Soldagem Seletiva Sem Ponte: Design de Buraco que Realmente Funciona

A solda seletiva muitas vezes é tratada como um problema de controle de processo. Quando aparecem pontes entre pinos adjacentes, o primeiro impulso é ajustar o tempo de dwell, ajustar o fluxo ou diminuir a temperatura do tanque de solda. Embora essas variáveis importem, elas operam dentro de restrições definidas muito antes: a geometria do orifício por si só. Se um orifício for projetado incorretamente, nenhuma otimização de processo conseguirá evitar pontes de forma confiável. A solda encontrará um caminho entre as almofadas porque o design físico faz esse caminho inevitável.

Vemos esse padrão constantemente. Uma placa com um conector de alto número de pinos chega para solda seletiva, e pontes se formam em todas as condições, apesar de uma engenharia de processo competente. A causa raiz não é a máquina ou o operador. É um tamanho de orifício finalizado com 0,08mm de folga em vez de 0,20mm, um alívio térmico com raios dirigidos diretamente para uma almofada adjacente, ou uma violação de exclusão que força a ponta do bico em um ângulo comprometido. Essas são decisões de design, e elas determinam se uma placa passa pela produção ou fica presa na retrabalho.

Este artigo explica o porquê. Exploraremos a física da formação de pontes e derivaremos as regras de geometria do orifício que as previnem, focando nas escolhas de design que realmente importam: folga lead-to-hole, orientação do alívio térmico, acesso ao bico, e estratégias para componentes de alta massa térmica. Essas não são diretrizes arbitrárias; são realidades mecânicas e térmicas de como a solda se comporta em um barril.

Por que o formulário de Pontes de Solda Seletiva

Uma ponte de solda não é um defeito aleatório. É o resultado previsível de solda estabelecendo um caminho contínuo entre dois pontos que devem permanecer isolados. Na soldagem seletiva, isso acontece quando a solda nos dois barris de orifício adjacentes entra em contato, seja na superfície superior da placa ou dentro dos próprios barris.

O Papel da Ação Capilar

Quando um bico aplica solda derretida em um orifício, a solda não se acumula apenas na superfície. Ela sobe pelo barril por ação capilar, puxada para cima contra a gravidade pela tensão superficial e forças de molhamento entre a solda e a parede de cobre do barril.

A altura dessa subida capilar depende do espaço anular entre a pata do componente e o barril. Um espaço estreito cria uma força capilar forte, puxando a solda para cima rapidamente. Um espaço amplo cria uma força mais fraca, e a solda pode estagnar, deixando um vazio. O problema é que o barril não é um tubo aberto; ele contém uma pata. Se a folga for muito pequena, o barril se enche com mais solda do que a junta requer. Esse excesso não tem para onde ir, exceto para fora, se espalhando pela almofada na parte superior.

Esse transbordamento forma uma cunha na borda da almofada. Se duas almofadas adjacentes tiverem excesso de solda, suas cunhas se tocam. Nesse instante, a tensão superficial puxa as duas reservas de solda formando uma massa única. Uma ponte é criada.

Quando Barris Adjacentes Tornam-se Um

A variável crítica é o pitch — a distância de centro a centro entre os pinos. Com um pitch padrão de 2,54 mm e folga adequada para os orifícios, há espaço suficiente entre as pastilhas para manter os meniscos separados. Com um pitch de 1,27 mm e folga inadequada, essa margem de erro desaparece.

A interação é tanto geométrica quanto térmica. Duas almofadas adjacentes em um plano comum criam um caminho de cobre contínuo que conduz calor. Se um bico permanecer em uma almofada e imediatamente se mover para a próxima, a primeira ainda está fundida. A solda da segunda almofada pode wicking em direção à primeira através do cobre, especialmente se os alívios térmicos estiverem ausentes ou mal orientados.

As pontes se formam porque as condições de contorno o permitem. O solda simplesmente obedece à física, minimizando sua energia superficial ao formar a menor área possível de superfície. Para duas-padronagens próximas e sobrecarregadas, isso significa uma massa compartilhada. Em vez de lutar contra esse comportamento com truques de processo, a solução é projetar condições de contorno que o impeçam de acontecer desde o início.

Liberação Lead-to-Hole que Prevêr Pontes

O parâmetro de projeto mais crítico para a soldagem seletiva é a folga diametral entre a ponta do componente e o orifício acabado. Essa folga dita o volume de solda que entra no barril, a força docapilaridade e se o excesso de solda transborda para a superfície superior. Errar nisso, e as pontes são quase garantidas.

A folga ideal: 0,15mm a 0,25mm

Para soldagem seletiva, a faixa funcional de folga diametral é uma janela apertada: 0,15mm a 0,25mm. Isso é muito mais apertado do que a faixa típica para soldagem por ondas, que pode tolerar 0,40mm ou mais. A diferença reside no método de aplicação. Uma onda cobre os barris por baixo com alta energia cinética, enquanto um bocal seletivo aplica solda localmente com força muito menor. O próprio barril deve fazer mais do trabalho para puxar a solda para cima.

• Abaixo de 0,15mm: O barril está muito apertado. A estreita folga anular cria uma força capilar excessiva que puxa muita solda para a junta. O barril transborda, a solda se espalha pelo pad superior ao lado e a formação de pontes torna-se provável.
• Acima de 0,25mm: O barril está muito solto. A força capilar enfraquece, e a solda pode não subir completamente até o topo, deixando um vazio ou uma junta fria. Isto é inaceitável para aplicações de alta confiabilidade.

A faixa de 0,15mm a 0,25mm é o ponto ideal onde a ação capilar é forte o bastante para preencher o barril de forma confiável, mas não tão forte a ponto de transbordar. A solda molha o pad e a ponta do componente para formar uma filetag controlada sem se espalhar além dos limites do pad.

Calculando o Tamanho do Orifício Final

O orifício acabado é o diâmetro após de platina, não o tamanho da broca. Para calculá-lo, comece com o diâmetro máximo da ponta do componente a partir do datasheet e adicione a folga desejada (tipicamente 0,20mm como uma meta nominal). Este é o diâmetro do seu orifício acabado.

Para encontrar o tamanho da broca, subtraia o dobro da espessura do revestimento. Para uma placa padrão com 25 microns (0,025mm) de revestimento de cobre no barril, subtraí-se 0,05mm. Por exemplo, um pino quadrado de 0,64mm de diâmetro tem uma diagonal de aproximadamente 0,90mm. Para uma folga de 0,20mm, ele precisa de um orifício acabado de 1,10mm, o que requer uma broca de 1,05mm.

Esse nível de precisão requer coordenação com seu fabricante para garantir que a espessura do revestimento seja controlada e o tamanho do orifício acabado seja verificado. Também é necessário que você saiba com precisão o diâmetro do terminal do componente. Embora haja orientações gerais como a IPC-7251, ela foi escrita para soldagem por onda e prioriza a facilidade de inserção. Para soldagem seletiva, o controle do volume de solda é fundamental. As tolerâncias devem ser mais rígidas e precisam ser defendidas.

Alívios Térmicos e Controle de Fluxo de Solda

Relevos térmicos são conhecidos por reduzir o efeito de dissipação de calor de uma placa, mas seu papel na soldagem seletiva é mais complexo. Eles também controlam a direção e a symmetria do fluxo de solda. As hasteamentos de um relevo térmico são caminhos preferenciais para calor e solda fundida. Seu design determina se a solda flui de maneira uniforme ou se concentra em uma direção que cria uma ponte.

Contagem e Largura das Hastes

Um relevo de quatro hastes distribui o calor mais uniformemente do que um design de duas hastes, mas se as hastes forem muito largas, podem atuar como canais para a solda wicking para fora. Uma largura de haste de 0,30mm ou menos fornece isolamento térmico eficaz sem criar um caminho significativo de fluxo de solda. A 0,50mm ou mais, uma haste começa a atuar como uma extensão do próprio pad. Para aplicações de alta corrente que exigem hastes largas, sua orientação torna-se crítica.

Em alguns designs de alta potência, os relevos térmicos não podem ser usados de forma alguma. Para essas conexões de plano direto, a folga do furo torna-se ainda mais crucial, e o processo deve compensar com pré-aquecimento estendido. O risco de ponte é maior porque o pad está termicamente ligado aos seus vizinhos, criando uma zona quente contínua.

Orientação para Minimizar Caminhos de Ponte

Se dois pads adjacentes tiverem relevos de duas hastes orientados diretamente um para o outro, você criou uma rodovia térmica e fluidica para uma ponte. Calor e solda fluirão ao longo das hastes, encontrando-se no espaço entre os pads.

A solução é simples: gire os relevos.

• Para um relevo de duas hastes, oriente as hastesperpendicularmente à fila de pinos.
• Para um relevo de quatro hastes, oriente as hastes em 45 graus em relação à fila de pinos.

Isso garante que nenhuma haste aponte diretamente para um pad adjacente, criando um ambiente térmico mais simétrico. Em um conector de passo de 1,27mm, rotacionar relevos desalinhados em 90 graus pode eliminar a ponte sem alterar qualquer outra variável.

Regras de Exclusão para Acesso à Bico e Palete

A soldagem seletiva é um processo físico. Um bocal deve se posicionar sob a placa e uma base deve segurar essa placa sem obstruir o caminho do bocal. Se o layout ignorar esses requisitos espaciais, o processo falha antes mesmo de começar.

Afastamento horizontal para a boquilha

Uma boquilha de solda tem um diâmetro físico, normalmente de 4mm a 8mm. Ela precisa de um afastamento radial ao redor da almofada de destino para evitar colisões com componentes adjacentes. Como regra geral, uma boquilha de 6mm requer um raio de exclusão de cerca de 5mm do centro da almada até a borda de qualquer componente próximo.

Esta é uma pegada maior do que muitos projetistas esperam, especialmente em placas densas. Embora a maioria das máquinas permita que a boquilha se aproxime em um ângulo para reduzir esse requisito, uma abordagem angular cria aquecimento assimétrico e pode exigir tempos de permanência mais longos. Sempre é preferível um afastamento suficiente para uma abordagem vertical. Conectores na borda da placa são um desafio comum, pois a boquilha não pode ultrapassar os limites da placa. Essa restrição deve ser reconhecida durante o layout, não descoberta durante o desenvolvimento do processo.

Afastamento vertical e altura do componente

A boquilha também deve subir de baixo da placa para molhar a solda. Um componente alto ao lado da almada de destino pode bloquear fisicamente a boquilha. Este problema de afastamento no eixo Z exige uma zona de exclusão vertical. Componentes mais altos do que a altura operacional da boquilha não devem ser colocados dentro do raio de afastamento horizontal das juntas de soldagem seletiva. Este é um problema de projeto 3D que requer coordenação entre engenharia mecânica, de layout e de processos, frequentemente verificado manualmente ou com scripts de regras de projeto personalizados.

Estratégias de Design para Conectores de Alta Massa

Conectores com alto número de pinos são uma aplicação perfeita para soldagem seletiva, pois muitas vezes não podem sobreviver ao reflow. Eles também são os mais difíceis de soldar devido à sua alta massa térmica. A grande carcaça de metal e a matriz de pinos densa atuam como uma enorme dissipadora de calor, retirando energia da junta mais rápido do que a boquilha pode fornecê-la.

Por que a Massa Térmica Impede uma Boa Molhagem

Um conector com alta massa térmica absorve uma grande quantidade de energia. Durante a soldagem, o bocal aplica calor localmente, mas esse calor é imediatamente conduzido para o corpo do conector e quaisquer planos de cobre conectados. A solda nunca atinge sua temperatura ideal de molhabilidade, ou o faz apenas brevemente. O resultado é uma junta fria ou um preenchimento parcial. Um erro comum no processo é compensar extendendo o tempo de residência, o que aplica tanta solda que transborda e cria pontes.

A solução de projeto é isolar termicamente a junta o máximo possível. Isso significa usar alivios térmicos com os raios de hastes mais finos que ainda possam conduzir a corrente necessária. Outra opção é uma recorte localizado em um plano abaixo do conector, grande o suficiente para quebrar a conexão térmica durante a soldagem enquanto mantém a integridade global do plano.

Comprimento do stub do pino e volume de solda

O comprimento do stub do pino que se estende acima da superfície superior da placa também afeta o volume de solda. Um stub longo aumenta o comprimento total do tubo que deve ser preenchido. Se a folga do orifício já for apertada, um stub longo pode facilmente causar transbordamento.

Para soldagem seletiva, o stub deve ser cortado para o comprimento mínimo necessário para inspeção, normalmente de 0,50mm a 1,50mm. Stubs mais longos não agregam valor à resistência da junta e apenas aumentam o risco de defeitos. Se um componente for fornecido com pinos longos, eles devem ser aparados antes ou após a inserção. O custo dessa etapa extra é trivial em comparação com o custo de retrabalhar pontes em um conector de cem pinos.

Projetando para Latitude de Processo

As regras neste artigo não são preferências; são os requisitos físicos para um processo de soldagem seletiva confiável. Uma placa projetada com uma folga entre leads e orifícios de 0,20mm, alivios térmicos adequadamente orientados, e keepouts de boquilha adequados, soldará de forma limpa com mínima calibração. Uma placa que ignore esses fundamentos terá dificuldades, não importa quão habilitado seja o engenheiro de processos.

O objetivo do projeto para manufaturabilidade é criar margem, permitindo pequenas variações no processo ou nos componentes sem causar falhas. Folgas apertadas e um mal projeto térmico eliminam essa margem, exigindo um nível de perfeição que não é uma estratégia de manufatura sustentável.

Essas decisões críticas são feitas durante o layout, muitas vezes sem uma compreensão completa de suas consequências downstream. Uma revisão de projeto pré-produção pode detectar uma violação de keepout ou um orifício subdimensionado quando a correção é uma simples revisão no CAD. Após a fabricação, a correção é uma nova montagem da placa ou uma solução de processo cara e pouco confiável.

Para fazer a soldagem seletiva funcionar, a lista de verificação é curta, mas inegociável. Certifique-se de que a folga entre lead e orifício está entre 0,15mm e 0,25mm. Orientar os alivios térmicos para longe das almadas adjacentes. Providenciar pelo menos 5mm de afastamento radial para a boquilha. Isolar termicamente conectores de alta massa. E manter os stubs de pino abaixo de 1,50mm. Estas são as regras que diferenciam um produto bem-sucedido de um pesadelo de produção.