O Conflito Invisível da Montagem de Tecnologia Mista

Um engenheiro que busca modernizar uma placa de circuito legado muitas vezes vê um caminho claro à frente. Ao retrofitar um design clássico de orifício passante (THT) com componentes modernos de montagem superficial (SMT), um produto pode ganhar nova funcionalidade e diminuir de tamanho. No mundo limpo e bidimensional de um layout CAD, essa combinação parece simples. Mas no piso da fábrica, onde os designs se tornam objetos físicos, essa atualização simples inicia um conflito de fabricação profundo.

Uma placa projetada exclusivamente para componentes de orifício passante antecipa um processo simples, quase rústico. Os componentes são inseridos, e a placa é enviada por uma onda de solda fundida. A introdução do SMT, no entanto, não é uma adição, mas uma transformação de toda a realidade de fabricação. Ela exige salas limpas, impressoras de pasta de solda e máquinas robóticas de colocação. Mais criticamente, ela força a placa através de um forno de refluxo, um ciclo de aquecimento de toda a placa que o substrato original de PCB e seus componentes THT resistentes nunca deveriam suportar. Essa mudança única introduz tensões que podem deformar a placa, fazer com que suas camadas se delaminem e transformar a umidade presa em uma força destrutiva. A escolha de design cria uma cascata de riscos que deve ser gerenciada desde o momento em que o primeiro pad SMT é colocado.

O Desafio Central: Uma História de Dois Mundos Térmicos

No coração de toda montagem de tecnologia mista reside um conflito fundamental de filosofias térmicas. Cada tipo de componente foi concebido para um ambiente de soldagem radicalmente diferente, e forçá-los a coexistir em uma única placa cria uma tensão inerente que é a causa raiz da maioria dos defeitos de fabricação.

Componentes de montagem superficial esperam o ambiente controlado e suave de um forno de refluxo. Toda a montagem é cuidadosamente pré-aquecida, levada a uma temperatura máxima de cerca de 245°C apenas o suficiente para derreter a pasta de solda, e então resfriada com igual precisão. O processo trata a placa como uma massa térmica única e unificada. É um processo definido por uniformidade e controle.

Por outro lado, componentes de orifício passante nasceram de um processo de calor localizado e agressivo. Na soldagem por onda, apenas a parte inferior da placa é arrastada por uma onda de solda em fluxo, muitas vezes a uma temperatura muito mais alta de 260°C. O aquecimento é rápido e intenso, confinado ao lado da solda. Quando você força esses dois mundos juntos, não fica com opções ideais. Você deve submeter a placa a múltiplos ciclos de aquecimento estressantes, ou tentar um único processo que empurre um conjunto de componentes muito além de seus limites pretendidos.

Navegando pelo Compromisso: Escolhendo uma Sequência de Montagem

Para resolver esse conflito térmico, os fabricantes desenvolveram três caminhos principais. A escolha não é meramente técnica; é uma decisão estratégica com profundas consequências para o custo, a velocidade de produção e a confiabilidade final da placa.

O método mais antigo envolve colocar e refluxar componentes SMT primeiro, depois inserir as partes THT e passar toda a placa por uma máquina de solda por onda. Para produção em grande volume, essa sequência é rápida e econômica. Mas tem um preço alto em risco. Quaisquer componentes SMT na parte inferior da placa devem ser colados, e eles devem ser robustos o suficiente para sobreviver a uma imersão violenta em uma onda de solda a 260°C. É um teste brutal que muitos componentes não foram projetados para passar.

Uma abordagem mais moderna e muito mais suave também começa com o processo padrão de refluxo SMT. No entanto, depois, um robô de soldagem seletiva trata os componentes THT. Uma pequena fonte programável de solda é dispensada por uma boquilha que mira apenas nos pinos THT individuais. Isso mantém o calor intenso localizado, protegendo o restante da placa. O processo é significativamente mais seguro para componentes sensíveis, mas essa segurança tem um custo. Os sistemas robóticos representam um grande investimento de capital, e como o processo é serial, soldando uma conexão de cada vez, é inerentemente mais lento do que a soldagem por onda.

O terceiro caminho busca a eficiência máxima de um refluxo de processo único. Usando uma técnica conhecida como Pin-in-Paste (PiP), componentes THT com classificação de alta temperatura são inseridos em orifícios que foram impressos com pasta de solda, assim como os pads SMT. Toda a placa, com ambos os tipos de componentes no lugar, passa pelo forno de refluxo uma vez. Isso elimina uma etapa inteira de soldagem, mas seu sucesso depende de um nível de controle de processo que deixa pouco espaço para erro.

O Problema de Precisão do Pin-in-Paste

A viabilidade do processo Pin-in-Paste depende inteiramente de uma variável difícil: o volume de pasta de solda. A quantidade de pasta impressa no orifício deve ser calculada com extrema precisão. Precisa ser suficiente apenas para preencher a lacuna entre a perna do componente e o barril revestido do orifício, um requisito conhecido como “preenchimento do barril”, enquanto também forma filés de solda adequados de ambos os lados da placa.

Isso cria uma janela de processo excepcionalmente estreita. Pouca pasta resulta em uma junta fraca com preenchimento insuficiente, um defeito que viola padrões da indústria como o IPC-A-610, que frequentemente exige mais de 75% de preenchimento vertical. Ainda assim, pasta demais é espremida ao inserir o componente. Esses depósitos excessivos podem se transformar em bolas de solda que migram durante o reflow, criando curtos-circuitos desastrosos. Alcançar o volume correto exige stencil personalizado e um processo de impressão com repetibilidade quase perfeita, tornando-o uma operação muito mais sensível do que a montagem SMT padrão.

Quando “Bom o Suficiente” Não é: Pré-formas vs. Pin-in-Paste

Para aplicações onde a integridade de uma junta THT é inegociável, como em conectores de alta massa térmica em aeroespacial ou dispositivos médicos, o risco do processo de Pin-in-Paste pode ser inaceitável. Aqui, os fabricantes enfrentam uma troca clássica entre custo do processo e confiabilidade garantida, pesando PiP contra uma alternativa: pré-formas de solda.

Pré-formas são pequenas formas de liga de solda projetadas com precisão, colocadas dentro ou ao redor dos orifícios antes da inserção do componente. Elas são uma solução de material, não um processo. Garantem um volume específico e repetível de solda para cada junta, resultando em conexões excepcionalmente robustas. A troca é custo e complexidade. Pré-formas são um componente adicional a ser adquirido, gerenciado e colocado na placa, aumentando o custo do material e uma etapa do processo. A decisão torna-se estratégica. Pin-in-Paste é uma solução inteligente para produtos sensíveis ao custo, onde sua variabilidade de processo é um risco aceitável. Pré-formas de solda são uma apólice de seguro para aplicações de alta confiabilidade, onde uma falha na junta não é uma opção.

A Realidade 3D do Piso da Fábrica

No espaço abstrato de uma ferramenta de layout, uma placa de circuito é um plano bidimensional. Essa perspectiva é a origem do erro mais frequente e caro que os projetistas cometem ao criar uma placa de tecnologia mista. Eles esquecem que o equipamento de soldagem é uma máquina tridimensional que precisa de espaço físico para operar.

Durante a soldagem por onda, um componente THT alto pode lançar uma “sombra de solda”, uma esteira que bloqueia fisicamente o fluxo de solda derretida de alcançar componentes SMT menores a jusante. Dependendo da altura do componente, isso pode exigir uma zona de exclusão de 15mm ou mais. Para soldagem seletiva, a cabeça robótica precisa de um raio livre de 3 a 5mm ao redor de cada pino para se aproximar, soldar e retrair sem colidir com uma peça adjacente. Colocar um capacitor ou conector alto dentro dessa zona torna a soldagem automatizada impossível. Essa simples negligência, nascida de uma mentalidade 2D, força a montagem a ser concluída manualmente — um processo lento, caro e muito menos repetível que reduz o lucro e introduz riscos de qualidade.

Anatomia de uma Falha

Quando os conflitos térmicos e as realidades físicas da montagem de tecnologia mista são ignorados durante o projeto, surge uma classe única de defeitos. Estes não são os problemas típicos de qualquer processo de montagem; são as consequências diretas e previsíveis de forçar duas tecnologias incompatíveis juntas.

A sombra de solda criada por um componente THT alto em um processo de onda deixa as pads SMT a jusante completamente sem solda, resultando em circuito aberto. Em outro lugar na placa, o choque térmico daquela mesma onda de 260°C pode ser catastrófico para componentes SMT na parte inferior. É conhecido por causar microfissuras em capacitores cerâmicos e causar danos latentes em circuitos integrados sensíveis, levando a falhas misteriosas no campo meses após o envio do produto.

Até mesmo o equipamento destinado a proteger a placa pode se tornar uma fonte de falha. O material composto usado para pallets de solda por onda é um excelente isolante térmico. Embora proteja efetivamente os componentes SMT, também bloqueia os pré-aquecedores de infravermelho. Se um engenheiro de processo não desenvolver um perfil térmico personalizado que leve isso em conta, a placa chega à onda de solda sem estar suficientemente pré-aquecida. O choque térmico resultante leva a um fluxo de solda pobre e ao próprio defeito que o processo tentava evitar: preenchimento insuficiente do orifício nos componentes THT. Com o tempo, o estresse acumulado desses ciclos de aquecimento severos pode fazer toda a placa deformar, quebrando as conexões delicadas de componentes grandes como BGAs e criando falhas intermitentes que são quase impossíveis de diagnosticar.

Projetando para Fabricação: Uma Mudança de Perspectiva

As soluções mais eficazes para esses desafios não estão em máquinas mais avançadas ou inspeção mais complexa. Elas estão na fase inicial de projeto, adotando uma mentalidade que antecipa o processo de fabricação desde o começo.

Protegendo os Vulneráveis

A estratégia principal é proteger componentes SMT sensíveis e caros do rigor inevitável do processo de soldagem THT. Isso começa com o layout. A prática mais confiável é colocar todas as peças de alto valor — processadores, BGAs e ICs de pitch fino — no lado superior da placa. Com componentes THT também inseridos por cima, toda a ação agressiva de soldagem, seja por onda ou seletiva, fica confinada ao lado inferior, longe de qualquer coisa vulnerável.

Além da colocação, o projetista tem o poder de especificar o processo. Solicitar soldagem seletiva nas notas de fabricação é a maneira mais segura de proteger a montagem. Se a alta demanda de volume ou custo tornar a soldagem por onda uma necessidade, a solução é colaborar com o fabricante na criação de um pallet de onda personalizado. Este dispositivo é cuidadosamente projetado com bolsos e escudos que atuam como uma barreira térmica, cobrindo fisicamente os componentes SMT na parte inferior enquanto passam sobre a onda de solda derretida. É uma solução baseada na experiência, reconhecendo a realidade física da fábrica e projetando para ela, e não apesar dela.