TEC-ENC 8
-1
SISTEMAS de VISÃO para “PLACEMENT”
•O
s sistemas de visão para o
posicionament
o de dispositi
vos
(SMD)
realiza as seguintes funções:
–
L
ocalização das marcas fiduciais
TEC-ENC 8
-2
PRECISÃO do POSICIONAMENTO
•
U
m aspecto importante no processo de
posicionamento de componentes SMD
é a precisão do posicionamento.
–O
desvio padrão (
σ
) e o desvio da média
de um valor nominal são parâmetros
medidas para qualquer sistema de posicionament
o e junto o parâmetro (
µ
)
chamado de “Placement offset” = Desvio do valor médi
o em relação ao valor
nominal são usados para calcular o (cmk) Índice de capacidade da máqu
ina
de
“Placement”, ver equação abaixo.
–
O
(SL) ou especificação limit
e é um
parâmetro determinado pelo usuário
)
TEC-ENC 8
-3
TEMPO de CICLO em “PLACEMENT”
•O
tempo de um o ciclo de “Placement”
possui 4 fases principais: –“Pick time” tempo de recolhimento do
componente SMD. •T
ipicamente de 100 mili-segundos
–Tempo de curso (X-Y) da posição de recolhimento até a de posicionamento.
•P
erto de 140 mili-segundos
–Tempo do posicionamento (incluindo o curso (X-Y), do primeiro até o ultimo posicionamento.
•E
ste tempo aumenta com o número
de cabeças usadas, o tempo é de 140 mili-segundos por parte (veja tabela).
–Tempo de curso (X-Y) da última posição para a posição de recolhimento.
•P
erto de 140 mili-segundos
–Conclusão:
O ‘tempo de ciclo de P&P
TEC-ENC 8
-4
ALIMENTADORES de COMPONENTES SMD
–Devido a diversidade geométrica dos componentes SMD diversos tipos de alimentadores foram desenvolvidos:
•“
Stick feeders” Alimentadores em tubos
•“
Tape Feeders” Alimentadores de fita
•“
Tray feeders” Alimentadores de bandeja
•“
TEC-ENC 8
-5
SOLDAGEM em SMT
•
S
oldagem pode ser definido como a junção de
dois metais por aquecimento de materiais
acima de seu ponto de fusão, mas abaixo dos pontos de fusão dos materiais que serão ligados. A junção é formada de duas maneiras: –Pela formação de compostos intermetálicos, que é um processo químico irrevers
ível;
–Por difusão ou absorção, que é um processo físico.
•
O
objetivo do processo de refusão é o de obter soldas de alta qualidade em todos os terminais
dos componentes de um certo circuito de forma consistente.
•
O
processo envolve o aquecimento dos terminais, ilhas e pasta acima do ponto de fusão da
liga utilizada na solda dos terminais e a pasta de
forma a se refundir num filete homogêneo.
A consistência do processo depende de como
se controla a aplicação e calor e a variação
deste ao longo da placa de de placa para placa.
•
E
sta operação controlada chama-se de perfil
de soldagem. O método de aquecimento não é
TEC-ENC 8
-6
As CAMADAS INTERMETÁLICAS na SOLDA
•
Q
uando p. Ex. uma li
ga 63Sn/37Pb é
soldada com cobre, duas camadas intermetálicas (IL) “Intermetallic Layers” são formados.
No lado do cobre Cu
3
Sn e
no lado da solda uma camada irregular de Cu
6 Sn 5 . • A
espessura total destas camadas é de
0.5-0.7 µm.
Estes compostos formas grãos
cristali
nos e sua estrutura é determinada
pela tempo e temperatura da interação térmica. –
P
equenos tempos de reação forma grãos finos que promovem boa soldabilidade e resistência mecânica da junta.
–
T
empos longos de reação formam grãos
TEC-ENC 8
-7
PROCESSO de REFUSÃO
•
O
processo de refusão de solda
possui três fases básicas:
–P ré-aquecimento, –R ef us ão , –R es fr ia m en to .
•
N
a realidade são cinco eventos
que acontecem durante a refusão de solda:
–1. Evaporação do solvente da solda,
–
2. Ativação do fundente da solda,
–
3. Pré
-aquecimento de substrato e
componentes,
–
4. As partículas de soldas derretem e a junt
a de solda se forma
–
TEC-ENC 8
-8
PERFIL DE REFUSÃO
•A
s fases mais importantes de um perfil
de refusão para pasta de solda são: •Fase de Pré-aquecimento –Esta é uma fase preparatória, todas as
ações que levam a uma solda adequada são tomadas nesta fase. Nesta fase ocorre a evaporação do solvente, a ativação do fundente e o substrato e componentes são aquecidos gradualmente.
•F
ase de Refusão –Nesta fase, o substrato, componentes e partículas de solda atingem a temperatura de soldagem e como resultado a junta de solda é formada.
•F
TEC-ENC 8
-9
MÉTODOS de SOLDAGEM em SMT
•
P
ara a soldagem de placas confeccionadas na tecnologia SMT, existem diversos métodos de soldagem disponí
veis, a saber:
–Soldagem por Onda (Wave Soldering) –R
efusão por Infravermelho (IR
-R
eflow Soldering Ovens)
–Soldagem por Fase Vapor (Vapour Phase Soldering) –Soldagem por convecção forçada (F
orced Convection Soldering Ovens)
•
H
oje o padrão industrial para soldagem
de placas com SMT se baseia na utilização
de fornos de convecção forçada. Este
tipo de equipamento cumpre
os requeri
mentos
das técnicas modernas de soldagem gara
ntindo boa segurança do processo, um alto
TEC-ENC 8
-10
SOLDA por ONDA “WAVE SOLDERING”
•A
pós a placa entrar na máquina de solda por onda
com um ângulo de contato e uma certa velocidade passa por uma região de aplicação de fundente por onda, espuma ou spray. •Os fundentes apresentam uma temperatura de ativação que deve ser atingida e mantida para garanti
r uma boa solda, assim a placa entra numa
região de pré-aquecimento por convecção forçada de ar antes de entrar no banho de solda. Depois a placa é soldada por uma onda simples ou dupla. •Com o objetivo de evitar curtos circuitos de solda algumas máquinas de solda por onda utilizam a faca de ar quente a qual é aplicada logo após a passagem pela onda. •Alguns fatores devem ser tomados em conta neste processo: –
D inâmica da Onda – F orma da Onda – V elocidade da solda – Â ngulo de contato – V elocidade da placa
TEC-ENC 8
-11
REFUSÃO por INFRA-VERMELHO (IR)
•A
técnica de refusão usando (IR) utiliza
radiação Infra vermelha
para aquecer as
placas de PCB. As diversas superfíci
es dos component
es absorvem
(IR) com
intensi
dade diferente (Seletividade de Co
r), assim os component
es são aquecidos
em diversos graus. Diferenças de T
o ate 50K são normais e não podem ser evitadas.
Como conseqüência destas diferenças pe
rfis de temperatura específicos devem ser
gerados para cada placa de PCB. Devido
a esta desvantagem os fornos ti
po (IR)
são adequados para placas com baixa
complexidade. Como vantagens
podemos
citar: alta produtividade, possibilidade
de selecionar o perfil de temperatura e
TEC-ENC 8
-12
SOLDA por FASE VAPOR
“VAPOUR PHASE SOLDERING”
–Quando se realiza refusão de solda por fase vapor as placas de PCB são imersas num vapor saturado. O ponto de vaporização do ma
terial usado para a produção do vapor
encontra-se entre 215 °C e 220 °C. Na medida
em que a placa é imersa no vapor e ainda
não atingiu sua temperatura , vapor condensara na superfície da placa, neste processo de condensação o calor é transferido direta e
rapidamente resultando num aquecimento da
placa até que o ponto de vaporização é atingido. •A
s vantagens deste processo são: A máxima temperatura da placa é
limitada pelo ponto
de vaporização do liquido, evita-se sobre a
quecimento de componentes e exclui o ar
TEC-ENC 8
-13
SOLDA por CONVECÇÃO FORÇADA
•
O
s fornos de convecção forçada são
uma evolução dos fornos de (IR) e são o padrão industrial para refusão em SMT.
•
A
r ou um gás quente é circulado por
ventiladores potentes em zonas térmicas separadas e guiados por um sistema de bicos sobre a placa .
•
O
gás garante que todos os elementos
são aquecidos uniformemente , inclusi
ve nas zonas de sombra p.
ex.(embaixo de BGA’s) .
•
S
TEC-ENC 8
-14
EFEITOS da CONVECÇÃO nos PERFÍS de T
o
•
M
aior energia transferida ao produto
•
E
feito de sombra mínimo
•
T
emperaturas dos elementos de aquecimento menores.
•
S
etPoint = temperatura da placa
•
T
empo de resi
dência de component
es pequenos sem sobre aquecimento
•
M
enor
TEC-ENC 8
-15
TÉCNICAS de LIMPEZA em SMT
•
A
limpeza de um Placa PCB em SMT é realizada em três etapas:
•
P
enetração –O
solvente usado deve penetrar em espaços capilares, devido a sua baixa tensão
superficial e viscosidade com a ajuda de agitação, spray ou ultra-som
•
D
issolução –O
solvente tendo entrado nos espaços capilares começa o processo
de dissolução de
resíduos, que é auxiliado por um aumento de
temperatura com a ajuda de agitação,
spray ou ultra-som
•
R
emoção –N
TEC-ENC 8
-16
CAUSAS de DIFICULDADES
no PROCESSO de LIMPEZA
•“Layout”usado •Máscaras de solda inadequadas •Furos passante no PCB
•No PCB e “Layout”
•Tempo de pré-aquecimento •Temperatura de Refusão pode deteriorar o Fundente
•Processo de Refusão
•Tempo após Refusão promove solidificação do Fundente •Após solidificação somente métodos mecânicos de limpeza
•Tempo após Refusão de solda
•Tipo de ativação no Fundente •Percentagem de sólidos no Fundente
•Tipo de Fundente usado
•Geometria de Chip Carrier •Distância entre substrato e componente
TEC-ENC 8
-17
TIPOS de CONTAMINANTES e sua ORIGEM
Fotoresistes, processamento
do PCB, resíduo de fundentes
•Compostos Inorgânicos Insolúveis
Debrís, poeira.
•Particulados
Resíduos de fundentes,
resíduos brancos, ácidos,
água
•Compostos Inorgânicos Solúveis
Resíduo de fundentes,
resíduos brancos
•Compostos Organo Metálicos
Fundentes, máscara de solda,
fitas, marcas de dedos,etc.
•C
ompostos
TEC-ENC 8
-18
CLASSES de CONTAMINANTES e SOLVENTES
•
O
s contaminantes podem ser agrupados assim:
•
C
ontaminantes Polares
–São compostos que se dissociam em
íons livres que são conduti
vos em H 2 0, – S
ão muitos reativos com met
ais e podem produzir reações de corrosão,
–
D
evem ser retirados do substrato
•
C
ontaminantes Não-Polares
–Estes não se dissociam em íons livres
e são isolantes elétricos,
não contribuem
para processos de corrosão e não produ
zem falhas elétricas, porem impedem o
teste funcional
e a adesão da camada de cobertura conforme
•
S
OLVENTES USADOS em LIMPEZA PÓS-SOLDA
•
S
ão geralmente solventes orgânicos agrupados assim:
•
H
idrofóbicos
•
H
idrofílicos
•
A
zeotrópicos (Mistura de Hidrofóbicos e Hidrofílicos)
–Estes são os mais usados já que pode
m dissolver contaminantes polares e não
TEC-ENC 8
-19
CAUSAS das FALHAS em SMT
Todas as falhas anteriores contribuem para a ocorrência de falhas funcionais.
•Falhas Funcionais
Soldas inadequadas, desalinhamento de componentes, falta de componentes, mal posicionamento de componentes, etc.
•Falhas na Montagem
Curtos circuitos, condutores quebrados ou abertos, falhas nas ilhas de soldagem, problemas nos dispositivos multicamadas, etc
•Falhas nos PCB’s
Contaminação, umidade, corrosão, soldabilidade de terminais, terminais danificados, ruptura mecânica, dielétrico furado, etc
•Falhas dos dispositivos SMD
(Veja nos próximos slides)
TEC-ENC 8 -20
DEFEITOS de SOLDAGEM em SMT
•
O
s principais defeitos da
soldagem em SMT são:
–
P
ontes de Solda
–
“Tombstone”
–
Bolas de Solda
–
R
esíduos de Solda
–
Contaminação com
adesivo
–
Buracos vazios na solda
–
F
TEC-ENC 8
-21
Causas dos defeitos de Soldagem em SMT
Problemas de molhabilida de
Gradiente de To muito alto
Problemas na deposição da pasta
Falta de solda
Fundente aprisionado na solda
Gás aprisionado na solda
Bur
acos
vazios na solda
Problemas com o fundente
Espaço entre ilhas errado
Problemas na deposição da pasta
P
ontes de
Solda
Viscosidade errada do adesivo
Problemas com o fundente
Gradiente de To muito alto
Gradiente de To muito alto
Movimentação dos componentes SMD após deposito
Problemas de molhabilida de
Problemas de molhabilida de
Problemas de molhabilida de
Temperatura incorreta Problemas na deposição do adesivo
Problemas na deposição da pasta
Problemas na deposição da pasta
Problemas na deposição da pasta
Contami nação com adesi vo Resíduos de Solda Bolas de Solda Tombs tone
TEC-ENC 8
-22
TEC-ENC 8
-23
TEC-ENC 8
-24
TEC-ENC 8
-25
CONTROLE de QUALIDADE em SMT
•
A
melhoria da qualidade de um processo
SMT implica num sist
ema de controle
que util
iza inspeção “In-Line” para dimi
nuir os custos de fabricação do PCB.
•
O
método de inspeção mais utilizados são: –S
istema de Inspeção Pós-Manufatura
–
S
istema de Inspeção “In-Line”
•
O
método de inspeção “In-Line” durant
e a montagem SMT garante a qualidade
dos produtos eletrônicos e reduz a os custos de re-trabalho e reparo.
•
H
oje é de extrema importância cumpri
r as metas de produção com custos
competitivos e ao mesmo tempo ma
nter ou aumentar a qualidade e
confiabilidade do produto.
•
U
ma forma efetiva de atingir esta meta
é a utilização de um sistema contínuo de
melhoria de qualidade ou (CQI) “
C
ontinuous Quality Improvement”.
•
A
impl
ementação de uma (CQI) implica numa melhoria continua de todos os
processos. Isto é possível com a ger
ação de uma base de dados sobre os
processos e sua transferência para o
pessoal
técnico de forma a
poder-se
melhorar a tomada de decisões.
•
A
Inspeção “In-Line” durante a montag
em em SMT fornece as informações e o
TEC-ENC 8
-26
TEC-ENC 8
-27
INSPEÇÃO, TESTE e RE-TRABALHO em SMT
•
D
evido à possibilidade de defeitos durante as operações de
TEC-ENC 8
-28
INSPEÇÃO em SMT
•Durante a montagem de aplicações em devem ser realizadas as seguintes tarefas de inspeção :
–Inspeção da solda antes do posicionamento de componentes
–
Inspeção dos componentes antes da refusão da solda, –Inspeção post-refusão e algum tipo de cheque das juntas de solda formadas.
•
O
ciclo de inspeção é crítico nos
processos “In-Line” e deve ser o menor possível.
•Tipos de Inspeção
–Manual –Semi-automática –Automática (AOI) Automatic Optical
TEC-ENC 8
-29
CLASSIFICAÇÃO de DEFEITOS em INSPEÇÃO
•
P
rincipais
–Afetam o funcionamento do PCB (Ex. Pontes de solda)
•
S
ecundários
–Afetam a confiabilidade do PCB ( Ex. PCB não cumpre especificações)
•
C
osméticos
–Não afetam nem funcionamento nem especificações ( Ex. resíduos de
pastas de solda
TEC-ENC 8
-30
INSTRUMENTOS USADOS PARA SISTEMAS de INSPEÇÃO
•
M
icroscópios
–Óticos e de Fibra Ótica –Acúst ic os
•
S
istemas de Vídeo
•
O
lho nu ou utilização
de aumentos (2X, 3X ou 5X)
•
R
aio X
Delaminação em SMT com
•
L
TEC-ENC 8
-31
SISTEMAS de INSPEÇÃO MANUAL
•
P
rocedimentos básicos de
Inspeção
–Verificação geral do PCB – V erificação de Componentes – V erificação do Substrato – V erificação de Soldas
TEC-ENC 8
-32
FATORES EM INSPEÇÃO MANUAL.
•
V
elocidade de inspeção
•
F
atiga do operador
•
Julgamento do operador
•
R
esolução do equipamento
•
M
anipulação das partes
•
C
ampo de visão
•
P
rofundidade de campo
•
D
efeitos em soldas Vs.
TEC-ENC 8
-33
TEC-ENC 8
-34
INSPEÇÃO ÓTICA AUTOMÁTICA “AOI”
•
S
omente o sistema AOI permite que um
a linha de montagem de PCB
em SMT
opere na sua máxima capacidade enquanto se
inspecionam os depósitos de pasta de
solda, o posicionamento dos componentes,
sua nomenclatura e a refusão das juntas
de solda. Depósitos insufici
entes, exce
ssivos ou imprecisos, componentes faltantes
ou mal alinhados, componentes errados
ou com polaridade trocada,
terminais
dobrados, junt
as de solda incompletas, pont
es ou curtos circuitos também podem ser
determinados a velocidades de inspe
ção de 150,000 componentes por hora.
–
O
s sistemas AOI “In-line” realizam 100% da inspeção nas placas junto as máquinas
mais rápidas de “Pick
&
Place” ou “ChipShooters”.
TEC-ENC 8
-35
TAREFAS DE (AOI)
•
INSPEÇÃO APÓS IMPRESSÃO USANDO “STE
NC
IL”
•
E
studos mostram que 70% dos defeitos em
montagem de PCB”s podem ser atr
ibuídos ao
process
o de impressão.
•Não somente o “S
tencil” pode estar
desalinhado mas muita ou pouca pasta pode estar sendo depositada, ocasionando pontes, curtos e “Tombstoning” durante a f
ase de
montagem. •Para a inspeção de past
a de solda um sistema
de medida com es
cala de cinza mede a pasta
nas ilhas e as compara com os dados
originais
de projeto, mas isto não detecta se tem muita ou pouca pasta ass
im um outro sistema de
“3D” deve ser usado para calcular o volume depositado •INSP
EÇÃO AP Ó S “CHIP PLACEMENT”. • A
maioria de sistemas de AOI são
posicionados após o “Chipshooter”. •Nesta posição o sistem
a verifica não somente
o posicionamento correto, polaridade e valor dos Chips, mas os depósito crítico de solda para B
GA, QFP
e Flip
C
hip e o verificação de
componentes posicionados de forma errada.
•
V
ERIFICAÇÃO DE COMPONENTES
AUSENTES •Ausência de componentes é resultado de alimentadores vazios ou emperrados na máquina de “Placement” ou problemas nos bicos de recolhimento. •Os sistemas de A
O
I reconhecem e reportam
estes problemas •INSPEÇÃO APÓS “FINE-PITCH PLACEMENT”. •N
este caso as placas são inspecionadas para
verificar componentes desalinhados, impropriamente colocados ou ausentes. AOI identifica
polaridade imprópria e valores e
tipos de componentes incorre
tos.
•
INSPEÇÃO APÓS REFUSÃO. Conhecido como inspeção E
O
L
(End Of
Line), é o ponto final a
inspeção das juntas de
solda devem acontecer para garantir um a qualidade do processo de r
efusão.
TEC-ENC 8
-36
TESTES em SMT
•
P
ara testar placas de PCB em SMT a industria adota métodos de teste automáticos usando (ATE) alguns fabric
antes usam este método como um
método alternativo de inspeção. Os
defeitos que acontecem em SMT
resultam
em duas grandes famílias de defeitos : –
C ircuitos abertos – C urtos circuitos • P
ara permitir que (ATE) possa testar
as placas PCB, lugares para acesso aos
nós de teste devem ser implementados
durante a fase de projeto da placa.
•
T
IPOS DE TESTES –T
estes DC incluem os seguintes testes: •
T
estes de circuito aberto e curto circuito,
•
T
estes de vazamento nos pinos de entrada (IIH/IIL
test) e nos pinos de três
estados (IOHZ/IOLZ
tes
t),
•
T
estes dos níveis de tensão de saída (VOL/VOH
test)
•
T
estes de corrente standby e dissipação de potência ativa (ICC/IDD
test).
•
T
este de continuidade de sinal
–
T
estes funcionais são realizados para
verificar características operacionais e
garantir que o dispositivo está funciona
ndo de acordo com as especificações
–
T
TEC-ENC 8
-37
RE-TRABALHO e REPARO em SMT
•
R
e-trabalho e reparo de placas (PCB) em SMT é de extrema importância para
os fabri
cantes cumprirem
suas metas com sucesso.
•
A
tualmente as ferramentas e os proced
imentos para desenvolver esta operação
tem ficado sofisticadas, assim, equipa
mentos de solda/de-solda, ferros de
soldagem e pontas especiais, pastas de
solda especiais e materiais para limpeza
específicos, podem ser encontrados no mercado.
•
H
istoricament
e re-trabalho e reparo de pl
acas tem evoluído para diversos tipos
de montagens como furo
passante, SMT, BGA e CSP.
•
O
processo de re-trabalho e reparo de
placas se constitui das seguintes etapas:
1.
Identificação do problema na placa ou no componente
2.
Identificação do local da falha
3.
Remoção do componente ou reparo da placa
4.
Preparação da Superfície
5.
Colocação do componente
6.
Refusão e solda do componente
•
P
ara encapsulamentos mais complexos
como BGA é fundamental o controle
