Benefícios da soldagem com o uso de nitrogênio

CURSO PELA INTERNET

Formação de Auditores Internos de Sistemas Integrados de Gestão (Qualidade, Meio Ambiente, Saúde, Segurança do Trabalho e Responsabilidade Social) – Disponível pela Internet – Ministrado em 17/10/2013

Capacitar os participantes a realizar auditorias compartilhadas do Sistema Integrado.

O gás nitrogênio (N2) é o gás mais abundante no ar que respiramos. Cerca de 78% do ar é composto por nitrogênio. Sua principal característica para o processo de soldagem de placas eletrônicas é que ele é inerte, isto significa que ele não reage com os materiais envolvidos no processo, ao contrário do oxigênio que causa a oxidação dos metais envolvidos na soldagem. Como ele é o gás inerte com menor custo, é largamente utilizado neste processo.

O nitrogênio é obtido através da separação dos gases do ar. Ele pode ser retirado do ar através de um processo criogênico, ou utilizando membranas que ab/adsorvem determinados gases. Processos diferentes irão gerar gases com níveis de pureza diferentes. O nível de pureza determina qual o percentual de outros gases presentes, no entanto, o gás que mais influência no processo é o oxigênio, então é comum determinar-se o percentual de oxigênio residual. Baixos percentuais de oxigênio residual irão alterar o desempenho [1] dos processos que envolvem materiais reativos, como metais não nobres e os ácidos fracos presentes nos fluxos.

As principais alterações de propriedades que ocorrem com a redução do oxigênio residual são a redução da atividade do processo de oxidação e alteração da tensão superficial [1]. Estas duas propriedades são muito importantes para o processo e independentemente do tipo de soldagem utilizada (soldagem por onda ou por refusão) a dinâmica do processo será alterada. Defeitos que estão relacionados a molhabilidade e espalhamento como curtos, estalactites, solder balls são melhoradas com o uso de uma atmosfera inerte. No entanto apenas estas características nem sempre compensam o custo no uso destes gases, que deve ser absorvido por reduções no custo do processo ou custo da não qualidade.

No processo de soldagem por onda, o uso de nitrogênio tem um efeito imediato na redução dos custos do processo. Como o equipamento possui um tanque de solda com o metal líquido circulando por uma bomba durante todo o processo, ocorre rapidamente oxidação do mesmo, formando uma borra. Esta borra consiste em perda de material e consequentemente custo com reposição da solda. A redução do oxigênio residual reduz ou até inibe a oxidação do material no tanque, promovendo economia de material que pode financiar o uso do gás inerte.

Por outro lado, ganhos com redução de defeitos através do aumento da molhabilidade e redução da tensão superficial não são tão simples de serem calculados, defeitos dependem muito de características como componentes e layout da placa, e melhorias relativas à redução de defeitos têm que ser identificadas dentro de um número grande de amostras, para que sejam significativamente observadas. Testes deste tipo chegam a durar até dois anos [2], um ano sem a utilização do nitrogênio e outro ano utilizando.

É o caso, por exemplo, do benefício causado pela ausência de oxigênio durante o pré-aquecimento da soldagem por onda. Neste caso ocorre redução na oxidação dos metais aparentes nos componentes e placa, bem como do fluxo e benefícios oriundos destes fenômenos são visualizados apenas na redução dos defeitos de processo.

Este também é o caso do processo de refusão. Com o desenvolvimento de fluxos no-clean para soldagem no ar, é comum que estudos sobre o uso de nitrogênio não apresentem reduções significativas no número de defeitos, uma vez que elementos como tipo de componentes e layout possuem um efeito muito maior nos defeitos. No processo de refusão, o efeito do uso de nitrogênio é mais aparente no caso da redução do pitch, principalmente em casos onde o produto exige o uso de pastas de solda com tamanho de partícula reduzido. A redução da metade do diâmetro da partícula promove um aumento da área de material exposta à atmosfera em quatro vezes, acelerando o processo de oxidação.

O uso de ligas sem chumbo também, com frequência, evidencia o benefício do nitrogênio. Isto é devido ao aumento da atividade do estanho para oxidação, neste caso uma atmosfera inerte passa a ficar mais importante.

Outro fator que leva ao uso de nitrogênio é o aumento da confiabilidade da junta de solda. Em equipamentos que trabalham em ambientes hostis, ou que demandam altos níveis de confiabilidade, a redução na oxidação dos componentes, melhoria da molhabilidade e até mesmo redução dos teores de resíduos iônicos presentes na montagem final podem aumentar a vida útil através do uso de nitrogênio no processo [3].

Com o atual cenário de montagem de placas eletrônicas, o custo da introdução de nitrogênio no processo somente deve ser aceito caso retorne em benefícios para a empresa. Estes benefícios são normalmente observados em campo. Por este motivo, o LABelectron, como laboratório de desenvolvimento de processos, passa a contar agora com condições de testar e produzir placas eletrônicas utilizando um processo com atmosfera inerte.

Os fornos de refusão, tanto para a linha de pequenas séries, quanto para a célula de introdução de novos produtos, estão aptos ao uso de nitrogênio. As máquinas de solda, tanto por onda quanto seletiva, também estão prontas para o uso de nitrogênio. A máquina de solda seletiva com inertização no pote de solda e a máquina de solda por onda com um sistema de inertização completo, chamado de túnel.

O sistema de inertização em túnel é o sistema mais avançado de inertização do processo de soldagem de placas. Neste sistema a placa é afastada do oxigênio já na etapa do pré-aquecimento, e a pureza final do nitrogênio na área de soldagem é superior, desta forma, não apenas a oxidação do material do pote de solda é evitada, como também os benefícios da soldagem com nitrogênio são mais aparentes.

Para maiores informações sobre soldagem com o uso de nitrogênio, entre em contato com: Engº José Carlos Boareto, coordenador da Área de Introdução de Novos Produtos do CPC – jcb@certi.org.br

Referências

[1] S.M. Adams; E.K. Chang; M.J. Kirschner; Atmospheres and Performance During Soldering; Nepcon West 1994.

[2] Gerhard, M. & H.-E. Kiecker; Quality Improvement by the Implementation of Reflow Soldering with Nitrogen; Productronica Conference, Munich 1996.

[3] Ehrlich, M., Laneus, G.S., & Reichelt, G.E.; Investigations about the Reliability of Atmospheric and Inert Wave-soldered 1812-Capacitors at Various FootprintConfigurations. Nepcon West 1994.

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