A Lacuna Invisível: Por que sua colagem falha antes do forno

O defeito quase sempre é visível se você souber quando olhar, mas a maioria dos engenheiros de processo está olhando no momento errado. Você passa na linha, verifica a impressora e vê um depósito nítido e quadrado nas almofadas. A definição é nítida. O volume está correto. A máquina SPI (Inspeção de Pasta de Solda) dá o sinal verde. Ainda assim, vinte minutos depois, após a mesma placa ter percorrido a esteira e saído do forno de refluxo, você está olhando para um QFN com ponte ou um vazio enorme sob um FET de potência.

O instinto imediato é culpar o perfil de refluxo ou o design da abertura da estêncil, mas o crime não aconteceu no forno. Aconteceu nos dez minutos em que a placa ficou esperando na esteira.

Chamamos isso de "queda fria", o assassino silencioso do First Pass Yield (FPY). Tecnologicamente, uma suspensão densa de esfera metálica (poeira) flutuando em um veículo químico (fluxo), a pasta de solda começa a relaxar e se espalhar sob seu próprio peso antes de receber calor. Em um ambiente de laboratório pristine, esse efeito é mínimo. Mas em uma fábrica real—onde a umidade fluctua e o ar condicionado luta contra o calor dos fornos de refluxo—a queda fria transforma depósitos afiados em blocos amorfos que tocam seus vizinhos. Quando a placa entra na zona de pré-aquecimento, a ponte já se formou. Nenhum ajuste no perfil irá separar duas almofadas que já se fundiram. O calor não é o problema. A física da pasta à temperatura ambiente é.

A Física do Colapso

Para entender por que a pasta falha ao não fazer nada, observe o material em si. Pasta de solda não é cola simples. É uma suspensão densa de esferas de metal (pó) flutuando em um veículo químico (fluxo). A magia da impressão depende da thixotropia. Quando a espátula empurra a pasta através da estêncil, a força de cisalhamento reduz a viscosidade da pasta, permitindo que ela flua como líquido nas aberturas. No momento em que a espátula passa e a estêncil é levantada, essa força de cisalhamento cessa. Idealmente, a pasta deve recuperar instantaneamente sua alta viscosidade e "congelar" naquela forma de tijolo perfeita.

Mas a recuperação nunca é instantânea, e nunca é permanente. O veículo de fluxo luta constantemente contra a gravidade e a tensão superficial. Se a viscosidade não se recuperar rápido o suficiente, as partículas pesadas de metal—lembre-se, isso é principalmente estanho e prata—arrastam o fluxo para fora. Essa é a queda: uma colapsa em câmera lenta. Em um QFP de passo de 0,5mm ou uma almofada térmica QFN apertada, você tem apenas alguns mils de espaço. Se a pasta ceder apenas 10%, esse espaço desaparece.

Engenheiros frequentemente tentam combater isso redesenhando a estêncil. Eles solicitam aberturas "capa de casa" ou "inverted home plate" para reduzir o volume de pasta, na esperança de que menos pasta signifique menos espalhamento. Isso é um remendo de engenharia em um problema de física. Reduzir o volume fornece menos solda para formar a junta, potencialmente levando a escassez ou ligações mecânicas fracas, e não resolve a causa raiz. Se a reologia da pasta estiver quebrada, uma deposição menor ainda irá ceder; basta levar alguns minutos a mais para acontecer.

A Ameaça Hidroscópica

O principal fator que causa essa quebra de viscosidade geralmente não é a formulação da pasta—as pastas SAC305 Type 4 modernas são quimicamente robustas. É um ingrediente invisível: água. As químicas do fluxo são naturalmente higroscópicas. Elas absorvem umidade do ar como uma esponja. Quando você deixa um pote aberto ou uma gota de pasta na estêncil, ela ativamente puxa moléculas de água do ar da fábrica.

Essa água absorvida destrói o delicado equilíbrio químico do fluxo. Ela atua como um afinador, reduzindo drasticamente a viscosidade e arruinando a resistência à queda. Você pode não perceber a olho nu, mas um viscosímetro mostraria a tensão de escoamento despencando. Se o umidade relativa do seu chão de fábrica estiver em 70% porque é uma terça-feira chuvosa e o gerente de instalações está tentando economizar na climatização, sua pasta está se degradando exponencialmente mais rápido do que o datasheet afirma.

As consequências vão além da ponte. Essa água não fica apenas lá; ela boils. Quando a placa chega ao forno de refluxo, a água presa dentro da pasta se transforma em vapor instantaneamente. Essa microexplosão dispersa o pó de solda. Se você estiver lidando com "bolhas de solda" intermittentes ou "contas no meio do chip"—essas pequenas esferas de metal grudadas ao lado de um capacitor—pare de olhar para sua taxa de rampagem do perfil de refluxo. Você provavelmente está fervendo água. O vapor cria vazios dentro da junta e espalha esferas de solda fora dela. Você está lutando contra um problema de umidade disfarçado de um problema térmico.

A Cadeia Fria Quebrada

O erro de manuseio mais grave, no entanto, acontece antes mesmo da pasta chegar à impressora. Ele ocorre na transição do armazenamento para a linha. A pasta de solda é perecível. Ela é armazenada a 4°C para interromper a reação química entre o fluxo e o pó. Se essa reação acontecer, o fluxo se esgota enquanto estiver na jarra. Mas o armazenamento a frio cria uma armadilha.

Considere a linha do tempo de um “lote ruim”. Os registros mostram que a pasta foi retirada da geladeira às 7:00 da manhã para o início do turno. O defeito—pontes e vazios massivos—começam a aparecer às 9:00. O operador afirma que seguiu o procedimento. Mas, se você olhar de perto o registro de “saída da pasta”, pode descobrir que o pote foi aberto imediatamente. Quando você abre um pote a 4°C em um ambiente a 25°C com 60% de umidade, a condensação se forma instantaneamente na superfície fria da pasta. Pense numa cerveja gelada suando no pátio—é a mesma física. Essa condensação é água pura, e você acabou de misturá-la diretamente na sua química.

O equipamento de armazenamento em si costuma ser o culpado. É comum ver uma fábrica operando linhas de SMT que custam milhões, confiando em um mini-refigerador de $90 dormitórios para guardar inventário no valor de cinquenta mil dólares. Esses aparelhos de uso doméstico têm uma hysterese térmica terrível. Ciclam de forma selvagem, às vezes congelando a pasta (o que arruina permanentemente a suspensão de fluxo) e outras vezes permitindo que ela suba até 15°C. Se a pasta congelar, o fluxo se separa. Nenhuma mistura vai consertar isso. Se você vir separação ou “crosta” em um pote novo, verifique a geladeira, não o fornecedor.

Um mito difundido sugere que você pode “temperar rapidamente” a pasta colocando-a em um aquecedor ou misturando vigorosamente. Isso é falso. A única maneira segura de temperar a pasta é tirá-la da geladeira e deixá-la repousar, fechada, à temperatura ambiente por pelo menos quatro a oito horas. Se você não planejou com antecedência e precisa de pasta agora, você está sem sorte. Quebrar o selo precocemente garante a absorção de umidade.

Raspando o Fundo

O inimigo final do rendimento é a frugalidade mal colocada. A pasta de solda é cara, muitas vezes custando centenas de dólares por quilograma. Isso leva gerentes e operadores a tratá-la como ouro líquido, tentando economizar cada grama. Você vê operadores raspando a pasta seca e crostosa das extremidades do movimento do escareador e colocando de volta no pote, ou misturando com pasta fresca.

Essa “economia do raspador” é matematicamente desastrosa. Essa pasta usada foi exposta ao ar por horas. Seu fluxo está esgotado, sua viscosidade reduzida. Ela absorveu umidade e oxidação. Ao misturá-la de volta, você contamina o material fresco. Considere a proporção: 50 gramas de pasta desperdiçada custam talvez três dólares. Uma única placa reprocessada de BGA custa cinquenta dólares em tempo de técnico, além do risco de descartar toda a PCB. Se você economiza três dólares para arriscar cinquenta, não está economizando dinheiro.

De modo semelhante, há uma pressão constante para estender a vida útil. “Expirou na semana passada, ainda podemos usá-la?” A resposta deve sempre ser não. A degradação química do fluxo não é uma sugestão; é uma realidade. O risco de vazios e juntas abertas aumenta a cada dia após a data de validade. Se você está fazendo essa pergunta, a gestão do seu inventário é o problema, não a data de validade.

Disciplina é a Solução

A solução para a deformação a frio e os defeitos de “mistério” raramente é uma liga nova e cara ou uma tela nanocoberta. É uma disciplina monótona e rigorosa. É comprar um termômetro e um higrômetro $20 e colocá-los ao lado da impressora. É impor um tempo estrito de “Não Abrir” na pasta removida do armazenamento frio. É capacitar os operadores a jogarem fora a pasta que permaneceu tempo demais na tela, em vez de tentar salvá-la.

O controle do processo supera a ciência dos materiais. Você pode usar a pasta mais cara e resistente a deformação do mundo, tipo 5, mas se tratá-la como lixo—se deixá-la molhar, congelar ou deixar fora por 24 horas—ela vai falhar. Por outro lado, uma linha disciplinada pode usar SAC305 padrão em um ambiente controlado e alcançar taxas de defeitos quase zero. A pasta geralmente funciona. Certifique-se de que o ambiente permita isso.