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Desafios Técnicos e EmpresariaisDiretrizes WEEE & RoHS
Impactos na indústria de montagem eletrônicaImpactos na indústria de montagem eletrônica
“Mudança é a lei da vida e aqueles que somenteolham para o passado ou presente com certezaperderão o futuro”
“Change is the law of life and those who look only to the past or present are certain to miss the future.”
-JFK
Diretiva RoHS
� A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptosà demonstrar que seus produtos não contém níveis acimados limites permitidos das substâncias abaixo listadas:� Chumbo� Mercúrio� Cádmio� Cromo hexavalente� Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)
� Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominateddiphenyl ethers)
� Cádmio < 0,01% peso
� Outros < 0,1% (materiais homogêneos nos componentes)
Diretiva RoHS
A partir de 1º. Julho 2006, produtores devem estar aptos à demonstrar que seus produtos não contém níveis acimados limites permitidos das substâncias abaixo listadas :� Chumbo� Mercúrio� Cádmio� Cromo hexavalente� Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)
� Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominateddiphenyl ethers)
� Cádmio < 0,01% peso
� Outros < 0,1% para materiais homogêneos noscomponentes
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Quais são os desafios?
“Retirar o chumbo”
Maior desafio na indústria PCBA em mais de duas décadas
� Sobressai à transição da montagem por pinos para ‘SMT’
� Haverá necessidades de implementar “duas fábricas em uma”
� Estanho-chumbo deverá ser separado de produtos ‘Lead-free’
Impactos não somente nos processos de montagem …
� Impacto abrangente no processo, de seleção de materiais ao retorno de campo
� Cada empresa deverá estar preparada para responder à um esperadoaumento de questionamentos sobre o que a empresa está fazendo parase tornar ‘Lead-free’
Migração para tecnologia Lead-Free
Migração para tecnologia Lead-Free
�RoHS: impacto nas organizações
�Vendas e Marketing �Engenharia: P&D, Processo, Fabricação, Qualidade
�Fabricação: custos / produtividade�Compras�Qualidade Assegurada �Manutenção�Suporte a Campo
Recursos:Recursos:tempotempo
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Migração para tecnologia Lead-Free
�Considerações comerciais�Preço/estabilidade do custo dos materiais �Disponibilidade dos elementos �Manufaturabilidade�Disponibilidade mundial e patentes das ligas�Reciclagem de ligas e materiais �Quantidade reciclada de materiais em
solicitações de mudança (processo)
�Processo duplo: sem e com chumbo
Fatores Primários que Afetam a Soldabilidade Lead Free
Insumos
Seleção de:
� Liga de Solda
� Fluxo
� PCB– Acabamento da cobertura– Material
� Componentes– Revestimento dos terminais – Material do encapsulamento
� Equipamentos e Ferramentais Apropriados
Ligas de Solda Lead-Free
PanasonicEletrodoméstico227SnCu
PanasonicAutomotiva
NecPanasonicToshiba
Eletrodoméstico198,5Sn Zn
SonyEletrodoméstico216SnAgBiCuGe
PanasonicMilitar / Aeroespacial210-215SnAgBiCuHitachiEletrodoméstico
PanasonicMilitar / Aeroespacial206-213SnAgBi
NortelTelecomunicações
VisteonAutomotiva 221- 226SnAg
NokiaNortel
PanasonicToshiba
Telecomunicações 217SnAgCu
Empresas Indústrias Janela de Fusão
Ligas Utilizadas
fonte IPC
Mercados e Ligas Utilizadas
Lead-Free Fluxos
Fluxos Níveis de Atividade do Fluxo (% de Haletos) - IPC J-STD-004
� Low (0%) – L0
� Low (<0,5%) – L1
� Moderate (0%) – M0
� Moderate (0,5%-2,0%) – M1
� High (0%) – H0
� High (>2,0%)- H1
Materiais de Composição
� Rosin (RO)
� Resin (RE)
� Organic (OR)
� Inorganic (IN)
Tipos de Ativadores :Menos Ativo
� Rosin – R� Low Residue - LR� Rosin Mildly Activated - RMA� Rosin Activated - RA� Water Soluble – WSF (Hidro-Solúvel)
Mais Ativo
Fluxos mais ativos apresentam melhores resultados para lead-free
Tipos de Fluxo quanto a Limpeza
� No Clean� Hidrossolúvel - Clean
Pastas de Solda Lead-Free
� Formulação
� Liga Metálica (85 – 90% em peso)
� Em forma de esferas
� “Spray Drier” ou Ultra-Som
� Diâmetro varia em função da aplicação
� Tipos 3-4: Celulares/Eletrodom
� Tipos 7-8 Fabricação de Componentes
� Fluxo (10 – 15% em peso)
Lead-Free:Acabamento das PCB’s,
Materiaise Revestimentos dos Componentes
Revestimentos PCB e Componentes
Acabamento das PCB’s
�Imersão em Au
�Imersão em Ag
�Imersão em Sn
�ENIG (Ni / Au)
�OSP
Material dos Componentes
� Preocupações com o encapsulamento e revestimento dos terminais dos componentes para o processo Lead Free
� A qualificação para componentes com encapsulamento plástico lead free (sensíveis à umidade) baseada em normas internacionais
� Fabricantes estão pesquisando novos plásticos que suportem maiores temperaturas
� Revestimentos � Materiais Base (Metais base)
�Cobre, latão, Prata-Paladium, Ferro Níquel, Aço, etc � Estanho (Sn), Prata (Ag), Ouro (Au)
Componentes Sensíveis à Umidade
� Danos que podem ocorrer
� Fissuras por umidade
� Delaminação nas interfaces internas do encapsulamento
Os danos acima podem provocar modos de falha como fios de contato elétrico partidos e balls de contatos elétricos levantados
Revestimento dos Terminais
� Aplicação de camada de metal
� melhorar a soldabilidade, proteger da corrosão e danos mecânicos
� melhorar sua aparência
� Requisitos para alternativas de revestimento
� Ponto de refusão aceitável
� Características de boa soldabilidade
� Alta adesão e rigidez mecânica
� Boa condutividade
� Possibilidade de Retrabalho
� Baixo Custo
Lead-FreeSoldabilidade
Soldabilidade
� A solda é de fundamental importância para os produtos eletrônicos
� as ligas de solda têm a função primária de formar uma junção entre duas ou mais superfícies metálicas permitindo boa condução elétrica
� pelo aquecimento as ligas de soldagem são fundidas, após o resfriamento, as ligas unem duas superfícies metálicas
� Por exemplo: a união dos terminais dos componentes aos pads das PCB´s
� Em relação à soldabilidade a PCB é fundamental no projeto
� os componentes representam a tecnologia de mercado
� a soldabilidade define o sucesso de um processo de montagem
~ Full wetting 10% wetting > 25% wetting
Oxidado @230C for 60 min
Soldabilidade – Conclusões
Lead-Free SMT
Impactos na Manufatura Eletrônica
�(1) Loader
�(2) Printer
�(3) AOI
�(4) Chip Shooter
�(5) Placer
�(6) Reflow
�(7) Montagem Manual
�(8) Wave
�(9) Inspeção/Testes
1 2 3 4 9 5 6 7 8 9 9
SnPb Lead-free
SMT com Solda Lead Free
Variáveis com maiores alterações
� Temperatura de fusão da liga de solda
� Química do fluxo: ativação, efeitos de temperatura
� Auto-alinhamento: tensão superficial e soldabilidade
� Aumento de ‘solder balls’, ‘voids’ e curtos
� Confiabilidade dos componentes e do sistema montado
� Processos de Reparo e Retrabalho Compatíveis
� Processo de Soldagem Seletiva e Por Onda Compatíveis
Screen Printer
Impressão da Pasta de Solda
�Força de Impressão
�Velocidade de Impressão
�Frequência de Limpeza do Stencil
�Espessura do Stencil
�Abertura (Area Ratio)
� Design da Abertura
� Formato da Abertura
Impressão da Pasta de Solda
�Força de Impressão
�Velocidade de Impressão
�Frequência de Limpeza do Stencil
�Espessura do Stencil
�Abertura (Area Ratio)
� Design da Abertura
� Formato da Abertura
Impressão da Pasta de Solda
�Força de Impressão
�Velocidade de Impressão
�Frequência de Limpeza do Stencil
�Espessura do Stencil
�Abertura (Area Ratio)
� Design da Abertura
� Formato da Abertura
Estencils
Tipos mais comuns de Estencils
Colocação dos Componentes(Placer)
Colocação dos Componentes SMT
� Existem, basicamente, dois tipos de Placers:
� Chip Placer ou Chipshooter e
� Large Parts ou Fine Pitch Placer
� Lead-free
� necessidade de maior acuracidade
Forno de Refusão(Reflow)
Perfil de Refusão
Fonte: Speedline Technologies.
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Junção Satisfatória SAC– Refusão em Ar
BGA – Resultado de processo
ChumboPasta A Sn63Pb37
Lead-freePasta B SAC305
‘Voids’ => vazios, lacunas, bolhas, etc…
LEAD-FREE SOLDA POR ONDA (WAVE)
Lead Free Solda Por Onda
Equipamento utilizado para efetuar a aplicação de fluxo e metal (solda) fundido, interligando os componentes e placa de circuito impresso por meio de furos metalizados.
Desafios:
� Proporcionar taxas de aquecimento homogêneas;
� Manter o menor �T possível entre componentes;
� Compatibilidade do Material do Pote de Solda com as Ligas de Solda:
� Corrosão na Máquina de Solda
� Fragilização da Junta de Solda
Soldagem por Onda Lead-free
Janela de Processo
Soldabilidade com SAC305 (Onda)
Variáveis do Processo que Impactam a Operação de Soldagem e Preenchimento do Furo
� Fluxo: conteúdo de sólidos, acidez e volume
� Temperatura dos pré-aquecedores
� Velocidade do conveyor
� Tempo de contato
� Temperatura do pote de solda
� Contaminação por chumbo
� Contaminação por cobre
� Contaminação por ferro � � �� ��� � �� �� ��� � ������� � � ��� �
Soldagem Manual e Retrabalho Lead Free
Retrabalho : Diferenças e Problemas
Diferenças
�Aumento da temperatura em 20°C
�Maior ênfase na transferência de calor
�Formação de Intermetálicos
�Diferenças nos ferramentais e equipamentos
�Corrosão mais rápida nas pontas dos ferros de solda
Problemas
�Pode danificar rolamentos, motores e resistências
�Pode influenciar o volume de produção
�Provocar maior oxidação na PCB
�Provocar juntas de solda fracas
�Cuidados com contaminação
Lead-FreeMétodos de inspeção
Inspeção visual
� Estanho-chumbo� Estanho-chumbo é brilhante e homogênea
� Sem-chumbo : � Fosca e granulada� Menor geometria do filete � Molhagem será menor
� Aspectos visuais de boas junções de solda:� Boa molhagem� Quantidade de solda correta� Superfície sólida, forte e homogênea
Inspeção visual
SAC 305 SnPb(eutética)
Raio-X – verificação de integridade
Junta de solda QFP
� SnAgCu
Junta de Solda QFP
� SnPb eutético
Mesmos lay-out e condições de análise
Nenhuma Diferença Detectável
Lead FreeDefeitos de soldagem
� Levantamento do Filete (Fillet Lifting)
Solda desprende do Pad de Cobre
Pad desprende do material do
PCB
Junta de Solda racha
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)
� Picos de solda (Spikes - Icicles)
Forma apontada
Excesso de solda
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)
� Bolas de Solda (Solder Balling)
Micro-bolas de Solda
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)
� Buracos / lacunas encapsuladas de Solda
(Voids - via metalografia)
Void dentro do PTH
Causa: escape de gases do
PCB
Através de rachadura do cobre entre PCB e solda
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)
‘Voids’
� vazios, buracos
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem superficial (Reflow)
� Fios de Estanho (Tin Whiskers)
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Wave)
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem SMT (Reflow)
� Solda fora da ilha de terminação (Pad) e no meio dos componentes
� Ponte (bridging)
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem superficial (Reflow)
� Sem molhagem� Efeito Lápide (tombstoning)
� Pode gerar um circuito aberto
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem superficial (Reflow)
Temperatura insuficiente
Temperatura Excessiva
Bom perfil térmico
Defeitos de soldagem Lead-FreeMontagem superficial (Reflow)
� Picos de solda (Spikes - Icicles)
� Liga SAC a 260oC
Lead Free Confiabilidade
Confiabilidade
� Planejamento de Testes de confiabilidade
IPC-SM-785, JEDS22-A104-B
-40º-125ºC, 15 min ciclo, gradiente < 20ºC/min., câmara 3 zonas ar-ar, monitoramento contínuo in-situ
Ciclagem Térmica
± 5-10ºC, temperatura ambiente, > 5 horasTorção
MIL STD 810E Tabela 514.4-1
Aplicação induzida de vibração, teste mínimo de integridade, vibração ramdômica em 3 eixos, 1 hora por eixo
Vibrações
JEDS22-A102-C121º C / 100% u.r. 96 horasAutoclaves
JESD22-A103-B150º C, 1000 horasAltas Temperaturas de Estocagem
JESD22-A101-B85º C / 85% u.r., 1000 horasTemperatura e umidade
ReferênciasReferênciasCondições de testes e duraçãoCondições de testes e duraçãoEnsaios de confiabilidadeEnsaios de confiabilidade
Confiabilidade
� Boas junções de solda - sólidas e homogêneas
� Critérios de aceitabilidade IPC-A-610D
SMT
PTHLado 1
PTHLado 2
SMT
Caso de Projeto
Implementação e Otimização deImplementação e Otimização deNova Tecnologia de Processo FabrilNova Tecnologia de Processo Fabril‘Lead-free’
Empresa:
> Multinacional, fabricante de equipamentos de telecomunicação
> Produção: aproximadamente 3 milhões de unidades/mês
Projeto Caso
‘Lead-free’ em PCBA SMT
Situação Inicial: Processo Lead-free desde Set04
> Implementação LF com aumento de defeitos de 50%
> Início dos trabalhos em Dez04
DPMU Evolution by Month - Printer Defects (from September to December/04)
1140
2.69
1247
4.44
1396
6.54
1647
6.61
0.0
2000.0
4000.0
6000.0
8000.0
10000.0
12000.0
14000.0
16000.0
18000.0
11402.69 12474.44 13966.54 16476.61
September October November December
‘Lead-free’ em PCBA SMT
Analisar e otimizar o processo fabril almejando:
> Redução de níveis de defeitos de soldagem de PCI´s
> Capacitação da equipe de colaboradores
> Revisão das Condições de Trabalho nas Bancadas
de Reparo/ Retrabalho
‘Lead-free’ em PCBA SMT
> Análise das condições de processo
> Identificação dos fatores críticos sobre os principais defeitos
> Treinamento do pessoal
> Realização de experimentos
• Desenvolvimento materiais e processos alternativos
> Consolidação de fatores a incrementar melhorias
> Implementação das melhorias em processos
DPMU and SIGMA Evolution
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Jan-05 Feb-05 Mar-05 Apr-05 May-05 Jun-05 Jul-05 Aug-05 Sep-05 Oct-05 Nov-05
Month
DP
MU
5.00
5.10
5.20
5.30
5.40
5.50
5.60
5.70
5.80
5.90
6.00
SIG
MA
DPMU Sigma
Process changed
Conclusion: Reject Null Hypotesis for both DPMU and Scrap, after project implementation both were improved.Note: Pass/Fail proportion test was used.
‘Lead-free’ em PCBA SMT
Bottom Line Results
• Which is the best profile for soldering processes using Lead Free technology – IPESI Magazine/2005
• Lead Free Implementation - IMAPS/2005
• Lead Free solder alloy implementation in a SMT plant – IMAPS/2005
• Case study correlating the thermal profile and laboratory analysis – APEX/2006
Published Papers
US$ Impact (Net hard dollarssavings validated by Finance)
Process Capability for Solder Paste Height Measurement for Mollusk Results: Cp=2.0 & Cpk=1.7
RoHSCompliance
Solder Paste Process
‘Lead-free’ em PCBA SMT
Instituto Eldorado
Perfil
� Associação civil sem fins lucrativos, OSCIP
� Fundada em dez/1997 em Campinas/SP.
� Em operação desde mar/1999
� Atuando na área de TIC, Tecnologia da Informação e Comunicação
� Dedicada a:� Pesquisa e desenvolvimento (P&D)� Capacitação profissional
� Mantida exclusivamente pelos projetos que executa
Prêmios e Reconhecimentos
Smart Card Alliance Conference – Out/ 2005
� Transformation Innovation Award
100 maiores de Telecom – Anuário Telecom
� 87ª maior organização de Telecom do Brasil (2004)
200 maiores de TI – Anuário Informática Hoje
� 113ª maior organização de TI do Brasil (2004)
Certificações
Gestão
1999 2000 2002 20042001 2003 2005
Testes
Projeto ������������
Equipe Eldorado
360 profissionais: crescimento de 6 vezes em 6 anos
0
50
100
150
200
250
300
350
Dec99 Dec00 Dec01 Dec02 Dec03 Dec04 Dec05
Employees Trainees
Equipe Eldorado
Perfil de formação
310 profissionais em tempo integral� 290 em atividades técnicas
50 trainees
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Áreas de atuação
Gerenciamento de projetos
Projetos de P&D� Software
� Software Embarcado
� Hardware
� Desenvolvimento de Processos
� Testes
� Outros projetos
Programas de capacitação
Laboratórios
Competências
Ciência, Engenharia e Processamento de Materiais
� Metais: processos e materiais de brasagem e soldagem, tratamentos de superfície, recobrimentos, comportamento termo-mecânico e de fraturas, processos de cristalização
� Polímeros: processamento e engenharia de blendas e compósitos, adesivos
� Cerâmicas: recobrimentos anti-abrasivos, porcelanatos
Técnicas de Análise de Falhas em Materiais
� Metalografia
� Microscopia Ótica
� Microscopia Eletrônica (SEM & MEV)
� Espectroscopia de E. Dispersiva (EDS)
Engenharia Industrial
� Modelagem Dinâmica
� Pesquisa Operacional
Metodologias e Ferramentas Estatísticas
� Verificações e Testes Elétricos� Testes de Balanço de Molhamento� Técnicas de Raios-X
� Fluorescência, Radiografia & Dispersão� Metodologia de Análise de Pastas de Soldas
Contatos
Instituto de Pesquisas Eldoradowww.eldorado.org.br
Rod. SP340, Campinas-Mogi Mirim, Km 118,5CEP 13086-902 Campinas – SP - Brasil
Fone: (19) 3757.3000
Joelson FonsecaDesenvolvimento de ProcessosFone: 55 19 [email protected]
Paulo R. S. IvoDesenvolvimento de NegóciosFone: 55 19 [email protected]
Muito Obrigado!
www.eldorado.org.br
Palestrantes
Joelson Fonseca
> Engenheiro de Materiais
> Gerente de P&D do Depto. de Desenvolvimento de Processos
> Tem liderado a área nas iniciativas de implementação dos processos ‘Lead-free’ nas empresas parceiras do IPE desde 2004
> Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais (DEMa/UFSCar)
> Especialista em Gestão Estratégica da Inovação Tecnológica (UNICAMP): experiência de 10 anos em P&D na 3M do Brasil, Ipiranga Asfaltos S.A. e Instituto Eldorado
Nosso foco é processos de ‘materiais’
Objetivos
Atuar como suporte técnico, consultoria e fonte de treinamentos especializados em:
> otimização de processos fabris
> implementação de processos de manufatura
> projetos de desenvolvimento e otimização de produtos
> projetos de desenvolvimento de tecnologias
Escopo de Atuação
Processos de Manufatura
> Otimização e Implantação de Processos
> Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas
> Melhoria de Qualidade de Processos e Produtos
> Desempenho de produtos
> Simulação de Processos
> Melhoria de Produtividade e Rendimento de Linhas de Processos
> Melhoria de Lay-out e Fluxo de Processos Industriais
> Implementação de Novas Tecnologias
> p.ex.: processos de montagem eletrônica tipo ‘Lead-Free’
Time
> Engenheiros de Materiais
> Engenheiros Elétricos e Eletrônicos
> Engenheiros de Processos e Industriais
> Estatísticos
> Analistas de Sistemas
> Estagiários: estatística e engenharias
Especialização40%
Ph.D.10% M.Sc.
20%
Estagiários20%
Graduados10%
Casos de Projetos
Otimização de Processo Fabril (PCBA) & Transferência de Tecnologia
> Aplicação dos conceitos de:> Matelurgia de Soldagem Branda> Análise de Falhas em Materiais> Análise de Falhas> Delineamento de Experimentos
Implementação e Otimização de Nova Tecnologia de Soldagem Branda (Lead-Free PCBA)
> Aplicação dos conceitos de:> Metalurgia de Soldagem Branda e Metalurgia de Ligas não-ferrosas> Análise de Falhas em Materiais> Delineamento de Experimentos> Engenharia Robusta
Dimensionamento e Otimização de Células e Linhas de Produção
> Aplicação dos conceitos de:> Lean Manufacturing> Simulação de Eventos Discretos> Delineamento de Experimentos
Dimensionamento e Otimização de Logística Interna de Materiais e Recursos
> Aplicação dos conceitos de:> Modelagem Dinâmica de Processos