Lead-free

Desafios Técnicos e Empresariais
Diretrizes WEEE & RoHS
Impactos na indústria de montagem eletrônica
“Mudança é a lei da vida e aqueles que somente
olham para o passado ou presente com certeza
perderão 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 aptos
à demonstrar que seus produtos não contém níveis acima
dos limites permitidos das substâncias abaixo listadas:
Chumbo
Mercúrio
Cádmio
Cromo hexavalente
Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)
Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominated
diphenyl 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 acima
dos limites permitidos das substâncias abaixo listadas :
Chumbo
Mercúrio
Cádmio
Cromo hexavalente
Bifenóis polibromados (PBBs, Polybrominated biphenyls)
Éteres difenílicos polibromados (PBDEs, Polybrominated
diphenyl ethers)
Cádmio < 0,01% peso
Outros < 0,1% para materiais homogêneos nos
componentes
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 esperado
aumento de questionamentos sobre o que a empresa está fazendo para
se 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
Recursos:
Qualidade Assegurada
tempo
Manutenção
$
Suporte a Campo
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
Mercados e Ligas Utilizadas
Ligas
Utilizadas
SnAgCu
Janela de
Fusão
Indústrias
Empresas
Automotiva
Automotiva
Panasonic
Nokia
Nortel
Panasonic
Toshiba
Visteon
Eletrodoméstico
Panasonic
Telecomunicações
Nortel
Militar / Aeroespacial
Panasonic
Eletrodoméstico
Hitachi
217
Telecomunicações
SnAg
221- 226
SnCu
227
SnAgBi
206-213
SnAgBiCu
210-215
Militar / Aeroespacial
Panasonic
SnAgBiCuGe
216
Eletrodoméstico
Sony
Sn Zn
198,5
Eletrodoméstico
Nec
Panasonic
Toshiba
fonte IPC
Lead-Free Fluxos
Fluxos
Níveis de Atividade do Fluxo (% de Haletos) - IPC J-STD-004
Low (0%) – L0
Low (<0,5%) – L1
Materiais de Composição
Rosin (RO)
Moderate (0%) – M0
Resin (RE)
Moderate (0,5%-2,0%) – M1
Organic (OR)
High (0%) – H0
Inorganic (IN)
High (>2,0%)- H1
Tipos de Ativadores :
Menos Ativo
Rosin – R
Low Residue - LR
Rosin Mildly Activated - RMA
Rosin Activated - RA
Water Soluble – WSF (Hidro-Solúvel)
Tipos de Fluxo quanto a Limpeza
No Clean
Hidrossolúvel - Clean
Mais Ativo
Fluxos mais ativos apresentam melhores resultados para lead-free
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,
Materiais
e 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-Free
Soldabilidade
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
Soldabilidade – Conclusões
Oxidado @230C for 60 min
~ Full wetting
10% wetting
> 25% wetting
Lead-Free
SMT
Impactos na Manufatura Eletrônica
1 2 3
(1) Loader
(2) Printer
(3) AOI
(4) Chip Shooter
(5) Placer
(6) Reflow
(7) Montagem Manual
(8) Wave
(9) Inspeção/Testes
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.
Junção Satisfatória SAC– Refusão em Ar
BGA – Resultado de processo
Chumbo
Pasta A Sn63Pb37
Lead-free
Pasta 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;
Soldagem por Onda Lead-free
Compatibilidade do Material do Pote de Solda com as
Ligas de Solda:
Corrosão na Máquina de Solda
Fragilização da Junta de Solda
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-Free
Métodos 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
Junta de solda QFP
SnPb eutético
SnAgCu
Mesmos lay-out e condições de análise
Nenhuma Diferença Detectável
Lead Free
Defeitos de soldagem
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem SMT (Wave)
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-Free
Montagem SMT (Wave)
Picos de solda (Spikes - Icicles)
Forma
apontada
Excesso de
solda
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem SMT (Wave)
Bolas de Solda (Solder Balling)
Micro-bolas de Solda
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem 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-Free
Montagem superficial (Reflow)
‘Voids’
vazios, buracos
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem SMT (Wave)
Fios de Estanho (Tin Whiskers)
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem SMT (Reflow)
Solda fora da ilha de terminação (Pad) e no meio
dos componentes
Ponte (bridging)
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem superficial (Reflow)
Sem molhagem
Pode gerar um
circuito aberto
Efeito Lápide (tombstoning)
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem superficial (Reflow)
Temperatura
insuficiente
Temperatura
Excessiva
Bom perfil térmico
Defeitos de soldagem Lead-Free
Montagem superficial (Reflow)
Picos de solda (Spikes - Icicles)
Liga SAC a 260oC
Lead Free
Confiabilidade
Confiabilidade
Planejamento de Testes de confiabilidade
Ensaios de confiabilidade
Condições de testes e duração
Referências
Temperatura e umidade
85º C / 85% u.r., 1000 horas
JESD22-A101-B
Altas Temperaturas de Estocagem
150º C, 1000 horas
JESD22-A103-B
Autoclaves
121º C / 100% u.r. 96 horas
JEDS22-A102-C
Vibrações
Aplicação induzida de vibração, teste mínimo
de integridade, vibração ramdômica em 3
eixos, 1 hora por eixo
MIL STD 810E
Tabela 514.4-1
Torção
± 5-10ºC, temperatura ambiente, > 5 horas
Ciclagem Térmica
-40º-125ºC, 15 min ciclo, gradiente <
20ºC/min., câmara 3 zonas ar-ar,
monitoramento contínuo in-situ
IPC-SM-785,
JEDS22-A104-B
Confiabilidade
Boas junções de solda - sólidas e homogêneas
Critérios de aceitabilidade IPC-A-610D
SMT
PTH
Lado 1
SMT
PTH
Lado 2
Caso de Projeto
Projeto Caso
Implementação e Otimização de
Nova Tecnologia de Processo Fabril
‘Lead-free’
Empresa:
>
Multinacional, fabricante de equipamentos de telecomunicação
>
Produção: aproximadamente 3 milhões de unidades/mês
‘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
18000.0
DPMU Evolution by Month - Printer Defects (from September to December/04)
16000.0
14000.0
12000.0
16476.61
12474.44
6000.0
11402.69
8000.0
13966.54
10000.0
4000.0
2000.0
0.0
September
October
November
December
11402.69
12474.44
13966.54
16476.61
‘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
‘Lead-free’ em PCBA SMT
DPMU and SIGMA Evolution
50000
6.00
Sigma
45000
5.90
40000
5.80
35000
5.70
30000
5.60
25000
5.50
20000
5.40
15000
5.30
10000
5.20
5000
5.10
0
SIGMA
DPMU
DPMU
5.00
Jan-05
Feb-05
Mar-05
Apr-05 May-05 Jun-05
Process changed
Jul-05
Aug-05 Sep-05
Oct-05
Nov-05
Month
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
US$ Impact (Net hard dollars
savings validated by Finance)
RoHS
Compliance
Solder Paste Process
Process Capability for Solder Paste
Height Measurement for Mollusk
Results: Cp=2.0 & Cpk=1.7
Published Papers
• 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
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
Projeto
Testes
Gestão
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Equipe Eldorado
360 profissionais: crescimento de 6 vezes em 6 anos
350
300
250
200
150
100
50
0
Dec99
Dec00
Dec01
Employees
Dec02
Dec03
Trainees
Dec04
Dec05
Equipe Eldorado
Perfil de formação
310 profissionais em tempo integral
290 em atividades técnicas
50 trainees
!
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
Joelson Fonseca
Desenvolvimento de Processos
Fone: 55 19 3757-3092
[email protected]
Paulo R. S. Ivo
Desenvolvimento de Negócios
Fone: 55 19 3757-3100
[email protected]
Instituto de Pesquisas Eldorado
www.eldorado.org.br
Rod. SP340, Campinas-Mogi Mirim, Km 118,5
CEP 13086-902 Campinas – SP - Brasil
Fone: (19) 3757.3000
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
>
Estatísticos
>
Engenheiros Elétricos e Eletrônicos
>
Analistas de Sistemas
>
Engenheiros de Processos e Industriais
>
Estagiários: estatística e engenharias
Estagiários
20%
Ph.D.
10%
Graduados
10%
Especialização
40%
M.Sc.
20%
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