Placas de Circuito Impresso
   Aplicação, Qualificação e
    Adequação para RoHS

                  Wolfgang Biben
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E scopo
• Ambiente de aplicação da P C I
• Funções da P C I
• Necessidades de qualificação derivadas
  destas funções
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Ambiente de Aplicação
                 da P C I
• No processo de montagem: reflow, solda
  de onda, retrabalho. E xposição...
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           Impresso faz o que?
• A conexão elétrica dos componentes entre
  si
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C O NE X ÃO
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  externas e internas, furos de conexão
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C O NE X ÃO
• D o ponto de vista de confiabilidade, a
  conexão entre componentes deve
  manter sua baixa resistência inic...
IS O LAÇ ÃO
• A placa de circuito impresso deve manter
  as diferentes conexões isoladas entre si,
  tanto na superfície c...
S UP O R TE M E C ÂNIC O
• Q uase a totalidade dos componentes
  atuais são unidos à placa por solda, já
  na superfície d...
FIX AÇ ÃO por S O LD A
• P ara possibilitar a solda, as ilhas e furos devem
  apresentar uma superfície com boa
  soldabil...
FIX AÇ ÃO por S O LD A
• É essencial que as superfícies soldáveis
  estejam firmemente aderidas à placa
• E sta aderência ...
M ateriais B ase
•   C obre como condutor
•   P apel
•   Fibra de vidro
•   R esinas fenólicas, epoxídicas ou outras
•   A...
P LÁS TIC O S
• Três características fundamentais

• A expansão térmica % entre 50°C e

 260°C

• Temperatura de vitrifica...
P LAS TIC O S

                Temperatura de
                vitrificação


Estado vitreo                    Estado mole
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  determinada por três métodos

  – TM A   Thermo-M echanical Analysis
  –...
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                                  Mais mole
∆L
                                  α 2 ~240 ppm/°C
       Uso
...
P ropriedades mecânicas
•             Tg

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                   Temperatura
P LÁS TIC O S
• Temperatura de decomposição é um
  indicador da temperatura de delaminação
• Temperatura na qual o materia...
E xpansão térmica
• A expansão térmica da placa é ditada
  pelos materiais que a compõem
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E xpansão térmica
• M as, no eixo z, perpendicular à placa, não há
  reforço que impeça a expansão
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E xpansão térmica
• E ssa expansão exagerada no sentido vertical
  tem que ser absorvida pelo cobre do furo
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O C obre dos C ondutores
• O cobre dos condutores pode ter características
  mecânicas diferentes , dependendo de sua hist...
E xpansão térmica
• O s requisitos de confiabilidade da
  conexão dos componentes na placa são
  especificados num ensaio ...
D anos da ciclagem
              térmica nos furos
• Trincas no sentido horizontal até levar à
  interrupção da conexão
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D anos da ciclagem
                  térmica nos furos
• S ão agravados por defeitos de processo
  – Furação com superfíci...
D anos da ciclagem
                térmica na isolação
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Isolação
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Q ualificação da P C I
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R oHS
• C omo adequar a placa para R oHS
• As substâncias a serem eliminadas
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E scolha do M aterial B ase
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• S TII = (Tg + Td)/ - 10*(% expansão50-260°C )
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Tipos de material base
• FR 1, FR 2, FR 3     papel-resina fenolica
• C E M 1, C E M 3 papel-resina com capa
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C onseqüências da
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Acabamentos

• HAS L com solda LF- planicidade

• O S P (maior degradação por temperatura)

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Acabamentos
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S oldabilidade
• É uma condição essencial das ilhas (pads) e
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S oldabilidade de soldas
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D issolução do cobre
                 durante a solda
• Na interface entre cobre e solda é formada uma
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A degradação da placa pela
       temperatura maior de processo
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M arcação das P lacas
• G eralmente segue as indicações do
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Finalizando
• LF   ≠   R oHS , além do chumbo.........
• Umidade é um grande inimigo da P C I
• Temperatura alta degrada
•...
Informação e literatura
•   Normas IS O / C , NB R , Jedec, IP C , AS TM
                    IE
•   S ites da IP C , S M T...
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Placas de Circuito Impresso Aplicação, Qualificação e Adequação para RoHS

  1. 1. Placas de Circuito Impresso Aplicação, Qualificação e Adequação para RoHS Wolfgang Biben DAPE-Divisão de Qualificação e Análise de Produtos Eletrônicos CenPRA-Centro de Pesquisas Renato Archer Ministério de Ciência e Tecnologia
  2. 2. E scopo • Ambiente de aplicação da P C I • Funções da P C I • Necessidades de qualificação derivadas destas funções • M ateriais e suas características • E nsaios de qualificação • Adequação da P C I para R oHS
  3. 3. Ambiente de Aplicação da P C I • No processo de montagem: reflow, solda de onda, retrabalho. E xposição a um esforço térmico formidável • No equipamento final a exposição a variações de temperatura, umidade, tensão, surtos de tensão, poluição, vibração, choque, esforços mecânicos de montagem
  4. 4. A P laca de C ircuito Impresso faz o que? • A conexão elétrica dos componentes entre si • P roporciona um suporte mecânico para os componentes • Isola os componentes e conexões entre si • D estas funções derivam-se as especificações de qualificação e confiabilidade da P C I
  5. 5. C O NE X ÃO • As conexões são compostas por trilhas, externas e internas, furos de conexão entre as camadas, contatos de borda (pouco utilizados atualmente) e as ilhas (pads) e furos (P TH) de solda para os componentes • B oa parte dos requisitos de qualificação estão focalizados na correta implementação destes elementos seguindo regras de dimensionamento
  6. 6. C O NE X ÃO • D o ponto de vista de confiabilidade, a conexão entre componentes deve manter sua baixa resistência inicial durante a influência do ambiente de aplicação na vida útil do produto • O fator climático mais deletério para a conexão no ambiente de aplicação é a variação de temperatura • Afeta fortemente a integridade dos furos metalizados e das soldas
  7. 7. IS O LAÇ ÃO • A placa de circuito impresso deve manter as diferentes conexões isoladas entre si, tanto na superfície como no interior da placa • A isolação é afetada pelo ambiente de aplicação • Temperatura e umidade alta e tensão aplicada entre trilhas e furos são os principais parâmetros que afetam a isolação
  8. 8. S UP O R TE M E C ÂNIC O • Q uase a totalidade dos componentes atuais são unidos à placa por solda, já na superfície das ilhas (pads) ou nos furos metalizados • R aras vezes é necessário usar parafusos, rebites ou terminais dobrados ou crimpados na fixação • Alguns componentes pesados exigem elementos de fixação adicionais além da solda • Alguns componentes precisam de dissipadores de calor que por s ua vez precisam de elementos de fixação na placa
  9. 9. FIX AÇ ÃO por S O LD A • P ara possibilitar a solda, as ilhas e furos devem apresentar uma superfície com boa soldabilidade: molhar e espalhar bem a solda • A superfície do cobre (facilmente oxidável) precisa de um tratamento superficial para evitar a oxidação e torna-se apta para receber a solda • E nas regiões onde o cobre não deve entrar em contato com a solda, o cobre deve ser protegido por uma máscara isolante, o solder resist, para evitar sua corrosão
  10. 10. FIX AÇ ÃO por S O LD A • É essencial que as superfícies soldáveis estejam firmemente aderidas à placa • E sta aderência sofre degradação durante o processo de montagem pela exposição a alta temperatura • E nsaios de descolamento e de tração nas ilhas e nos furos devem considerar isto • A aderência do solder resist deve ser avaliada
  11. 11. M ateriais B ase • C obre como condutor • P apel • Fibra de vidro • R esinas fenólicas, epoxídicas ou outras • Algum aditivo anti-chama • R esinas para proteção superficial • É essencial entender como se comportam estes materiais base no ambiente de aplicação
  12. 12. P LÁS TIC O S • Três características fundamentais • A expansão térmica % entre 50°C e 260°C • Temperatura de vitrificação Tg • Temperatura de decomposição Td 5%
  13. 13. P LAS TIC O S Temperatura de vitrificação Estado vitreo Estado mole
  14. 14. P LÁS TIC O S • Temperatura de vitrificação é determinada por três métodos – TM A Thermo-M echanical Analysis – DS C D ifferential S canning C alorimetry – DMA D ynamic M echanical Analysis (1 Hz)
  15. 15. P LÁS TIC O S Mais mole ∆L α 2 ~240 ppm/°C Uso α 1 ~60 ppm Cura adicional Fragilização Temperatura de vitrificação T Tg
  16. 16. P ropriedades mecânicas • Tg E Temperatura
  17. 17. P LÁS TIC O S • Temperatura de decomposição é um indicador da temperatura de delaminação • Temperatura na qual o material perde 5% de peso Peso Td 5% Temperatura
  18. 18. E xpansão térmica • A expansão térmica da placa é ditada pelos materiais que a compõem • No plano da placa , eixos x e y é ditada pelo material de reforço, papel ou uma manta entrelaçada de fibras de vidro, tentando assemelhar-se ao cobre com um coeficiente de expansão térmica de ~17ppm/ °C
  19. 19. E xpansão térmica • M as, no eixo z, perpendicular à placa, não há reforço que impeça a expansão • E o que não teve possibilidades de expandir na horizontal, vai expandir na vertical com mais intensidade • M ais ainda, acima da temperatura de vitrificação, a expansão da resina é quatro vezes maior ( durante reflow e/ solda de ou onda) • Quem sofre é o furo metalizado
  20. 20. E xpansão térmica • E ssa expansão exagerada no sentido vertical tem que ser absorvida pelo cobre do furo metalizado sem danos durante o processo de reflow, seguido de solda de onda e ainda possíveis reparos • O cobre tem que ser muito dúctil e elástico para suportar os esforços mecânicos resultantes do processo de montagem • E ainda suportar os rigores do ambiente de aplicação
  21. 21. O C obre dos C ondutores • O cobre dos condutores pode ter características mecânicas diferentes , dependendo de sua história prévia de deformação: o laminado e o grau de recozimento após o laminado ( mais duro sem recozer, mais mole com recozimento) • Nos furos é essencial ter um cobre que permita uma grande elas ticidade (deformação elástica reversível), chegando a 12% ou mais de elongação de ruptura • O material nos furos é depositado eletroliticamente; para obter essas qualidades, o banho e o processo têm que ser muito bem controlados
  22. 22. E xpansão térmica • O s requisitos de confiabilidade da conexão dos componentes na placa são especificados num ensaio de ciclagem térmica ( severidade de acordo com o ambiente de aplicação) • Na indústria automotiva, no ambiente debaixo do capô, tipicamente 1000 ciclos de 125°C a -40°C com menos de 20% de aumento de resistência das conexões
  23. 23. D anos da ciclagem térmica nos furos • Trincas no sentido horizontal até levar à interrupção da conexão • Q uebra da conexão entre a parede do furo e as camadas internas • Verificação da integridade da conexão à alta e a baixa temperatura para verificar conexão intermitente- faz contato na temperatura ambiente mas falha em alta ou baixa temperatura
  24. 24. D anos da ciclagem térmica nos furos • S ão agravados por defeitos de processo – Furação com superfície irregular propiciando uma parede com pontos fracos – D esmear impróprio levando à separação entre parede do furo com as camadas internas – Furação arrancando fibra de vidro e criando fendas nas quais penetra o cobre eletrolítico – P arede do furo muito fina – Fibras de vidro penetrando na parede do furo – P ropriedades do cobre eletrolítico inadequadas- pouca elasticidade e/ resistência mecânica ou
  25. 25. D anos da ciclagem térmica na isolação • Na superfície pode produzir rachaduras no solder resist-- fica menor a distância de corrente de fuga entre duas trilhas vizinhas • S e as rachaduras do resist expõem o cobre pode ocorrer corrosão num ambiente úmido • No interior da placa pode contribuir para a separação entre resina e fibra de vidro; sob umidade alta ali podem ocorrer processos eletrolíticos e correntes de fuga
  26. 26. Isolação • Uma verificação a gros so modo é a medição da contaminação iônica » O megameter, Ionograph, C ondutividade da solução de água D I e isopropanol usada para remover contaminantes superficiais • R esistência de isolação (S IR ) medida antes, durante e no final de exposição a temperatura e umidade altas • E letromigração: aplicar tensão às es truturas de ensaio durante a exposição e medir continuamente a resistência de isolação • C ondições típicas: 85°C /85% UR , 1000 horas • Avaliação visual para detectar descoloração do resist e inicio da formação de dendritos
  27. 27. Isolação C AF-condutive anodic filaments • É uma falha de isolação no interior da placa causada por processos eletrolíticos em ambientes quentes e úmidos • O corre ao longo das fibras de vidro • E de preferência entre furos vizinhos, mas pode ocorrer entre qualquer metalização interna sob tensão
  28. 28. E struturas de E nsaio C upons de Teste • O s cupons devem refletir os dimensionamentos mais críticos da placa de produção: menores trilhas e distanciamentos, furos pequenos • A avaliação dos furos sob ciclagem térmica e suas interconexões com as diversas camadas, internas e externas é feita com cupons de teste com múltiplos furos e trilhas conectados em cadeia (daisy chain) para medir continuidade • A medição da isolação é feita com estruturas interdigitadas de trilhas paralelas
  29. 29. Q ualificação da P C I • Além dos aspectos visuais e geométricos com suas tolerâncias, a resistência da placa aos fatores ambientais deve ser avaliada para garantir sua função e confiabilidade • S oldabilidade virgem e após simulação de proces so • Aderência de s older resis t virgem e após simulação de processo • Força de descolamento virgem e após simulação de processo • Aderência de ilhas virgem e após simulação de processo • R esistência à delaminação • C ontaminação iônica • R esistência de descolamentos de furos • C iclagem térmica • R esistência de isolação • E letromigração, C AF conductive anodic filaments Após processo • HIP O T, tensão de ruptura • E nsaio de corrente
  30. 30. Q ualificar cupons de teste ou placas de produção? • G eralmente o cliente prefere qualificar a placa de produção, sabendo que todos os processos de produção são os definitivos para seu produto • Fica difícil encontrar estruturas de ensaio adequadas na placa • C iclagem térmica: trilhas com bastantes furos de passagem ou caminhos por camadas internas • Isolação : pares de trilhas paralelas e que passem por furos bem próximos
  31. 31. S imulação do processo de montagem • P ara as placas simples face pode ser uma passagem pela solda de onda mais uma simulação de reparo (outra passagem) • P ara placas de dupla face são necessárias quatro passagens de reflow (lado 1 , lado 2, remoção, componente novo) ou solda de onda • A simulação é com o mesmo perfil de temperatura do processo de montagem
  32. 32. R oHS • C omo adequar a placa para R oHS • As substâncias a serem eliminadas • O s rigores do processo de montagem • A escolha do material base • A escolha do acabamento • A qualificação da placa
  33. 33. Adequação à Legislação E uropéia • A norma 2002/ E C restringe, a partir de 95/ Julho de 2006, produtos que contenham • C humbo > 0,1% • M ercúrio > 0,1% • C ádmio > 0,01% • C romo hexavalente > 0,1% • Bromo (bifenil) > 0,1% • Bromo (bifenil-eteres) > 0,1% • R esumido na sigla R oHS (restriction of hazardous substances)
  34. 34. P lacas de C ircuito Impresso podem conflitar com R oHS ? • S IM ; onde ? • No acabamento HAS L (solda chumbo- estanho) • Nos aditivos a base de bromo que permitem obter a classificação UL 94V-0 de flamabilidade (amostra vertical, apaga em 10 segundos, não goteja com chama acessa) para o material base
  35. 35. C omo adequar as P C I’s? • E liminando o chumbo • E liminando o bromo-bifenil ou bifenil- eteres do material base da placa • LF (lead-free) ≠ R oHS • Não basta eliminar o chumbo para cumprir a legislação !!! • Todas as s eis s ubs tancias devem s er eliminadas
  36. 36. C omo eliminar o bromo e o chumbo da P C I • E scolhendo o material base sem bromo • E scolhendo o acabamento sem chumbo • M as isso não basta, tem que garantir a vida da placa durante o processo de montagem e no ambiente de aplicação • A placa tem que resistir melhor às altas temperaturas de processo • O material base tem que ser adequado
  37. 37. A difícil escolha do material base • O dilema é como obter suficiente robustez térmica, compatibilidade R oHS , UL94V-0 e custos compatíveis que satisfaçam as necessidades de seu cliente e de seu processo • P ertech, Formline no Brasil; D oosan,TUC ,Isola, NanYa, Nelco, etc no mercado internacional • C onsiderando fretes e taxas de importação, prazos de entrega e de transporte
  38. 38. E scolha do M aterial B ase • Um índice que pode ajudar na escolha: • S TII = (Tg + Td)/ - 10*(% expansão50-260°C ) 2 • S oldering Temperature Impact Index • Valores maiores que 215 são recomendados para LF • E as exigências do ambiente de aplicação de seu cliente
  39. 39. Tipos de material base • FR 1, FR 2, FR 3 papel-resina fenolica • C E M 1, C E M 3 papel-resina com capa • FR 4 Tg baixo/ fibra de vidro- resina epoxy dicy cured • FR 4 Tg alto/fibra de vidro- resina fenolica • Teflon, P olimidas, bismaleimide triazine G etek..... Aplicações de R F ou militares • B T bismaleimide triazine
  40. 40. C onseqüências da eliminação do chumbo • As soldas sem chumbo economicamente viáveis tem ponto de fusão maior • S oldas S nP b 183 °C • S oldas LF 217-220 °C • As operações de montagem das placas precisam de temperaturas até 40°C maiores • As placas e os componentes têm que suportar estas temperaturas maiores sem danos
  41. 41. Acabamentos • HAS L com solda LF- planicidade • O S P (maior degradação por temperatura) • Immersion TIN • Immersion S ILVE R • E NIG (electroless nickel/inmersion gold)
  42. 42. Acabamentos • HAS L com s olda LF resulta num esforço térmico muito alto e uma superfície não plana; é uma opção pouco usada atualmente para componentes S M D • Immers ion Tin consegue uma superfície plana mas é facilmente oxidável; uma segunda operação de reflow mostra soldabilidade menor que a placa virgem • Immers ion S ilver consegue muito boa soldabilidade. P recisa de boa limpeza do cobre para evitar micro-voids (champagne voids). P roteção da prata com papeis especiais por muito tempo • OS P se degrada por temperatura; após um primeiro reflow, a operação seguinte de solda já tem a soldabilidade reduzida
  43. 43. S oldabilidade • É uma condição essencial das ilhas (pads) e furos da placa de circuito impresso • P recisa ser verificada por ensaios objetivos que simulem o processo de montagem com várias passagens de reflow ou solda de onda e reparo • S imulação de envelhecimento da placa • S older dip, wetting balance, pasta de solda • D uas condições devem ser verificadas: wetting (cobertura maior que 95 % da superfície soldável) e de- wetting ( ausência de de-molhagem após exposição prolongada a alta temperatura )
  44. 44. S oldabilidade de soldas sem chumbo • Além da maior temperatura necessária, a solda sem chumbo tem um ângulo de molhagem maior; a solda “corre” menos (S preadability) • O s fluxos (e fluxos contidos nas pastas) têm que atuar com uma temperatura maior; a formulação é diferente, os resíduos são diferentes
  45. 45. D issolução do cobre durante a solda • Na interface entre cobre e solda é formada uma camada de intermetálico e cobre difunde para o interior da solda • E ste processo é acelerado por temperatura (tanto no processo como na aplicação da placa) • C aso a metalização dos furos P HT seja demasiado fina, nos joelhos a camada de cobre pode chegar a ser interrompida durante os processos de solda da montagem
  46. 46. A degradação da placa pela temperatura maior de processo • O que sofre? • O material base-descolamentos, delaminações • As conexões que passam pelos furos metalizados • E também na superfície e no interior da placa a isolação entre trilhas e furos pode degradar-se na sua capacidade de suportar ambientes úmidos e quentes sob tensão
  47. 47. P erda de vida útil pelo processo de montagem • O esforço térmico a que é submetida a placa durante a montagem dos componentes causa danos que podem diminuir sua vida útil em 30 a 50% no ambiente de aplicação, dependendo da escolha do material base da placa: – Tg – Td – % de expans ão térmica entre 50°C e 260°C – e do ambiente de aplicação
  48. 48. P erda de vida útil após processo ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com.br Probabilidade - Weibull 95,000 Probabilidade-Weibull 90,000 Dados 1 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=0/S=0 Linha de Probabilidade Probabilidade de Falha, F(t) 50,000 Placa após processo Placa virgem 10,000 5,000 1,000 100,000 1000,000 5000,000 Ciclos Térmicos β = 3 ,00 00, η = 100 0,00 00
  49. 49. M arcação das P lacas • G eralmente segue as indicações do desenho do cliente- número do desenho • P ara um produto que será exportado para E uropa ou C hina a marca “R oHS compliant” é indicada • O utras marcas encontradas são e1 , P b • E ainda o código de data, R U, flamabilidade UL94V-0 e outras
  50. 50. Finalizando • LF ≠ R oHS , além do chumbo......... • Umidade é um grande inimigo da P C I • Temperatura alta degrada • E nsaios de qualificação/confiabilidade são indispensáveis para aplicações exigentes • S ucesso na era “green”/ é custo e LF qualidade
  51. 51. Informação e literatura • Normas IS O / C , NB R , Jedec, IP C , AS TM IE • S ites da IP C , S M TA, IM AP S , S M AR T • IE E E , G lobal S M T, .......e revistas • C alce, S andia, NIS T.... • Fabricantes de materiais base
  52. 52. Obrigado por sua atenção Contatos Wolfgang.Biben@cenpra.gov.br 19-3746-6075

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