O nitrogênio é obtido através da separação dos gases do ar. Ele pode ser retirado do ar através de um processo criogênico, ou utilizando membranas que ab/adsorvem determinados gases. Processos diferentes irão gerar gases com níveis de pureza diferentes. O nível de pureza determina qual o percentual de outros gases presentes. No entanto, o gás que mais influência no processo é o oxigênio, então é comum determinar-se o percentual de oxigênio residual. Baixos percentuais de oxigênio residual irão alterar o desempenho [1] dos processos que envolvem materiais reativos, como metais não nobres e os ácidos fracos presentes nos fluxos.
As principais alterações de propriedades que ocorrem com a redução do oxigênio residual são a redução oxidação e a alteração da tensão superficial [1]. Estas duas propriedades são muito importantes para o processo e, independentemente do tipo de soldagem utilizada (soldagem por onda ou por refusão), a dinâmica do processo será alterada. Defeitos que estão relacionados à molhabilidade e espalhamento, como curtos, estalactites e solder balls, são minimizados com o uso de uma atmosfera inerte. No entanto apenas estas características nem sempre compensam o custo de usar este gás, que deve ser absorvido por reduções no custo do processo ou custo da não qualidade.
Figura 1 – Para que ocorra a molhabilidade entre o sólido e o líquido é necessário que a energia das interfaces entre sólido e gás e líquido e gás seja maior. O uso de nitrogênio promove uma melhor molhabilidade entre sólido e líquido.
No processo de soldagem por onda, o uso do nitrogênio gera um efeito imediato na redução dos custos do processo. Como o equipamento possui um tanque de solda com o metal líquido circulando durante todo o processo por uma bomba, ocorre rapidamente a oxidação do mesmo, formando uma borra. Esta borra consiste em perda de material e, consequentemente, custo com reposição da solda. A redução do oxigênio residual reduz, ou até inibe, a oxidação do material no tanque, promovendo economia de material que pode financiar o uso do gás inerte.
Figura 2 – Borra formada devido à oxidação da solda líquida no tanque da máquina de solda por onda.
Por outro lado, ganhos com redução de defeitos através do aumento da molhabilidade e redução da tensão superficial não são tão simples de serem mensurados, defeitos dependem muito de características como componentes e layout da placa, e melhorias relativas à redução de defeitos devem ser identificadas dentro de um número grande de amostras, para que sejam significativamente observadas. Testes deste tipo chegam a durar até dois anos [2], um ano sem a utilização do nitrogênio e outro ano utilizando-o. É o caso, por exemplo, do benefício causado pela ausência de oxigênio durante o pré-aquecimento da soldagem por onda. Neste caso, ocorre redução na oxidação dos metais aparentes nos componentes e placa, bem como no fluxo. Benefícios oriundos destes fenômenos são visualizados apenas na redução dos defeitos de processo.
Este também é o caso do processo de soldagem por refusão. Com o desenvolvimento de fluxos no-clean para soldagem no ar, é comum que estudos sobre o uso de nitrogênio não apresentem reduções significativas no número de defeitos, uma vez que elementos como tipo de componentes e layout, possuem um efeito muito maior nos defeitos. No processo de refusão, o efeito do uso de nitrogênio é mais aparente no caso da redução do pitch, principalmente em casos onde o produto exige o uso de pastas de solda com tamanho de partícula reduzido. A redução da metade do diâmetro da partícula promove um aumento da área de material exposta à atmosfera em 4 vezes, acelerando o processo de oxidação.
Figura 3 – A redução do tamanho de partículas em pastas de solda utilizadas para fine-pitch leva a um aumento da relação volume x área exposta, desta forma acelerando o processo de oxidação.
O uso de ligas sem chumbo evidencia também, com frequência, o benefício do nitrogênio. Isto é devido ao aumento da atividade do estanho para oxidação, neste caso uma atmosfera inerte passa a se tornar mais importante.
Outro fator que leva ao uso do nitrogênio é o aumento da confiabilidade da junta de solda. Em equipamentos que trabalham em ambientes hostis, ou que demandam altos níveis de confiabilidade, a redução na oxidação dos componentes, melhoria da molhabilidade e até mesmo redução dos teores de resíduos iônicos presentes na montagem final podem aumentar a vida útil através do uso de nitrogênio no processo [3].
Com o atual cenário de montagem de placas eletrônicas, o custo da introdução de nitrogênio no processo somente deve ser aceito caso retorne em benefícios para a empresa. Estes benefícios são normalmente observados em campo. Por este motivo, o LABelectron, como laboratório de desenvolvimento de processos, passa a contar agora com condições para testar e produzir placas eletrônicas utilizando um processo de soldagem em atmosfera inerte. Os fornos de refusão, tanto para a linha de pequenas séries, quanto para a célula de introdução de novos produtos, estão aptos ao uso de nitrogênio. As máquinas de solda, tanto por onda quanto seletiva, também estão prontas para o uso de nitrogênio. A máquina de solda seletiva possui inertização no pote de solda e a máquina de solda por onda possui um sistema de inertização completo, chamado de túnel.
Figura 4 – Novos equipamentos de soldagem adquiridos no LABelectron, Ecoselect 2, Powerflow N2 e Hotflow 2/12. Máquina de soldagem seletiva, Máquina de soldagem por onda e forno de refusão, equipamentos fabricados pela empresa ERSA e todos prontos para o uso de nitrogênio.
O sistema de inertização em túnel é o sistema mais avançado de inertização do processo de soldagem de placas. Neste sistema a placa é afastada do oxigênio já na etapa do pré-aquecimento, e a pureza final do nitrogênio na área de soldagem é superior. Desta forma, não apenas a oxidação do material do pote de solda é evitada, como também os benefícios da soldagem com nitrogênio são mais aparentes.
Com os recentes investimentos, o LABelectron passa a proporcionar total flexibilidade e qualidade na soldagem branda de placas eletrônicas, necessitando de nitrogênio ou não.
Para maiores informações sobre contaminação iônica, entre em contato com o Engº José Carlos Boareto, responsável pela área de materiais do LABelectron ( Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você deve habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou 48-3954-3000).
Referências:
[1] S.M. Adams; E.K. Chang; M.J. Kirschner; Atmospheres and Performance During Soldering; Nepcon West 1994.
[2] Gerhard, M. & H.-E. Kiecker; Quality Improvement by the Implementation of Reflow Soldering with Nitrogen; Productronica Conference, Munich 1996.
[3] Ehrlich, M., Laneus, G.S., & Reichelt, G.E.; Investigations about the Reliability of Atmospheric and Inert Wave-soldered 1812-Capacitors at Various Footprint- Configurations. Nepcon West 1994