A Tecnologia de Montagem em Superfície Impulsiona o Crescimento da Eletrônica Miniaturizada

À medida que os dispositivos eletrônicos continuam a diminuir de tamanho, ao mesmo tempo em que aumentam o desempenho, a disposição dos componentes nas placas de circuito enfrenta desafios sem precedentes. Você já se perguntou como esses componentes microscópicos e densamente compactados são fixados com precisão nas placas de circuito? A resposta está em um processo sofisticado chamado Tecnologia de Montagem em Superfície (SMT). Este método não é apenas uma pedra angular da fabricação eletrônica moderna, mas também uma força motriz por trás da miniaturização contínua, do design leve e do desempenho aprimorado dos produtos eletrônicos.

A Tecnologia de Montagem em Superfície (SMT), originalmente conhecida como montagem planar, é um método para fixar diretamente componentes eletrônicos na superfície de placas de circuito impresso (PCBs). Os componentes instalados dessa forma são chamados de dispositivos de montagem em superfície (SMDs). Na fabricação eletrônica moderna, a SMT substituiu em grande parte a tecnologia tradicional de furo passante devido à sua capacidade de permitir a produção altamente automatizada, reduzindo custos e melhorando a qualidade do produto. Além disso, a SMT permite que mais componentes sejam montados em uma determinada área de substrato.

No entanto, a tecnologia de furo passante não desapareceu completamente. Alguns componentes inadequados para montagem em superfície, como grandes transformadores e semicondutores de potência com dissipadores de calor, ainda usam montagem de furo passante. É comum ver as tecnologias SMT e furo passante usadas na mesma placa de circuito.

Em comparação com os componentes tradicionais de furo passante, os componentes SMT são tipicamente menores, com terminais reduzidos ou sem terminais. Os componentes SMT podem apresentar vários tipos de pinos curtos, contatos planos, matrizes de grade de esferas (BGAs) ou terminais localizados no corpo do componente.

A SMT surgiu na década de 1960, mas não atingiu 10% de participação de mercado até 1986. A partir desse ponto, a adoção acelerou rapidamente. No final da década de 1990, a grande maioria das montagens de PCB eletrônicas de alta tecnologia usava dispositivos de montagem em superfície. A IBM desempenhou um papel pioneiro no desenvolvimento dessa tecnologia, demonstrando pela primeira vez a abordagem de design em 1960 em um pequeno computador, implementando-a posteriormente no Launch Vehicle Digital Computer usado nos foguetes Saturn IB e Saturn V para orientação durante o voo.

Vários termos são usados na fabricação SMT para descrever componentes, técnicas e máquinas:

As PCBs apresentam almofadas de cobre planas, tipicamente estanho-chumbo, prata ou banhadas a ouro, sem furos nos locais de colocação dos componentes. O processo começa com a aplicação de pasta de solda (uma mistura pegajosa de fluxo e pequenas partículas de solda) em todas as almofadas usando um estêncil de aço ou níquel por meio de serigrafia. Alternativamente, máquinas de impressão a jato semelhantes às impressoras jato de tinta podem depositar pasta de solda.

Após a aplicação da pasta, a placa se move para uma máquina de pick-and-place, onde os componentes - geralmente fornecidos em rolos de fita de papel/plástico, tubos de plástico ou bandejas antiestáticas para grandes CIs - são posicionados com precisão. Máquinas controladas numericamente recuperam componentes de alimentadores e os colocam na PCB.

A placa então entra em um forno de refluxo, passando primeiro por uma zona de pré-aquecimento para aumentar gradualmente as temperaturas de forma uniforme e evitar choque térmico. Na zona subsequente, as temperaturas se tornam altas o suficiente para derreter as partículas de solda, unindo os terminais dos componentes às almofadas da PCB. A tensão superficial da solda fundida ajuda a alinhar os componentes corretamente se a geometria da almofada for projetada corretamente.

Os métodos de refluxo incluem lâmpadas infravermelhas (refluxo infravermelho), convecção de gás quente e refluxo de fase de vapor usando líquidos fluorocarbonados especiais de alto ponto de ebulição. Este último recuperou a popularidade com os regulamentos sem chumbo que exigem um controle de processo mais rigoroso. Em 2008, a soldagem por convecção usando ar ou nitrogênio padrão era a mais prevalente.

Para placas de dupla face, o processo de impressão, colocação e refluxo se repete usando pasta de solda ou adesivo. A soldagem por onda requer adesivo para evitar o deslocamento dos componentes durante a fusão da pasta de solda.

Após a soldagem, as placas podem passar por limpeza para remover resíduos de fluxo e esferas de solda perdidas que podem causar curtos. O fluxo de resina requer hidrocarboneto fluorocarbonado, de alto ponto de fulgor ou solventes de baixo ponto de fulgor (como limoneno derivado de cítricos), enquanto o fluxo solúvel em água precisa de água desionizada e detergente, seguido de secagem rápida. No entanto, a maioria das montagens agora usa processos "sem limpeza", onde resíduos de fluxo benignos permanecem, economizando custos e acelerando a produção. A limpeza continua sendo aconselhável para aplicações de alta frequência (acima de 1 GHz) ou para melhorar a adesão do revestimento.

As tendências da indústria recomendam uma avaliação cuidadosa dos processos sem limpeza, pois os resíduos presos sob componentes ou blindagens podem afetar a resistência de isolamento da superfície (SIR), especialmente em placas de alta densidade.

Alguns padrões (como IPC) exigem limpeza, independentemente do tipo de fluxo de solda, para garantir a limpeza completa da placa. Embora aceitáveis, os resíduos brancos devem ser documentados como benignos. Nem todos os fabricantes seguem os padrões IPC, particularmente para produtos sensíveis a custos.

A inspeção visual final verifica a falta/desalinhamento de componentes e pontes de solda, com estações de retrabalho corrigindo erros. As placas então prosseguem para testes (in-circuit e/ou funcionais) para verificar a operação adequada. Os sistemas automatizados de inspeção óptica (AOI) provaram ser valiosos para a melhoria da qualidade.

• Montagem automatizada mais rápida:Algumas máquinas de colocação excedem 136.000 componentes por hora
• Maior densidade de componentes:Mais componentes por unidade de área com maior conectividade
• Montagem de dupla face:Os componentes podem povoar ambos os lados da placa
• Maior densidade de conexão:A ausência de furos permite mais espaço de roteamento nas camadas internas/traseiras
• Autoalinhamento:A tensão superficial da solda fundida corrige pequenos erros de colocação
• Melhor desempenho mecânico:Melhor resistência a choques/vibrações devido à massa reduzida e aos efeitos de balanço
• Menor resistência/indutância:Efeitos de RF indesejados reduzidos e comportamento de alta frequência mais previsível
• Desempenho EMC aprimorado:Menos loops de radiação e indutância de chumbo minimizam as emissões
• Menos furos perfurados:Reduz as operações de perfuração demoradas e caras
• Custos de produção mais baixos:Custos de configuração inicial reduzidos e despesas de componentes para fabricação de alto volume
• Componentes menores:As peças SMT são geralmente mais compactas do que os equivalentes de furo passante

• Inadequado para conexões de alta tensão:Componentes que suportam estresse mecânico frequente (como conectores conectados com frequência) podem exigir métodos de montagem adicionais
• Riscos de composto de encapsulamento:O ciclo térmico de encapsulantes pode danificar as juntas de solda SMD
• Dificuldades de manuseio manual:Protótipos e reparos exigem operadores qualificados e ferramentas especializadas devido a componentes minúsculos e passo fino
• Incompatibilidade de soquete:Muitos pacotes SMD não podem usar soquetes para fácil substituição/modificação
• Limitações da placa de ensaio:SMDs não funcionam diretamente com placas de ensaio plug-in, exigindo PCBs personalizados ou transportadores adaptadores
• Preocupações com a confiabilidade:Avanços de passo ultra-fino criam juntas de solda menores com possíveis problemas de vazios
• Desafios de identificação:Áreas de marcação menores tornam os valores/códigos dos componentes mais difíceis de ler sem ampliação

Componentes de montagem em superfície defeituosos podem ser reparados usando ferros de solda (para algumas conexões) ou sistemas de retrabalho sem contato. Estes últimos são geralmente preferidos, pois o trabalho SMD com ferros requer habilidades significativas.

O retrabalho normalmente envolve:

1. Derreter a solda e remover o componente
2. Limpar a solda residual (para alguns componentes)
3. Aplicar pasta de solda fresca (por dispensação ou imersão)
4. Colocar novo componente e refluxo

O retrabalho em massa de componentes idênticos requer equipamentos especializados, particularmente quando descoberto no final do ciclo de vida do produto. Existem dois métodos primários sem contato:

Usa radiação infravermelha de onda longa, média ou curta para aquecimento.

Prós:Configuração simples; sem necessidade de ar comprimido; aquecimento uniforme; controle preciso da temperatura; documentação do processo

Contras:Requer blindagem de componentes próximos; a temperatura da superfície varia com a refletividade; perdas convectivas

Transfere calor por meio de ar aquecido ou gás inerte (nitrogênio).

Prós:Capacidade de comutação de gás; alta confiabilidade com bicos adequados; resfriamento rápido

Contras:Resposta térmica lenta; bicos personalizados caros; potencial dano aos componentes devido à turbulência; medição de temperatura difícil

Combinam infravermelho de onda média com ar quente.

Prós:Combina os benefícios de ambos os métodos; lida com componentes grandes/de formato estranho; excelente controle de temperatura

Contras:Ainda requer blindagem de componentes

Os componentes de montagem em superfície são tipicamente menores do que as peças com terminais e projetados para manuseio por máquina. A indústria padronizou formatos e tamanhos de embalagens (principalmente por meio da JEDEC). A partir de 2024, os menores tamanhos disponíveis após 0201 incluem 01005, 008005, 008004, 008003 e 006003.

Resistores:Os resistores SMD de tolerância de 5% usam códigos de três dígitos (dois algarismos significativos, um multiplicador). As peças de tolerância de 1% empregam um código alfanumérico da série E96.

Capacitores:Os não eletrolíticos geralmente não têm marcações, exigindo medição após a remoção. Os eletrolíticos (tipicamente tântalo) usam codificação semelhante à dos resistores.

Indutores:Unidades menores aparecem como contas de ferrite, enquanto os tipos maiores enrolados com fio podem exibir valores (por exemplo, "330" para 33μH).

Semicondutores:Diodos e transistores usam códigos de dois/três símbolos que variam de acordo com o fabricante e o pacote.

CIs:Pacotes maiores geralmente exibem números de peça completos, incluindo prefixos ou logotipos do fabricante.