Curto de solda na soldagem por onda: as principais causas

A soldagem por onda é um dos processos industriais predominantes para a montagem de componentes through-hole (PTH) em placas de circuito impresso (PCBs) em escala de produção.
Apesar de sua ampla utilização, a ocorrência de curtos de solda, também conhecidos como bridge, continua sendo um dos defeitos mais críticos e frequentes neste processo, podendo comprometer funcionalidade, confiabilidade e desempenho final do produto eletrônico.

1. O que é curto de solda (Solder Bridge)?
Curto de solda ocorre quando o material da solda cria uma conexão elétrica indesejada entre dois ou mais pontos condutores adjacentes que deveriam permanecer isolados, tipicamente entre pinos de um componente ou trilhas contínuas do circuito, conforme ilustrações da figura 1. Essa condição gera um caminho de baixa impedância que pode resultar em falhas elétricas, sobrecorrentes e mau funcionamento do produto.

2. Mecanismos metalúrgicos e físicos relacionados
Durante a soldagem por onda, a placa é transportada através da máquina com o objetivo de chegar até a onda de solda líquida, ou seja, a liga para soldagem é aquecida até ultrapassar o seu ponto de fusão e se mantém acima dele para permitir o efeito de onda. O comportamento da solda através dos bocais e ao entrar em contato com a placa, resulta de uma combinação de fenômenos físicos e químicos, que envolvem conhecimentos sobre mecânica dos fluidos, termodinâmica e processos de oxirredução.

Antes de falarmos sobre o curto de solda propriamente dito, temos que alinhar dois conceitos metalúrgicos fundamentais que são as Forças de Coesão e Forças de Adesão. Estas forças são fundamentais na brasagem metalúrgica (nome técnico correto para o processo de soldagem de placas eletrônicas), pois regem a interação entre o metal de adição fundido (no caso da solda onda, o líquido que temos no tanque) e os materiais base (que no caso de placas de circuito impresso são os PCBs e componentes), determinando a qualidade da união.
As forças de coesão são as forças de atração que mantêm as moléculas e átomos de um mesmo material unidos. A coesão atua dentro do metal da liga de solda fundida, fazendo com que suas moléculas permaneçam agregadas. Ela é a responsável pela tensão superficial na solda, o que influencia sua capacidade de fluir e preencher a junta (efetuar a molhagem do pads e preenchimento do barril). Uma coesão muito alta pode impedir a solda se espalhe adequadamente sobre a superfície dos pads e terminais.
As forças de adesão são as forças de atração que as partículas de um material exercem sobre as partículas de outros materiais diferentes. Ela é crucial para a formação da ligação metalúrgica, pois representa a atração entre a solda líquida e as superfícies dos pads e componentes a serem unidos. Para uma soldagem eficaz, as forças de adesão devem ser fortes o suficiente para "molhar" (espalhar uniformemente) a superfície da placa a ser soldada e superarem a tensão superficial, promovida pelas forças de coesão.

Agora, vamos ver um pouco mais sobre as causas do curto de solda no próximo tópico.

3. Causas Comuns de Curto de Solda em Onda
Sabendo os conceitos das forças de Coesão e Adesão, podemos de forma consolidada dizer que os curtos se formam quando as forças de Coesão se mantêm maiores que as forças de Adesão até o final do processo de contato entre a placa e o tanque de solda. As razões para este "desequilíbrio" são diversas, entretanto, as principais causas técnicas conectados ao processo serão apresentadas e discutidas neste blog.

a) Principais parâmetros do processo:

Temperatura do banho de solda abaixo da faixa recomendada: À medida que aumentamos a temperatura do tanque configurada na máquina, a temperatura da solda líquida em seu interior se eleva. Isso faz com que o líquido reduza sua viscosidade e tensão superficial, facilitando assim o rompimento das forças e coesão entre as moléculas de solda e reduzindo as chances de formação de curto.

Baixa velocidade de transporte: Quando a placa se desloca com baixas velocidades ao passar pelo tanque de solda, o tempo de contato entre a placa (pads e terminais) com a solda líquida, favorece as forças de coesão entre as moléculas da solda e desfavorece as forças de adesão entre solda e superfícies a serem soldadas. O resultado disso, é que a solda não irá se "desconectar" entre si e permanecerá entre os terminais após a soldagem, formando os curtos.

Rotação das bombas do tanque elevada: A rotação dos motores que ficam acoplados na parte superior de cada bocal faz com que as aletas girem no fundo do tanque. Esse giro move a solda líquida subindo o seu nível (pelo princípio da dinâmica de fluidos em rotação) e de acordo com a geometria de cada bocal irá formar um tipo de onda (Turbulenta, Chip ou Laminar). Quanto mais alta a rotação destes motores, maior será o nível final das ondas em cada bocal e isso resultará em um maior tempo de contato entre a solda e a placa que está sendo soldada. Dessa forma, as forças de coesão são favorecidas em relação às de adesão, e os curtos de solda são potencializados.

b) Materiais e Química:

Fluxo de soldagem sem ativação ao longo dos pré-aquecedores: Causado por um perfil térmico mau ajustado, quando o fluxo de solda não se ativa adequadamente ele não cumpre suas funções de limpeza das superfícies a serem soldadas, transferência de calor e redução da tensão superficial da solda líquida durante o contato entre a placa e a solda no tanque. A ausência destas propriedades ativadas, irá favorecer a formação de curtos de solda.

Tanque de solda contaminado ou com excesso de borra: Afetando a qualidade da liga de solda presente no tanque, o excesso de borra no tanque traz consigo a presença de contaminantes oriundos do processo de oxidação do estanho em contato com o ar da atmosfera e com as placas que estão sendo soldadas. Estes contaminantes e outros elementos, como o cobre que naturalmente virá da difusão entre estanho da solda e cobre dos pads e terminais, alteram a composição da liga de solda no tanque e alteram propriedades como tensão superficial e viscosidade de liga, potencializando a formação de curtos de solda.

c) Condições mecânicas dos bocais e tanque:

Distância dos bocais em relação ao conveyor: Mecanicamente também existe a possibilidade de aumentar o tempo de contato entre a placa e a solda no tanque, similar ao que foi comentado no tópico sobre a "Rotação das bombas do tanque", porém no caso da distância entre bocais e conveyor, o aumento do tempo de contato se dá pela pequena distância entre a onda e a placa devido ao posicionamento dos bocais. Esta posição pode ser ajustada através de parafusos que existem nas extremidades de cada bocal. Estes parafusos não servem apenas para fixar o tanque, mas também para nivelar os bocais e ajustar sua altura em relação ao conveyor. Mas qual a altura ideal? Esta altura deve ser inicialmente checada no manual de cada máquina e medido com um paquímetro ou gabarito adequado. Além disso, deve-se considerar também as características do produto a ser soldado (componentes do lado bottom da placa) e condições de desenho do palete de solda (caso utilizado no processo), pois em muitos casos, algumas partes do palete ou componentes do lado bottom, acabam tocando os bocais e segurando a placa ou palete ao passar pelo tanque, e isso não é a condição ideal. A correlação entre esta variável e os curtos, é que quando mais próximo dos conveyor, maior será o tempo de contato entre a placa e a solda, o que irá resultar em curtos de solda.

Altura do plate (vertedouro) da onda laminar: Esta é uma variável que poucos profissionais conhecem e pela falta de conhecimento, enfrentam curtos de solda em grande quantidade diariamente. Trata-se do ajuste da altura do plate do bocal da onda laminar. Fisicamente, este plate é um limitador físico, uma barreira metálica posicionada na parte da frente do bocal da onda laminar. O intuito dele é represar a solda e controlar a sua queda para a frente, ou seja, evitar que ela caia logo após subir pelo bocal quando as bombas giram as aletas no fundo do tanque. Dessa forma, a solda forma uma superfície plana horizontal com seu metal líquido, sem qualquer turbulência, o qual deve fluir para frente na mesma direção e sentido de deslocamento da placa, resultando na queda da cascata. Esta queda do metal líquido deve ocorrer na mesma velocidade de deslocamento da placa, para que ocorra o equilíbrio entre as forças de Coesão e Adesão no momento correto. Este arranjo minimiza a captação de solda pela placa removendo assim os curtos.

Vídeo 1: Exemplo de condição ajustada - vista frontal pelo lado interno, a cascata cai apenas quando o quadro toca a solda.

Vídeo 2: Exemplo de condição ajustada - vista de cima pelo lado externo, a cascata cai apenas quando o quadro toca a solda.

O curto de solda na soldagem por onda é um desafio multifatorial que requer compreensão dos princípios físicos e controle rigoroso de parâmetros de processo. Neste blog, destacamos as principais variáveis que podem ser controladas no processo produtivo, mas existem outras ligadas a DFM da placa, Projeto do Palete de Solda, Propriedades da liga de solda utilizada, dentre outras.
O controle efetivo destes fatores não só reduz taxas de defeito, como também aumenta a confiabilidade dos produtos eletrônicos industrializados. Obter o conhecimento aprofundado sobre cada um, é o segredo para aumentar as taxas de qualidade e reduzir os retrabalhos após a soldagem por onda.

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