Problemas em Placas Devido ao Excesso de Fluxo de Solda

Olá a todos. Bem, como todos sabem, sou técnico em eletrônica industrial formado pelo SENAI Nilo Peçanha em Caxias do Sul (RS). Trabalho a pouco mais de um ano em uma empresa da cidade com eletrônica. Eu me considero um técnico geral dentro desta empresa, pois faço de tudo, desde funções "não técnicas", como fazer a furação das caixas dos produtos e embalá-los para enviar aos clientes, como funções "mais técnicas", como montagem SMD (manual e com Pick&Place), teste de produtos e pequenos projetos internos de propósito geral. Mas dentro das minhas funções há duas que eu exerço com mais apreço, que são elaboração de laudos técnicos e consertos internos.

Deixe-me detalhar melhor. Os consertos internos são produtos que deram defeitos durante os testes. Os técnicos que fazem os testes na produção marcam as peças e eu os auxilio nos consertos, já que muitas vezes eles não tem tempo para interromper o fluxo produtivo para consertar uma peça.

Os laudos técnicos são análises de produtos que deram defeitos em campo. Estas análises têm por objetivo, além de determinar se a garantia do produto será aprovada ou não, reconhecer falhas de projeto ou no processo de produção dos produtos. Estas informações são valiosas para aprimorar de forma contínua o nosso produto.

Hoje quero alertar os que trabalham com eletrônica sobre o resultado de um dos laudos que eu elaborei, onde foi percebido que o fluxo de solda pode, com o tempo, começar a conduzir corrente elétrica, podendo fazer com que circuitos sensíveis parem de funcionar.

Era um circuito de rádio frequência em que um dos componentes tem encapsulamento QFN, como o mostrado na figura abaixo.

O problema é que nem sempre esse componente saia do forno de refusão soldado corretamente, e correções a mão muitas vezes tinham de ser feitas. Mas para consertar as soldas neste componente é usado um fluxo pastoso RMA (acredito que seja um tipo comum de fluxo) que possui coloração amarela.

O fluxo é adicionado no local da soldagem para limpar impurezas do local, como oxidações, que impedem que se forme a junção entre as ligas metálicas. A adição de fluxo facilita muito a soldagem. Tanto que o próprio estanho em rolo possui, dentro dele, uma quantidade de fluxo pastoso. Algumas coisas que você deve saber:

* A temperatura para fundir a liga eutética estanho-chumbo (proporção 63% Sn e 37% Pb) é de 183°C. A temperatura recomendada na ponta do ferro de solda para soldar componentes SMD é de cerca de 220°C;

*A fumaça que sai da ponta do ferro de solda, ao ser adicionado estanho nele, é na verdade do fluxo de solda contido dentro do estanho. Tanto é verdade que depois de um tempo todo o fluxo evapora e nota-se que para de sair aquela fumaça;

*Ao estanhar você já se queimou com aqueles "respingos" que saem da área soldada? Pois bem, aquilo não é estanho. O que ocorre é que se você aquecer muito rapidamente o estanho, parte do fluxo dentro dele evapora (já que precisa de uma temperatura menor para evaporar do que o estanho precisa para fundir). Com isso, o fluxo evapora e expande dentro de uma barreira sólida de estanho. Basta a liga de estanho fundir para "explodir", liberando pequenas gotas de fluxo quente, mas que não conseguiu evaporar.

Este fluxo não apresentava nenhum problema no produto durante nossos testes, de forma que algumas vezes os circuitos saiam com excesso de fluxo circundando os componentes. Mas depois de um tempo alguns produtos começaram a retornar com problemas misteriosos. O circuito de rádio frequência parava de se comunicar com o microcontrolador (comunicação através de uma trilha, e  não através do meio). Sempre que ressoldávamos os componentes do circuito de rádio frequência, o equipamento voltava a funcionar corretamente. Dessa forma concluímos que o problema era alguma solda fria, que causava mal contato em algum dos pads de comunicação entre o circuito de RF e o microcontrolador.

Durante um treinamento realizado na empresa sobre técnicas de montagem SMD, o instrutor do treinamento, ao ser questionado, respondeu que o fluxo não conduz quando "novo", mas após um tempo em campo ele poderia absorver umidade e partículas de impureza e passar a conduzir devido a esta absorção.

Desconfiando que pudesse ser este o problema por nós enfrentado, decidimos fazer alguns testes no próximo produto que viesse apresentando os sintomas já bem conhecidos por nós.

Ao aparecer produtos com as características descritas, resolvemos, ao invés de soldar, apenas fazer uma limpeza do circuito de RF utilizando uma escova e álcool isopropílico. Após uma limpeza de leve, o produto voltou a funcionar corretamente, mesmo sem nenhuma solda ter sido refeita.

Ainda sobrava uma desconfiança. Achávamos que poderia ser realmente uma solda fria que, ao ser passada a escova, a pressão fez ela voltar a dar contato. Resolvemos então escovar novamente o circuito, desta vez utilizando muita força. Pensávamos que se fosse solda fria, ou alguma trilha solta, a força da escovação iria causar o mal contato da região defeituosa. Porém constatamos que mesmo após a escovação, o produto continuava funcionando de forma correta.

A partir desses dados, e de outros produtos com os mesmos problemas e tratados com a mesma abordagem, trabalhamos hoje com a ideia de que o excesso de fluxo pode realmente causar problemas em circuitos sensíveis, como de RF.

Disso tudo tiro algumas conclusões, que podem estar certas, ou não:

1) O fluxo resinoso RMA precisa ser limpado da placa. Na hora da soldagem ele parece incolor, mas depois de um tempo ele adquire o especto amarelado. Talvez o excesso seja resultado de uma soldagem incorreta (pouca temperatura ou tempo de exposição para ativação completa do fluxo), mas de qualquer forma, a história de que para o fluxo RMA não é necessária a remoção dos resíduos é errada.

2) Álcool isopropílico não remove o fluxo. Na verdade, remove de um lugar passando a sujeira para outro. Vale a pena investir em um solvente de fluxo. Atualmente estamos utilizando um limpador de fluxo baseado em ciclohexano e outros solventes. Ainda está em fase de observação para ver se não irá agredir as trilhas, as ilhas ou o verniz da placa.

3) Talvez seja uma boa ideia utilizar estanho com fluxo NoClean. O fluxo NoClean é um fluxo que, em princípio, não precisa de limpeza pelo fato de não deixar resíduos na placa. Adquirimos uma amostra grátis de estanho com esse fluxo e ele também está ainda na fase de testes, apresentando por enquanto resultados satisfatórios.

Estas são minhas conclusões e sugestões, baseadas na observação empírica e interpretadas segundo as teorias que eu conheço. Elas claro estão limitadas ao meu conhecimento e como não me declaro dono da verdade, posso estar errado. Mas se tivesse que aconselhar alguém hoje, eu diria: limpe o fluxo do seu circuito da melhor forma possível, principalmente se o circuito for sensível.

E por hoje era isto, Espero ter dado uma dica útil, já que esta assunto não é muito abordado na internet ( não achei nada sobre isso com facilidade). Enfim, qualquer comentário, sugestão ou vontade de compartilhar uma experiência parecida, fiquem a vontade para usar os comentário. Serão respondidos o mais breve possível. Continuem estudando e até a próxima.

Circuito Dimmer

Olá. Hoje vamos abordar um circuito clássico, a pedido de um leitor do blog. Hoje vamos falar do dimmer, que é um circuito que controla a tensão RMS aplicada a uma carga através de cortes na senóide da rede. Vamos entender mais sobre isso neste post. Antes vamos estudar a matemática sobre o dimmer. Mas primeiro recomendo você ler os posts Circuitos Retificadores: Visão Geral e Tensão Alternada (AC).

Vamos analisar a figura abaixo:

Nesta figura, percebemos que a senóide não começa em 0 radianos como deveria, mas começa o semiciclo positivo com radianos de atraso. Já no semicilo negativo, acontece algo semelhante. Ao invés de a tensão começar a ficar negativa no ângulo de radianos, a tensão começa a ficar negativa com o mesmo atraso de , ou seja, começa a ficar negativa no ângulo de radianos.

Podemos imaginar que a tensão RMS, ou seja, a tensão eficaz que esta onda apresenta é menor que a tensão RMS que a onda completa (sem esses cortes) apresentaria. Mas como calcular a tensão RMS exata desta onda?

Aproveitando a simetra entre os semicilos podemos calcular a tensão RMS considerando somente um semiciclo. Vamos fazer o cálculo RMS entre os ângulos 0 e , percebendo que a onda apresenta tensão somente entre e , vamos integrar a função senoide entre os limites e . Sendo Vp a tensão de pico da onda , ou seja,





Onde:

 

Caso você não entenda integração, não se preocupe, pode ficar com a segunda expressão que é, de fato, a resolução da integral acima.

A corrente RMS pode ser expressa simplesmente utilizando a Lei de Ohm:



Então vimos que se conseguirmos aplicar um atraso na senóide da rede, conseguiríamos controlar a tensão e corrente RMS aplicada em uma carga resistiva. O circuito que controla esse atraso é o circuito dimmer, cujo esquemático está ilustrado abaixo:

No circuito, ao alterar-se a resistência do potenciômetro P1, mudamos a constante de tempo da primeira malha RC, mudamos constante de tempo que ao passar pela segunda malha RC e chegar a tensão de disparo do DIAC, aciona o TRIAC e permite que a tensão da rede seja aplicada na carga.

Mas o esquema elétrico apresentado é para um Dimmer de 110V. Vamos agora olhar o adaptar o esquemático para um Dimmer de 220V.

Os capacitores devem aguentar uma tensão de, pelo menos, 400V de pico e 300V constante.

No esquema que montei existe um resistor em série com o pontenciômetro, de 5K6. O resistor de 300 Ohms foi substituído por um de 5K6 também e os capacitores usados foram de 47nF. O DIAC utilizado foi o DB3 e o TRIAC utilizado o BT138.

Este esquema funciona para a rede de 220V, pelo que me lembro, e consegue controlar bem a potência de uma lâmpada de 100W tranquilamente. Ao fazer a montagem, tome cuidado devido ao risco de choque elétrico e confira o datasheet dos componentes utilizados para verificar se eles atendem as exigências.

Por hoje era isso, abraço e até a próxima. Fui...