Estudo numérico e experimental do processo de soldadura por onda

Abstract

A utilização de aparelhos eletrónicos cada vez mais complexos, de dimensões mais reduzidas e a implementação recente das soldas sem chumbo (Lead-free) implica a otimização das características dos componentes e dos processos de produção utilizados. Sendo a placa de circuito impresso, a peça fulcral em todos os aparelhos eletrónicos, a realização de um estudo sobre a soldadura por onda, um dos principais métodos utilizados para realizar a união mecânica e elétrica do componente à placa de circuito impresso (PCI), revela-se de extrema importância, visto que influencia o correto funcionamento do dispositivo. No presente trabalho, foi estudado o escoamento do jato de solda em torno de um componente eletrónico (referência 0603), com o objetivo de analisar um defeito de fabrico existente na empresa (ausência destes componentes em determinadas posições da placa no final do processo de soldadura). O procedimento utilizado contemplou um estudo numérico, em que se utilizou o software Ansys Fluent para simular o escoamento da solda líquida de forma a determinar o valor da força de arrasto a que os componentes críticos estão sujeitos e desta forma, tentar perceber se a queda dos componentes se deve ao escoamento da solda ou a um processo de montagem ineficaz. Para a realização do estudo foi efetuada previamente uma validação da utilização do software e uma vez validados os valores reportados pelo software, fez-se a simulação do modelo da soldadura respeitando as características utilizadas em ambiente produtivo. Os resultados obtidos numericamente foram validados experimentalmente através da utilização de um dispositivo experimental projetado e construído para o efeito. A validação experimental revelou uma discrepância de 5,45 a 8,72% do valor da força comparativamente com o valor obtido na simulação numérica. O valor experimental da força exercida sobre um componente, do tipo 0603, é de 0,001158 N. Ao cálculo numérico e experimental seguiu-se um teste de arrancamento dos componentes que permitiu conhecer o valor da força mínima necessária para arrancar um componente da placa e assim confirmar se a inexistência de componentes após o processo de soldadura por onda se deve à força por ela exercida. Verificou-se que a força exercida pela onda de solda sobre o componente, durante o processo de soldadura por onda, é muito inferior ao da resistência do processo de colagem do componente ao PCI.

The use of increasingly complex electronic devices and with smaller size led to a development of components and production processes used. Being the printed circuit board the centerpiece of all electronic devices, conducting a study on one of the main methods used to perform mechanical and electrical component union of the PCI, the wave soldering, proves to be of extreme importance, since it affects the correct functioning of the device. In this work the flow of solder jet around a component of 0603 type, in order to understand the absence of these components in certain positions of the plate at the end of the welding process was studied. The procedure included a numerical study, which used Ansys Fluent software to simulate the flow of liquid solder for the purpose of determine the amount of drag force at which the critical components are subjected, and this way try to comprehend if the fall of the components is due to the flow of solder or to one inefficient assembly process. For the development of the study was previously made a software validation. Validating the reported values, was made the simulation of welding model respecting the characteristics used in production environment. The numerical results were validated experimentally by using the strain gages to assess the strain that the flow of the wave exerted in a cantilevered metal bar. The experimental validation revealed a discrepancy from 5.45 to 8.72% of strength compared with the numerical simulation, and experimentally it is obtained a value of 0,001158N for the force applied on components of 0603 type. The experimental and numerical calculation were followed by a component pullout test which allowed to know the value of the minimum force required to pull out it of the plate and to confirm if the absence of components after the welding process is due to the force exerted by the wave. It was verified that the force exerted by wave solder onto components, during wave soldering process, its much lower than the strength provided by glue adhesion force.