SMT - Desafios Técnicos

Desafios Técnicos e EmpresariaisDiretrizes WEEE & RoHS

Impactos na indústria de montagem eletrônicaImpactos na indústria de montagem eletrônica

“Mudança é a lei da vida e aqueles que somenteolham para o passado ou presente com certezaperderão o futuro”

“Change is the law of life and those who look only to the past or present are certain to miss the future.”

-JFK

Diretiva RoHS

� A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptosà demonstrar que seus produtos não contém níveis acimados limites permitidos das substâncias abaixo listadas:� Chumbo� Mercúrio� Cádmio� Cromo hexavalente� Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)

� Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominateddiphenyl ethers)

� Cádmio < 0,01% peso

� Outros < 0,1% (materiais homogêneos nos componentes)

Diretiva RoHS

A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptos à demonstrar que seus produtos não contém níveis acimados limites permitidos das substâncias abaixo listadas :� Chumbo� Mercúrio� Cádmio� Cromo hexavalente� Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)

� Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominateddiphenyl ethers)

� Cádmio < 0,01% peso

� Outros < 0,1% para materiais homogêneos noscomponentes

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Quais são os desafios?

“Retirar o chumbo”

Maior desafio na indústria PCBA em mais de duas décadas

� Sobressai à transição da montagem por pinos para ‘SMT’

� Haverá necessidades de implementar “duas fábricas em uma”

� Estanho-chumbo deverá ser separado de produtos ‘Lead-free’

Impactos não somente nos processos de montagem …

� Impacto abrangente no processo, de seleção de materiais ao retorno de campo

� Cada empresa deverá estar preparada para responder à um esperadoaumento de questionamentos sobre o que a empresa está fazendo parase tornar ‘Lead-free’

Migração para tecnologia Lead-Free


�RoHS: impacto nas organizações

�Vendas e Marketing �Engenharia: P&D, Processo, Fabricação, Qualidade

�Fabricação: custos / produtividade�Compras�Qualidade Assegurada �Manutenção�Suporte a Campo

Recursos:Recursos:tempotempo

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�Considerações comerciais�Preço/estabilidade do custo dos materiais �Disponibilidade dos elementos �Manufaturabilidade�Disponibilidade mundial e patentes das ligas�Reciclagem de ligas e materiais �Quantidade reciclada de materiais em

solicitações de mudança (processo)

�Processo duplo: sem e com chumbo

Fatores Primários que Afetam a Soldabilidade Lead Free

Insumos

Seleção de:

� Liga de Solda

� Fluxo

� PCB– Acabamento da cobertura– Material

� Componentes– Revestimento dos terminais – Material do encapsulamento

� Equipamentos e Ferramentais Apropriados

Ligas de Solda Lead-Free

PanasonicEletrodoméstico227SnCu

PanasonicAutomotiva

NecPanasonicToshiba

Eletrodoméstico198,5Sn Zn

SonyEletrodoméstico216SnAgBiCuGe

PanasonicMilitar / Aeroespacial210-215SnAgBiCuHitachiEletrodoméstico

PanasonicMilitar / Aeroespacial206-213SnAgBi

NortelTelecomunicações

VisteonAutomotiva 221- 226SnAg

NokiaNortel

PanasonicToshiba

Telecomunicações 217SnAgCu

Empresas Indústrias Janela de Fusão

Ligas Utilizadas

fonte IPC

Mercados e Ligas Utilizadas

Lead-Free Fluxos

Fluxos Níveis de Atividade do Fluxo (% de Haletos) - IPC J-STD-004

� Low (0%) – L0

� Low (<0,5%) – L1

� Moderate (0%) – M0

� Moderate (0,5%-2,0%) – M1

� High (0%) – H0

� High (>2,0%)- H1

Materiais de Composição

� Rosin (RO)

� Resin (RE)

� Organic (OR)

� Inorganic (IN)

Tipos de Ativadores :Menos Ativo

� Rosin – R� Low Residue - LR� Rosin Mildly Activated - RMA� Rosin Activated - RA� Water Soluble – WSF (Hidro-Solúvel)

Mais Ativo

Fluxos mais ativos apresentam melhores resultados para lead-free

Tipos de Fluxo quanto a Limpeza

� No Clean� Hidrossolúvel - Clean

Pastas de Solda Lead-Free

� Formulação

� Liga Metálica (85 – 90% em peso)

� Em forma de esferas

� “Spray Drier” ou Ultra-Som

� Diâmetro varia em função da aplicação

� Tipos 3-4: Celulares/Eletrodom

� Tipos 7-8 Fabricação de Componentes

� Fluxo (10 – 15% em peso)

Lead-Free:Acabamento das PCB’s,

Materiaise Revestimentos dos Componentes

Revestimentos PCB e Componentes

Acabamento das PCB’s

�Imersão em Au

�Imersão em Ag

�Imersão em Sn

�ENIG (Ni / Au)

�OSP

Material dos Componentes

� Preocupações com o encapsulamento e revestimento dos terminais dos componentes para o processo Lead Free

� A qualificação para componentes com encapsulamento plástico lead free (sensíveis à umidade) baseada em normas internacionais

� Fabricantes estão pesquisando novos plásticos que suportem maiores temperaturas

� Revestimentos � Materiais Base (Metais base)

�Cobre, latão, Prata-Paladium, Ferro Níquel, Aço, etc � Estanho (Sn), Prata (Ag), Ouro (Au)

Componentes Sensíveis à Umidade

� Danos que podem ocorrer

� Fissuras por umidade

� Delaminação nas interfaces internas do encapsulamento

Os danos acima podem provocar modos de falha como fios de contato elétrico partidos e balls de contatos elétricos levantados

Revestimento dos Terminais

� Aplicação de camada de metal

� melhorar a soldabilidade, proteger da corrosão e danos mecânicos

� melhorar sua aparência

� Requisitos para alternativas de revestimento

� Ponto de refusão aceitável

� Características de boa soldabilidade

� Alta adesão e rigidez mecânica

� Boa condutividade

� Possibilidade de Retrabalho

� Baixo Custo

Lead-FreeSoldabilidade

Soldabilidade

� A solda é de fundamental importância para os produtos eletrônicos

� as ligas de solda têm a função primária de formar uma junção entre duas ou mais superfícies metálicas permitindo boa condução elétrica

� pelo aquecimento as ligas de soldagem são fundidas, após o resfriamento, as ligas unem duas superfícies metálicas

� Por exemplo: a união dos terminais dos componentes aos pads das PCB´s

� Em relação à soldabilidade a PCB é fundamental no projeto

� os componentes representam a tecnologia de mercado

� a soldabilidade define o sucesso de um processo de montagem

~ Full wetting 10% wetting > 25% wetting

Oxidado @230C for 60 min

Soldabilidade – Conclusões

Lead-Free SMT

Impactos na Manufatura Eletrônica

�(1) Loader

�(2) Printer

�(3) AOI

�(4) Chip Shooter

�(5) Placer

�(6) Reflow

�(7) Montagem Manual

�(8) Wave

�(9) Inspeção/Testes

1 2 3 4 9 5 6 7 8 9 9

SnPb Lead-free

SMT com Solda Lead Free

Variáveis com maiores alterações

� Temperatura de fusão da liga de solda

� Química do fluxo: ativação, efeitos de temperatura

� Auto-alinhamento: tensão superficial e soldabilidade

� Aumento de ‘solder balls’, ‘voids’ e curtos

� Confiabilidade dos componentes e do sistema montado

� Processos de Reparo e Retrabalho Compatíveis

� Processo de Soldagem Seletiva e Por Onda Compatíveis

Screen Printer

Impressão da Pasta de Solda

�Força de Impressão

�Velocidade de Impressão

�Frequência de Limpeza do Stencil

�Espessura do Stencil

�Abertura (Area Ratio)

� Design da Abertura

� Formato da Abertura

















Estencils

Tipos mais comuns de Estencils

Colocação dos Componentes(Placer)

Colocação dos Componentes SMT

� Existem, basicamente, dois tipos de Placers:

� Chip Placer ou Chipshooter e

� Large Parts ou Fine Pitch Placer

� Lead-free

� necessidade de maior acuracidade

Forno de Refusão(Reflow)

Perfil de Refusão

Fonte: Speedline Technologies.

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Junção Satisfatória SAC– Refusão em Ar

BGA – Resultado de processo

ChumboPasta A Sn63Pb37

Lead-freePasta B SAC305

‘Voids’ => vazios, lacunas, bolhas, etc…

LEAD-FREE SOLDA POR ONDA (WAVE)

Lead Free Solda Por Onda

Equipamento utilizado para efetuar a aplicação de fluxo e metal (solda) fundido, interligando os componentes e placa de circuito impresso por meio de furos metalizados.

Desafios:

� Proporcionar taxas de aquecimento homogêneas;

� Manter o menor �T possível entre componentes;

� Compatibilidade do Material do Pote de Solda com as Ligas de Solda:

� Corrosão na Máquina de Solda

� Fragilização da Junta de Solda

Soldagem por Onda Lead-free

Janela de Processo

Soldabilidade com SAC305 (Onda)

Variáveis do Processo que Impactam a Operação de Soldagem e Preenchimento do Furo

� Fluxo: conteúdo de sólidos, acidez e volume

� Temperatura dos pré-aquecedores

� Velocidade do conveyor

� Tempo de contato

� Temperatura do pote de solda

� Contaminação por chumbo

� Contaminação por cobre

� Contaminação por ferro � � ��

Soldagem Manual e Retrabalho Lead Free

Retrabalho : Diferenças e Problemas

Diferenças

�Aumento da temperatura em 20°C

�Maior ênfase na transferência de calor

�Formação de Intermetálicos

�Diferenças nos ferramentais e equipamentos

�Corrosão mais rápida nas pontas dos ferros de solda

Problemas

�Pode danificar rolamentos, motores e resistências

�Pode influenciar o volume de produção

�Provocar maior oxidação na PCB

�Provocar juntas de solda fracas

�Cuidados com contaminação

Lead-FreeMétodos de inspeção

Inspeção visual

� Estanho-chumbo� Estanho-chumbo é brilhante e homogênea

� Sem-chumbo : � Fosca e granulada� Menor geometria do filete � Molhagem será menor

� Aspectos visuais de boas junções de solda:� Boa molhagem� Quantidade de solda correta� Superfície sólida, forte e homogênea

Inspeção visual

SAC 305 SnPb(eutética)

Raio-X – verificação de integridade

Junta de solda QFP

� SnAgCu

Junta de Solda QFP

� SnPb eutético

Mesmos lay-out e condições de análise

Nenhuma Diferença Detectável

Lead FreeDefeitos de soldagem

� Levantamento do Filete (Fillet Lifting)

Solda desprende do Pad de Cobre

Pad desprende do material do

PCB

Junta de Solda racha

Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)

� Picos de solda (Spikes - Icicles)

Forma apontada

Excesso de solda


� Bolas de Solda (Solder Balling)

Micro-bolas de Solda


� Buracos / lacunas encapsuladas de Solda

(Voids - via metalografia)

Void dentro do PTH

Causa: escape de gases do

PCB

Através de rachadura do cobre entre PCB e solda


‘Voids’

� vazios, buracos

Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem superficial (Reflow)

� Fios de Estanho (Tin Whiskers)


Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Reflow)

� Solda fora da ilha de terminação (Pad) e no meio dos componentes

� Ponte (bridging)


� Sem molhagem� Efeito Lápide (tombstoning)

� Pode gerar um circuito aberto


Temperatura insuficiente

Temperatura Excessiva

Bom perfil térmico


� Picos de solda (Spikes - Icicles)

� Liga SAC a 260oC

Lead Free Confiabilidade

Confiabilidade

� Planejamento de Testes de confiabilidade

IPC-SM-785, JEDS22-A104-B

-40º-125ºC, 15 min ciclo, gradiente < 20ºC/min., câmara 3 zonas ar-ar, monitoramento contínuo in-situ

Ciclagem Térmica

± 5-10ºC, temperatura ambiente, > 5 horasTorção

MIL STD 810E Tabela 514.4-1

Aplicação induzida de vibração, teste mínimo de integridade, vibração ramdômica em 3 eixos, 1 hora por eixo

Vibrações

JEDS22-A102-C121º C / 100% u.r. 96 horasAutoclaves

JESD22-A103-B150º C, 1000 horasAltas Temperaturas de Estocagem

JESD22-A101-B85º C / 85% u.r., 1000 horasTemperatura e umidade

ReferênciasReferênciasCondições de testes e duraçãoCondições de testes e duraçãoEnsaios de confiabilidadeEnsaios de confiabilidade

Confiabilidade

� Boas junções de solda - sólidas e homogêneas

� Critérios de aceitabilidade IPC-A-610D

SMT

PTHLado 1

PTHLado 2

SMT

Caso de Projeto

Implementação e Otimização deImplementação e Otimização deNova Tecnologia de Processo FabrilNova Tecnologia de Processo Fabril‘Lead-free’

Empresa:

> Multinacional, fabricante de equipamentos de telecomunicação

> Produção: aproximadamente 3 milhões de unidades/mês

Projeto Caso

‘Lead-free’ em PCBA SMT

Situação Inicial: Processo Lead-free desde Set04

> Implementação LF com aumento de defeitos de 50%

> Início dos trabalhos em Dez04

DPMU Evolution by Month - Printer Defects (from September to December/04)

1140

2.69

1247

4.44

1396

6.54

1647

6.61

0.0

2000.0

4000.0

6000.0

8000.0

10000.0

12000.0

14000.0

16000.0

18000.0

11402.69 12474.44 13966.54 16476.61

September October November December


Analisar e otimizar o processo fabril almejando:

> Redução de níveis de defeitos de soldagem de PCI´s

> Capacitação da equipe de colaboradores

> Revisão das Condições de Trabalho nas Bancadas

de Reparo/ Retrabalho


> Análise das condições de processo

> Identificação dos fatores críticos sobre os principais defeitos

> Treinamento do pessoal

> Realização de experimentos

• Desenvolvimento materiais e processos alternativos

> Consolidação de fatores a incrementar melhorias

> Implementação das melhorias em processos

DPMU and SIGMA Evolution

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05

Month

DP

MU

5.00

5.10

5.20

5.30

5.40

5.50

5.60

5.70

5.80

5.90

6.00

SIG

MA

DPMU Sigma

Process changed

Conclusion: Reject Null Hypotesis for both DPMU and Scrap, after project implementation both were improved.Note: Pass/Fail proportion test was used.


Bottom Line Results

• Which is the best profile for soldering processes using Lead Free technology – IPESI Magazine/2005

• Lead Free Implementation - IMAPS/2005

• Lead Free solder alloy implementation in a SMT plant – IMAPS/2005

• Case study correlating the thermal profile and laboratory analysis – APEX/2006

Published Papers

US$ Impact (Net hard dollarssavings validated by Finance)

Process Capability for Solder Paste Height Measurement for Mollusk Results: Cp=2.0 & Cpk=1.7

RoHSCompliance

Solder Paste Process


Instituto Eldorado

Perfil

� Associação civil sem fins lucrativos, OSCIP

� Fundada em dez/1997 em Campinas/SP.

� Em operação desde mar/1999

� Atuando na área de TIC, Tecnologia da Informação e Comunicação

� Dedicada a:� Pesquisa e desenvolvimento (P&D)� Capacitação profissional

� Mantida exclusivamente pelos projetos que executa

Prêmios e Reconhecimentos

Smart Card Alliance Conference – Out/ 2005

� Transformation Innovation Award

100 maiores de Telecom – Anuário Telecom

� 87ª maior organização de Telecom do Brasil (2004)

200 maiores de TI – Anuário Informática Hoje

� 113ª maior organização de TI do Brasil (2004)

Certificações

Gestão

1999 2000 2002 20042001 2003 2005

Testes

Projeto ��

Equipe Eldorado

360 profissionais: crescimento de 6 vezes em 6 anos

0

50

100

150

200

250

300

350

Dec99 Dec00 Dec01 Dec02 Dec03 Dec04 Dec05

Employees Trainees

Equipe Eldorado

Perfil de formação

310 profissionais em tempo integral� 290 em atividades técnicas

50 trainees

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�� !� ��

Áreas de atuação

Gerenciamento de projetos

Projetos de P&D� Software

� Software Embarcado

� Hardware

� Desenvolvimento de Processos

� Testes

� Outros projetos

Programas de capacitação

Laboratórios

Competências

Ciência, Engenharia e Processamento de Materiais

� Metais: processos e materiais de brasagem e soldagem, tratamentos de superfície, recobrimentos, comportamento termo-mecânico e de fraturas, processos de cristalização

� Polímeros: processamento e engenharia de blendas e compósitos, adesivos

� Cerâmicas: recobrimentos anti-abrasivos, porcelanatos

Técnicas de Análise de Falhas em Materiais

� Metalografia

� Microscopia Ótica

� Microscopia Eletrônica (SEM & MEV)

� Espectroscopia de E. Dispersiva (EDS)

Engenharia Industrial

� Modelagem Dinâmica

� Pesquisa Operacional

Metodologias e Ferramentas Estatísticas

� Verificações e Testes Elétricos� Testes de Balanço de Molhamento� Técnicas de Raios-X

� Fluorescência, Radiografia & Dispersão� Metodologia de Análise de Pastas de Soldas

Contatos

Instituto de Pesquisas Eldoradowww.eldorado.org.br

Rod. SP340, Campinas-Mogi Mirim, Km 118,5CEP 13086-902 Campinas – SP - Brasil

Fone: (19) 3757.3000

Joelson FonsecaDesenvolvimento de ProcessosFone: 55 19 [email protected]

Paulo R. S. IvoDesenvolvimento de NegóciosFone: 55 19 [email protected]

Muito Obrigado!

www.eldorado.org.br

Palestrantes

Joelson Fonseca

> Engenheiro de Materiais

> Gerente de P&D do Depto. de Desenvolvimento de Processos

> Tem liderado a área nas iniciativas de implementação dos processos ‘Lead-free’ nas empresas parceiras do IPE desde 2004

> Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais (DEMa/UFSCar)

> Especialista em Gestão Estratégica da Inovação Tecnológica (UNICAMP): experiência de 10 anos em P&D na 3M do Brasil, Ipiranga Asfaltos S.A. e Instituto Eldorado

Nosso foco é processos de ‘materiais’

Objetivos

Atuar como suporte técnico, consultoria e fonte de treinamentos especializados em:

> otimização de processos fabris

> implementação de processos de manufatura

> projetos de desenvolvimento e otimização de produtos

> projetos de desenvolvimento de tecnologias

Escopo de Atuação

Processos de Manufatura

> Otimização e Implantação de Processos

> Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas

> Melhoria de Qualidade de Processos e Produtos

> Desempenho de produtos

> Simulação de Processos

> Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas de Processos

> Melhoria de Lay-out e Fluxo de Processos Industriais

> Implementação de Novas Tecnologias

> p.ex.: processos de montagem eletrônica tipo ‘Lead-Free’

Time

> Engenheiros de Materiais

> Engenheiros Elétricos e Eletrônicos

> Engenheiros de Processos e Industriais

> Estatísticos

> Analistas de Sistemas

> Estagiários: estatística e engenharias

Especialização40%

Ph.D.10% M.Sc.

20%

Estagiários20%

Graduados10%

Casos de Projetos

Otimização de Processo Fabril (PCBA) & Transferência de Tecnologia

> Aplicação dos conceitos de:> Matelurgia de Soldagem Branda> Análise de Falhas em Materiais> Análise de Falhas> Delineamento de Experimentos

Implementação e Otimização de Nova Tecnologia de Soldagem Branda (Lead-Free PCBA)

> Aplicação dos conceitos de:> Metalurgia de Soldagem Branda e Metalurgia de Ligas não-ferrosas> Análise de Falhas em Materiais> Delineamento de Experimentos> Engenharia Robusta

Dimensionamento e Otimização de Células e Linhas de Produção

> Aplicação dos conceitos de:> Lean Manufacturing> Simulação de Eventos Discretos> Delineamento de Experimentos

Dimensionamento e Otimização de Logística Interna de Materiais e Recursos

> Aplicação dos conceitos de:> Modelagem Dinâmica de Processos

Technology

SMT - Desafios Técnicos