A Gravidade é Invencível: Gerenciando Riscos de Refluxo na Segunda Face

O som de um componente pesado caindo de uma PCB dentro de um forno de refluxo é distinto. Não é um impacto forte; é um baque abafado, mecânico banco que normalmente acontece na Zona 6 ou 7, bem quando o solder chega ao seu estado líquido. Se você tiver sorte, a peça cai inofensivamente no chão do forno. Se você tiver azar — e as leis da probabilidade sugerem que você terá — ela pousa na malha do transportador, entope o mecanismo de acionamento ou pega fogo enquanto cozinha na zona de pico por uma hora.

Quando você executa um fluxo de montagem de dois lados, você está efetivamente pedindo para a física olhar para o outro lado por três minutos. O lado superior é fácil; a gravidade ajuda a manter as peças no lugar. Mas quando você vira a placa para a segunda passagem, a gravidade se torna inimiga. A única coisa que mantém seus caros indutores de potência blindados e pacotes BGA presos à placa é a tensão superficial do solda fundido. Essa é uma relação tênue. Funciona até que a massa do componente supere a força de molhamento do metal líquido. Então, você tem uma situação de linha cortada que nenhuma quantidade de ajuste de processo pode consertar.

A Física da Força de Molhamento

Para entender por que as peças permanecem — e exatamente quando elas não permanecem — observe a batalha entre massa e tensão superficial. Quando a pasta de solda se refaz na segunda face, ela liquefaz. Para uma liga padrão SAC305, a tensão superficial é surpreendentemente alta, aproximadamente 500 dynes/cm. Essa força age como uma mola microscópica, puxando o componente em direção ao centro da pad. Para a grande maioria dos componentes, essa força é de várias ordens de magnitude mais forte que a gravidade. Um capacitor 0201 ou um pacote SOIC padrão não vai a lugar algum. Eles são tão leves em relação à área da pad que poderiam passar pelo forno de cabeça para baixo, de lado ou vibrando violentamente, e ainda assim se alinhariam automaticamente.

Essa margem de segurança evapora à medida que os componentes ficam mais pesados e suas áreas de terminação permanecem relativamente pequenas. Os engenheiros muitas vezes assumem que se um componente tem uma pegada grande, ele tem uma área de soldagem grande. Isso é falso. Um indutor de potência blindado pode ser um bloco maciço de ferrite e cobre de 12mm x 12mm pesando 1,5 gramas, mas pode apenas ancorar-se a duas pads relativamente pequenas. Você precisa verificar o relação Cg/Pa— a Força Gravitacional (Cg) versus a Área Total da Pad (Pa).

Existe uma “gambiarr a” persistente em lojas de protótipos onde engenheiros sugerem usar fita Kapton para manter essas peças no lugar. Para uma série de cinco placas, pode ser suficiente, desde que a fita não deixe resíduos ou emita gases e contamine a junta. Para produção, é uma responsabilidade. A fita falha, a cola cozinha, e ela acrescenta uma etapa manual de remoção que corre o risco de rasgar o componente totalmente da placa.

A regra geral da indústria é frequentemente citada como cerca de 30 gramas por polegada quadrada de área de pad de solda. Se a carga do componente exceder isso, a tensão superficial não o manterá contra a gravidade. Mas isso é um cálculo estático. Não leva em consideração a vibração de uma esteira de cadeia desgastada ou a convecção de ar de alta velocidade em um forno Heller MKIII. Se o seu cálculo indica que você está em 90% do limite, na realidade, você está em 110% do limite de risco assim que as dinâmicas do mundo real se aplicam. Se a matemática estiver no limite, a peça cairá.

Design: A Única Solução Gratuita

A maneira mais eficaz de evitar que peças pesadas caiam do lado inferior é nunca colocá-las lá em primeiro lugar. Parece óbvio, mas layouts de placas frequentemente chegam à fábrica com conectores massivos, transformadores pesados e BGAs grandes colocados do lado secundário simplesmente porque "cabem".

Isso geralmente é uma falha de visualização. Na ferramenta CAD, a placa é um quebra-cabeça lógico plano e abstrato. Na fábrica, é um objeto físico sujeito ao estresse térmico. Um capacitor eletrolítico de 10mm na parte inferior é uma bomba-relógio. Se o engenheiro de layout mover esse capacitor para cima, o problema desaparece por zero dólares. Se deixá-lo na parte inferior, você estará comprometido com uma vida inteira de dispensação de cola ou compras de fixturas.

Às vezes, restrições de densidade tornam isso impossível. Você não consegue encaixar tudo na parte superior de um smartphone moderno ou de uma ECU de alta densidade. Mas há uma hierarquia de colocação. Passivos de baixa massa vão na parte inferior. QFNs de perfil baixo vão na parte inferior. Componentes pesados, altos ou blindados devem competir por espaço na parte superior. Se uma peça pesada deve estar na parte inferior, o projetista deve aumentar o tamanho do pad para maximizar a área de molhamento, dando à solda mais tensão superficial para agarrar—embora até mesmo isso tenha limites antes de começar a ver problemas de tombstone.

A Ilusão do Cola

Quando mudanças de projeto são rejeitadas, inevitavelmente a conversa gira em torno de cola. "Apenas cole", diz o gerente de projeto, imaginando uma simples gota de adesivo que resolve o problema. Na realidade, introduzir adesivo SMT (geralmente um epoxy vermelho) é uma jogada desesperada que troca um problema mecânico por um pesadelo químico e de processo.

Dispensar cola não é gratuito. Requer uma máquina dedicada ou uma etapa dedicada no ciclo de pick-and-place. Você precisa de uma válvula de jato ou uma stencil printer para aplicar os pontos. Se usar uma matriz de estêncil, agora você tem uma exigência de estêncil escalonado—uma espessura para pasta, outra para cola—o que é complexo de imprimir de forma confiável. Se usar um dispensador, você está adicionando tempo ao ciclo. Um dispensador como um Asymtek é preciso, mas as pontas entopem. O epóxi tem validade. Se o ponto for muito alto, ele espalha; se for muito baixo, não toca o corpo do componente.

Depois há o retrabalho. Adesivos SMT são epóxis termofixos projetados para resistir a temperaturas de refluo de 240°C+. Eles curam duramente. Se aquele indutor colado falhar em um teste funcional, você não pode simplesmente dessoldá-lo. Você precisa quebrar o vínculo mecanicamente. Isso muitas vezes significa forçar o componente para fora, o que frequentemente rasga as pads de cobre diretamente da laminação de FR4. Você não apenas perdeu o componente; você descartou a placa.

Há também confusão sobre qual cola usar. As pessoas procuram fóruns por "super cola de alta temperatura", mas adesivos de consumo emitem gases e falham instantaneamente em um forno de refluo. Você deve usar epóxis SMT padrão da indústria (como Loctite 3621), e eles precisam ser curados. O perfil de cura para o adesivo pode conflitar com o perfil de refluo da pasta de solda, forçando você a comprometer a ligação metallúrgica só para definir o adesivo. É um caminho cheio de custos ocultos.

A Realidade Palete (e Imposto)

Se o layout estiver congelado e a cola for muito arriscada, a solução profissional é um pallet de refluo seletivo (ou fixtura). Este é um suporte, geralmente usinado de um material composto como Durostone ou Ricocel, que mantém a PCB. Ele possui bolsos usinados para limitar componentes do lado inferior, protegendo-os do fluxo de ar e evitando que caiam se a solda reflowar.

Isso resolve instantaneamente o problema de retenção. As peças pesadas na parte inferior são suportadas ou blindadas para que nunca alcancem novamente as temperaturas de refluo. No entanto, os pallets introduzem um enorme "imposto térmico". Você está introduzindo uma pesada placa de material composto no forno. Este material absorve calor.

Um pallet pode pesar um quilograma ou mais. Quando você executa seu perfil térmico, verá um efeito de grande dissipador de calor. As peças sobre os trilhos grossos do pallet podem não atingir a temperatura máxima necessária de 235°C–245°C. Você pode resolver o problema do indutor que cai apenas para criar defeitos de "Head-in-Pillow" na sua BGA superior porque as bolas não colapsaram totalmente. Para corrigir isso, você precisa aumentar as temperaturas do forno ou diminuir a velocidade da esteira para permitir que o calor seja absorvido. Isso reduz sua taxa de produção (unidades por hora) e arrisca o superaquecimento de componentes sensíveis que não estão protegidos pelo pallet.

E então há o impacto do sticker. Um pallet de reflow seletivo de qualidade custa entre $300 e $800. Você não precisa de um; precisa de 50 ou 100 para preencher o ciclo do forno. De repente, manter aquele indutor pesado na parte inferior custa $30.000 em ferramentas antes mesmo de vender uma única unidade.

O Caminho da Decisão

A gravidade é constante. Ela não se importa com o seu cronograma de projeto nem com suas restrições orçamentárias. Quando você está encarando uma BOM com componentes pesados na parte inferior, você tem três opções, e deve tomá-las nesta ordem:

1. Audite o Design: Lute para mover as peças pesadas para o topo. Use a proporção Cg/Pa para provar à equipe de projeto que a peça irá despencar. Mostre a eles a matemática.
2. Compre os Pallets: Se o projeto estiver congelado, orce as fixturas. Aceite o impacto no tempo de ciclo e a complexidade do perfil térmico. É a única maneira robusta de realizar produção em volume para peças pesadas na parte inferior.
3. Cola como Último Recurso: Somente se você não puder usar pallets (por causa de folga ou orçamento) e não puder alterar o design, considere aplicar epóxi. Entenda que você está aumentando sua taxa de sucata e dificuldade de retrabalho permanentemente.

Não confie na esperança. Não confie que "aguentou no protótipo". Confie na massa da peça, na área do pad e na força implacável da gravidade.