A montagem transforma uma placa nua e um conjunto de rolos em um circuito que funciona. A maioria dos componentes hoje é de montagem em superfície (SMT, surface-mount technology): eles ficam sobre pads na superfície da placa. Alguns componentes, em geral conectores grandes, transformadores e componentes de potência, têm terminais que passam por furos (THT, through-hole technology). Uma placa costuma ter os dois, e o processo tem uma etapa para cada um.
A linha, uma estação depois da outra.
- Impressora: um rodo empurra a pasta pelo stencil sobre os pads.
- Inspeção de pasta: uma câmera verifica a pasta antes de os componentes serem posicionados.
- Posicionamento: um bico coloca cada componente sobre a pasta.
- Forno de refluxo: zonas que aquecem a placa, a mantêm, fundem a solda e a resfriam.
- Inspeção óptica: uma câmera verifica a placa soldada.
1. Preparar a linha
Antes de qualquer placa ser feita, a fábrica:
- verifica se cada componente da BOM (lista de materiais) está presente e corresponde ao código do componente,
- aquece em estufa componentes sensíveis à umidade que ficaram expostos por tempo demais (um CI de plástico que absorve umidade pode rachar quando aquecido no refluxo),
- carrega os rolos nos alimentadores da máquina de posicionamento,
- faz ou busca um stencil, e
- carrega os programas da máquina a partir do seu arquivo de posicionamento.
O que pode dar errado: um componente errado em um alimentador. É por isso que a primeira placa é inspecionada com atenção (uma inspeção de primeiro artigo) antes de o lote ser produzido.
2. Impressão de pasta de solda
A pasta de solda é uma mistura de esferas pequenas de solda e fluxo, com a consistência de pasta de dente. A liga de solda mais comum para trabalho sem chumbo é uma liga de estanho-prata-cobre conhecida como SAC305. Um stencil, uma chapa fina de metal com furos onde ficam os seus pads, é colocado sobre a placa. Um rodo empurra a pasta pelos furos sobre os pads.
O que pode dar errado: pasta demais causa pontes entre pads; pasta de menos gera juntas fracas ou juntas abertas. A espessura do stencil, o tamanho das aberturas, e o quanto o stencil veda contra a placa decidem o volume. Componentes de passo fino precisam de um stencil mais fino do que componentes grandes, e é por isso que placas mistas são um compromisso. Algumas fábricas usam uma máquina de inspeção de pasta de solda (SPI) para medir o volume de pasta em cada pad antes de os componentes serem posicionados. Veja Inspeção e teste.
3. Posicionamento
Uma máquina pick-and-place pega os componentes dos alimentadores com um bico a vácuo, verifica-os com uma câmera, e os posiciona sobre a pasta, com a posição definida pelo seu arquivo de posicionamento e corrigida com os fiduciais, as marcas redondas pequenas na placa que a câmera encontra.
Componentes passivos pequenos são posicionados muito rápido; componentes grandes ou de formato incomum, e CIs de passo fino, são posicionados mais devagar e com mais cuidado. A pasta é adesiva o suficiente para manter os componentes no lugar até a soldagem.
O que pode dar errado: um componente girado 90 ou 180 graus porque a orientação do footprint na biblioteca é diferente da do seu arquivo de posicionamento; um componente que falta porque acabou; um tombstone (abaixo).
4. Soldagem por refluxo
A placa atravessa um forno de refluxo em uma esteira. Ela passa por zonas de temperatura crescente:
- Pré-aquecimento: eleva a placa de forma gradual, para que os componentes não rachem por choque térmico.
- Soak: iguala a temperatura em toda a placa e ativa o fluxo.
- Refluxo: a temperatura sobe acima do ponto de fusão da solda (cerca de 217 a 220 °C para SAC305), em geral com pico de cerca de 240 a 250 °C por um tempo curto. A solda funde, molha o pad e o terminal do componente, e a tensão superficial puxa o componente para o alinhamento.
- Resfriamento: a solda solidifica em uma junta.
O perfil, a temperatura em função do tempo, é definido para a placa, seus componentes e a pasta, e é verificado com uma medição por termopar em uma placa de teste.
- Pré-aquecimento: uma subida gradual.
- Soak: a temperatura se iguala e o fluxo é ativado.
- Refluxo: acima do ponto de fusão da solda (a linha tracejada) por um tempo curto.
- Pico: a temperatura mais alta do perfil.
- Resfriamento: a solda solidifica em uma junta.
O que pode dar errado:
- Tombstoning: um componente pequeno de dois terminais fica em pé sobre uma extremidade porque um pad aquece e molha antes do outro. Tamanhos de pad desiguais ou uma ligação de cobre desigual aos pads são as causas usuais.
- Pontes de solda: por pasta demais ou pads próximos demais.
- Vazios: gás preso em uma junta, o que importa sob pads térmicos grandes e BGAs.
- Head-in-pillow: uma esfera de BGA que não se funde com a sua pasta, em geral quando a placa ou o componente empena durante o refluxo.
- Componentes que se deslocam ou caem: componentes pesados no segundo lado podem cair durante o segundo refluxo se a área do pad for pequena demais para o peso deles.
- Uma junta boa: o componente fica plano e a solda molha os dois pads.
- Tombstoning: um pad aqueceu e molhou primeiro, e puxou o componente para cima sobre a sua extremidade.
- Uma ponte de solda: a solda une dois pads vizinhos.
5. Segundo lado
Se os dois lados têm componentes, a placa passa pela linha duas vezes. O lado com os componentes menores e mais leves costuma ir primeiro.
6. Componentes de furos passantes
Componentes de furos passantes são inseridos à mão ou por máquina, e depois soldados por um destes métodos:
- Solda por onda: a face inferior da placa passa sobre uma onda de solda fundida. É rápido para muitos pinos. Componentes de montagem em superfície na face inferior precisam ser colados ou cobertos em um palete para resistir a ela. Nossa linha usa um processo de onda dupla sem chumbo.
- Solda seletiva: um bico pequeno solda juntas escolhidas uma a uma, sem aquecer o restante da placa. É usada quando a placa tem componentes nos dois lados, ou componentes sensíveis ao calor perto dos furos passantes.
- Solda manual: por um operador treinado para componentes únicos, retrabalho, e volumes baixos.
Depois da solda por onda ou da solda manual, o excesso de comprimento dos terminais é cortado.
7. Limpeza
O resíduo de fluxo que fica depois da soldagem não causa dano em muitas placas (um fluxo "no-clean" é projetado para isso). Placas para alta tensão, alta impedância ou para revestimento são limpas, por exemplo em um banho ultrassônico, com um produto químico adequado ao fluxo. Peça limpeza se o produto for sensível a resíduos.
8. Revestimento conformal
Uma película fina de polímero protetor (acrílico, silicone, poliuretano ou outro) pode ser pulverizada ou aplicada por imersão sobre a placa pronta, para protegê-la de umidade, sal, poeira e produtos químicos. Conectores, pontos de teste e outras áreas que devem ficar sem revestimento são mascarados ou evitados. O revestimento esconde a superfície da placa, o que torna a inspeção e o retrabalho posterior mais difíceis. Nossa fábrica aplica o revestimento de forma seletiva, por máquina.
9. Programação e teste
Microcontroladores e memórias são carregados com firmware, antes do posicionamento ou em circuito depois da soldagem, por um conector de programação ou pads de teste. Um teste funcional verifica se a placa funciona. Veja Inspeção e teste.
Coisas para projetar
- Tamanhos de pad iguais e ligações de cobre simétricas para componentes pequenos de dois terminais, para que eles aqueçam de forma igual.
- Fiduciais na placa, e no painel. Veja Painelização e placas pequenas.
- Espaço ao redor dos componentes para o bico, para inspeção e para retrabalho.
- Marcas claras de polaridade e de pino 1.
- Uma escolha de componentes adequados ao refluxo: nem todos os componentes resistem ao forno, e alguns (alguns conectores, capacitores eletrolíticos de certos tipos, baterias) devem ser acrescentados depois.
Como isso aparece quando você pede aqui
Nossa fábrica tem impressão automática de pasta de solda, fornos de refluxo de 10 zonas, posicionamento de alta velocidade, solda por onda dupla sem chumbo, estações de retrabalho manual e revestimento conformal seletivo. Quais opções de montagem estão disponíveis pelo site, e seus limites, estão na página de capacidades de fabricação. Um engenheiro confirma cada pedido e pode perguntar sobre um componente que não pode passar pelo refluxo, ou um footprint que favorece o tombstoning. As 25 verificações no upload examinam os arquivos da placa; elas não revisam a sua montagem quanto a essas falhas de processo.