químicos do fluxo, aumentando a sua capacidade de limpar superfícies metálicas. Os diferentes fluxos têm intervalos de temperatura de ativação específicos, pelo que controlo da temperatura é um parâmetro crítico . [Fonte: EpecTec]
  • Evaporação do solvente: O fluxo líquido contém solventes que devem evaporar antes de a placa ser exposta à onda de solda. Se os solventes não forem removidos, estes solventes entrarão em ebulição violenta quando entrarem em contacto com a solda fundida, causando defeitos como bolas de solda e vazios.
  • Reduzir o choque térmico: O papel mais importante do pré-aquecimento é minimizar o choque térmico. O choque térmico refere-se ao stress imposto a uma placa de circuito impresso e aos seus componentes quando as temperaturas mudam rapidamente. A zona de pré-aquecimento aquece lentamente os componentes a uma temperatura específica (normalmente entre 100°C e 130°C) para garantir que a diferença de temperatura entre a placa e a onda de solda (aproximadamente 250°C) não seja demasiado grande. Este aumento gradual da temperatura evita danos como o empeno da placa e a fissuração ou delaminação dos componentes . [Fonte: PCB Technologies].

A execução correta das fases de fluxagem e pré-aquecimento estabelece as bases para todo o processo de soldadura por onda , A Comissão Europeia está a trabalhar no sentido de assegurar que os componentes estão química e termicamente preparados para as etapas finais de soldadura.

O coração da máquina: potes de soldadura e mecânica ondulatória

O cadinho de solda é o coração de qualquer máquina de solda por onda, servindo como um reservatório para a solda derretida. O cadinho inicia o processo de soldadura aquecendo a liga de solda sólida (normalmente uma composição sem chumbo, como estanho-prata-cobre (SAC)) até um estado líquido preciso. A manutenção de uma temperatura consistente dentro da panela é crucial para obter juntas de solda fiáveis. Conforme discutido no nosso guia de temperatura de soldadura por onda , Mesmo pequenas flutuações podem levar a defeitos como choque térmico ou humedecimento incompleto. Com o tempo, a superfície da solda fundida reage com o ar, formando uma camada de óxidos e impurezas conhecida como escória. A remoção regular desta escória é crucial, uma vez que pode introduzir contaminantes durante o processo de soldadura e causar defeitos como a formação de gelo e a formação de pontes [fonte: Kester] .

A partir deste pote de solda cuidadosamente controlado, a solda derretida é bombeada para cima através do bocal para formar uma onda de solda - o coração de todo o processo de solda. Os modernos sistemas de soldadura por onda utilizam quase universalmente um processo de onda dupla para lidar com PCBs complexos e de tecnologia mista. Compreender o papel único de cada onda é fundamental para dominar o processo de soldadura, um tópico que iremos explorar à medida que aprofundar a dinâmica das ondas de solda .

  1. Onda Turbulenta (Chip Wave): A primeira onda que uma placa de circuito impresso encontra é um fluxo turbulento, tipicamente bidirecional. O seu fluxo agressivo e agitado foi concebido para garantir uma cobertura completa da solda, forçando a solda a entrar em espaços apertados, tais como orifícios de passagem revestidos e sob componentes de montagem em superfície. Esta ação supera a sombra dos componentes e promove uma boa humidificação de todas as superfícies soldáveis . [Fonte: Epec Engineered Technologies]
  2. Onda laminar (suave): Após a onda turbulenta, o PCB passa por uma segunda onda, mais suave. A onda laminar flui numa única direção, resultando numa superfície calma e estável. O seu objetivo é endireitar e dar forma: remove o excesso de solda depositado pela onda turbulenta, elimina as pontes de solda entre pinos pouco espaçados e, por fim, cria um filete de solda perfeito.

A eficácia de todo o sistema depende da calibração exacta das caraterísticas dinâmicas da onda de solda. Parâmetros críticos como altura da onda , A velocidade do transportador (que determina o tempo de contacto) e o ângulo do transportador devem estar perfeitamente sincronizados. O objetivo é assegurar um tempo de contacto suficiente para uma molhagem adequada da placa de circuito impresso sem submeter os componentes a um stress térmico excessivo. Este equilíbrio entre um banho de solda estável e uma onda de solda dinâmica determina, em última análise, a qualidade e a fiabilidade do produto final.

Montagem final: arrefecimento, limpeza e inspeção

O processo de soldadura de placas de circuito impresso (PCB) não termina quando a solda derrete. A fase de arrefecimento é um passo crítico e controlado que permite que a solda derretida solidifique, formando uma ligação eléctrica forte e fiável. Se esta fase for apressada ou executada incorretamente, o trabalho meticuloso de pré-aquecimento e refluxo pode ser desfeito, dando origem a uma série de defeitos.

O papel fundamental da taxa de arrefecimento

Depois de a placa de circuito impresso atingir a temperatura máxima durante o processo de soldadura, entra em a zona de arrefecimento . O principal objetivo aqui é reduzir a temperatura do componente a uma taxa controlada. Esta taxa é, sem dúvida, o parâmetro mais crítico durante esta fase, uma vez que tem um impacto direto na microestrutura da junta de soldadura, afectando assim a sua resistência mecânica e fiabilidade a longo prazo.

As taxas de arrefecimento óptimas (normalmente cerca de -4°C por segundo) são cruciais para o desenvolvimento de uma microestrutura de grão fino na solda [fonte: CircuitNet]. . Esta estrutura de grão fino aumenta a resistência à fadiga e a durabilidade geral da junta. No entanto, os desvios da taxa de arrefecimento ideal podem causar problemas graves:

  • Arrefecimento demasiado rápido: Uma queda rápida da temperatura pode provocar um choque térmico, gerando tensões que podem rachar o substrato da placa de circuito impresso ou os próprios componentes. Isto é especialmente perigoso para condensadores de cerâmica sensíveis.
  • Arrefecimento demasiado lento: O arrefecimento demasiado lento pode levar ao crescimento excessivo de compostos intermetálicos (IMC) na interface solda-componente-chumbo. Embora uma camada fina de IMC seja desejável para uma boa ligação, uma camada espessa e quebradiça de IMC pode comprometer a integridade da junta, tornando-a suscetível de falhar sob tensão ou vibração . [Fonte: Bel Power Solutions].

Masterização o seu sistema de arrefecimento para soldadura por refluxo é fundamental para evitar estes problemas e garantir resultados consistentes e de alta qualidade.

Limpeza e inspeção pós-soldadura

Depois de a placa ter arrefecido e as juntas de soldadura terem solidificado, a montagem passa para a fase de pós-soldadura para verificar a qualidade e prepará-la para a aplicação final.

1. Limpeza:
O processo de soldadura deixa frequentemente resíduos de fluxo. Embora os fluxos “não limpos” sejam comuns, os seus resíduos podem por vezes interferir com a sondagem durante os testes em circuito ou impedir que os revestimentos conformacionais adiram corretamente. A limpeza é essencial para aplicações de elevada fiabilidade nas indústrias automóvel, médica ou aeroespacial. Os resíduos de fluxo podem ser ácidos e absorver a humidade do ar, causando potencialmente corrosão e curto-circuitos eléctricos ao longo do tempo [fonte: Epec]. . Pode ser utilizada uma variedade de métodos de limpeza, incluindo sistemas aquosos, semi-aquosos e à base de solventes, para remover estes contaminantes nocivos.

2. Inspeção e ensaio:
Para garantir a qualidade, cada componente é submetido a uma inspeção rigorosa. Os principais métodos incluem:

  • Inspeção Ótica Automatizada (AOI): Um sistema AOI utiliza uma câmara de alta resolução para analisar a placa de circuito impresso e compará-la com um modelo detalhado de uma placa “dourada”. Pode detetar rapidamente defeitos como pontes de solda, circuitos abertos, solda insuficiente e colocação incorrecta de componentes.
  • Inspeção automatizada por raios X (AXI): O AXI é crucial para componentes com juntas de soldadura ocultas, tais como matrizes de grelha esférica (BGAs). Os raios X podem penetrar no corpo do componente e gerar imagens das ligações subjacentes, revelando defeitos que os sistemas ópticos não conseguem detetar, tais como vazios de solda ou calções . [Fonte: Creative Hi-Tech].

Após esta inspeção, é normalmente efectuado um teste funcional para garantir que a placa está corretamente alimentada e a funcionar como previsto. Este controlo final verifica se toda a refluxo ou processo de soldagem por onda foi concluída com êxito, resultando num conjunto eletrónico fiável e totalmente funcional.

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