1. Placas de Circuito Impresso
Aplicação, Qualificação e
Adequação para RoHS
Wolfgang Biben
DAPE-Divisão de Qualificação e Análise de Produtos Eletrônicos
CenPRA-Centro de Pesquisas Renato Archer
Ministério de Ciência e Tecnologia

2. E scopo
• Ambiente de aplicação da P C I
• Funções da P C I
• Necessidades de qualificação derivadas
destas funções
• M ateriais e suas características
• E nsaios de qualificação
• Adequação da P C I para R oHS

3. Ambiente de Aplicação
da P C I
• No processo de montagem: reflow, solda
de onda, retrabalho. E xposição a um
esforço térmico formidável
• No equipamento final a exposição a
variações de temperatura, umidade,
tensão, surtos de tensão, poluição,
vibração, choque, esforços mecânicos de
montagem

4. A P laca de C ircuito
Impresso faz o que?
• A conexão elétrica dos componentes entre
si
• P roporciona um suporte mecânico para os
componentes
• Isola os componentes e conexões entre si
• D estas funções derivam-se as
especificações de qualificação e
confiabilidade da P C I

5. C O NE X ÃO
• As conexões são compostas por trilhas,
externas e internas, furos de conexão
entre as camadas, contatos de borda
(pouco utilizados atualmente) e as ilhas
(pads) e furos (P TH) de solda para os
componentes
• B oa parte dos requisitos de qualificação
estão focalizados na correta
implementação destes elementos
seguindo regras de dimensionamento

6. C O NE X ÃO
• D o ponto de vista de confiabilidade, a
conexão entre componentes deve
manter sua baixa resistência inicial
durante a influência do ambiente de
aplicação na vida útil do produto
• O fator climático mais deletério para a
conexão no ambiente de aplicação é a
variação de temperatura
• Afeta fortemente a integridade dos furos
metalizados e das soldas

7. IS O LAÇ ÃO
• A placa de circuito impresso deve manter
as diferentes conexões isoladas entre si,
tanto na superfície como no interior da
placa
• A isolação é afetada pelo ambiente de
aplicação
• Temperatura e umidade alta e tensão
aplicada entre trilhas e furos são os
principais parâmetros que afetam a
isolação

8. S UP O R TE M E C ÂNIC O
• Q uase a totalidade dos componentes
atuais são unidos à placa por solda, já
na superfície das ilhas (pads) ou nos
furos metalizados
• R aras vezes é necessário usar parafusos, rebites ou
terminais dobrados ou crimpados na fixação
• Alguns componentes pesados exigem elementos de
fixação adicionais além da solda
• Alguns componentes precisam de dissipadores de
calor que por s ua vez precisam de elementos de
fixação na placa

9. FIX AÇ ÃO por S O LD A
• P ara possibilitar a solda, as ilhas e furos devem
apresentar uma superfície com boa
soldabilidade: molhar e espalhar bem a solda
• A superfície do cobre (facilmente oxidável)
precisa de um tratamento superficial para evitar
a oxidação e torna-se apta para receber a solda
• E nas regiões onde o cobre não deve entrar em
contato com a solda, o cobre deve ser protegido
por uma máscara isolante, o solder resist, para
evitar sua corrosão

10. FIX AÇ ÃO por S O LD A
• É essencial que as superfícies soldáveis
estejam firmemente aderidas à placa
• E sta aderência sofre degradação durante
o processo de montagem pela exposição
a alta temperatura
• E nsaios de descolamento e de tração nas
ilhas e nos furos devem considerar isto
• A aderência do solder resist deve ser
avaliada

11. M ateriais B ase
• C obre como condutor
• P apel
• Fibra de vidro
• R esinas fenólicas, epoxídicas ou outras
• Algum aditivo anti-chama
• R esinas para proteção superficial
• É essencial entender como se
comportam estes materiais base no
ambiente de aplicação

12. P LÁS TIC O S
• Três características fundamentais
• A expansão térmica % entre 50°C e
260°C
• Temperatura de vitrificação Tg
• Temperatura de decomposição Td 5%

13. P LAS TIC O S
Temperatura de
vitrificação
Estado vitreo Estado mole

14. P LÁS TIC O S
• Temperatura de vitrificação é
determinada por três métodos
– TM A Thermo-M echanical Analysis
– DS C D ifferential S canning C alorimetry
– DMA D ynamic M echanical Analysis (1 Hz)

15. P LÁS TIC O S
Mais mole
∆L
α 2 ~240 ppm/°C
Uso
α 1 ~60 ppm
Cura adicional
Fragilização
Temperatura de vitrificação T
Tg

16. P ropriedades mecânicas
• Tg
E
Temperatura

17. P LÁS TIC O S
• Temperatura de decomposição é um
indicador da temperatura de delaminação
• Temperatura na qual o material perde 5%
de peso
Peso
Td 5% Temperatura

18. E xpansão térmica
• A expansão térmica da placa é ditada
pelos materiais que a compõem
• No plano da placa , eixos x e y é ditada
pelo material de reforço, papel ou uma
manta entrelaçada de fibras de vidro,
tentando assemelhar-se ao cobre com um
coeficiente de expansão térmica de
~17ppm/ °C

19. E xpansão térmica
• M as, no eixo z, perpendicular à placa, não há
reforço que impeça a expansão
• E o que não teve possibilidades de expandir na
horizontal, vai expandir na vertical com mais
intensidade
• M ais ainda, acima da temperatura de
vitrificação, a expansão da resina é quatro
vezes maior ( durante reflow e/ solda de
ou
onda)
• Quem sofre é o furo metalizado

20. E xpansão térmica
• E ssa expansão exagerada no sentido vertical
tem que ser absorvida pelo cobre do furo
metalizado sem danos durante o processo de
reflow, seguido de solda de onda e ainda
possíveis reparos
• O cobre tem que ser muito dúctil e elástico para
suportar os esforços mecânicos resultantes do
processo de montagem
• E ainda suportar os rigores do ambiente de
aplicação

21. O C obre dos C ondutores
• O cobre dos condutores pode ter características
mecânicas diferentes , dependendo de sua história
prévia de deformação: o laminado e o grau de
recozimento após o laminado ( mais duro sem recozer,
mais mole com recozimento)
• Nos furos é essencial ter um cobre que permita uma
grande elas ticidade (deformação elástica reversível),
chegando a 12% ou mais de elongação de ruptura
• O material nos furos é depositado eletroliticamente; para
obter essas qualidades, o banho e o processo têm que
ser muito bem controlados

22. E xpansão térmica
• O s requisitos de confiabilidade da
conexão dos componentes na placa são
especificados num ensaio de ciclagem
térmica ( severidade de acordo com o
ambiente de aplicação)
• Na indústria automotiva, no ambiente
debaixo do capô, tipicamente 1000 ciclos
de 125°C a -40°C com menos de 20% de
aumento de resistência das conexões

23. D anos da ciclagem
térmica nos furos
• Trincas no sentido horizontal até levar à
interrupção da conexão
• Q uebra da conexão entre a parede do furo
e as camadas internas
• Verificação da integridade da conexão à
alta e a baixa temperatura para verificar
conexão intermitente- faz contato na
temperatura ambiente mas falha em alta
ou baixa temperatura

24. D anos da ciclagem
térmica nos furos
• S ão agravados por defeitos de processo
– Furação com superfície irregular propiciando uma
parede com pontos fracos
– D esmear impróprio levando à separação entre
parede do furo com as camadas internas
– Furação arrancando fibra de vidro e criando fendas
nas quais penetra o cobre eletrolítico
– P arede do furo muito fina
– Fibras de vidro penetrando na parede do furo
– P ropriedades do cobre eletrolítico inadequadas-
pouca elasticidade e/ resistência mecânica
ou

25. D anos da ciclagem
térmica na isolação
• Na superfície pode produzir rachaduras no
solder resist-- fica menor a distância de corrente
de fuga entre duas trilhas vizinhas
• S e as rachaduras do resist expõem o cobre
pode ocorrer corrosão num ambiente úmido
• No interior da placa pode contribuir para a
separação entre resina e fibra de vidro; sob
umidade alta ali podem ocorrer processos
eletrolíticos e correntes de fuga

26. Isolação
• Uma verificação a gros so modo é a medição da
contaminação iônica
» O megameter, Ionograph, C ondutividade da solução de
água D I e isopropanol usada para remover contaminantes
superficiais
• R esistência de isolação (S IR ) medida antes, durante e
no final de exposição a temperatura e umidade altas
• E letromigração: aplicar tensão às es truturas de ensaio
durante a exposição e medir continuamente a
resistência de isolação
• C ondições típicas: 85°C /85% UR , 1000 horas
• Avaliação visual para detectar descoloração do resist e
inicio da formação de dendritos

27. Isolação C AF-condutive
anodic filaments
• É uma falha de isolação no interior da
placa causada por processos eletrolíticos
em ambientes quentes e úmidos
• O corre ao longo das fibras de vidro
• E de preferência entre furos vizinhos, mas
pode ocorrer entre qualquer metalização
interna sob tensão

28. E struturas de E nsaio
C upons de Teste
• O s cupons devem refletir os dimensionamentos
mais críticos da placa de produção: menores
trilhas e distanciamentos, furos pequenos
• A avaliação dos furos sob ciclagem térmica e
suas interconexões com as diversas camadas,
internas e externas é feita com cupons de teste
com múltiplos furos e trilhas conectados em
cadeia (daisy chain) para medir continuidade
• A medição da isolação é feita com estruturas
interdigitadas de trilhas paralelas

29. Q ualificação da P C I
• Além dos aspectos visuais e geométricos com suas
tolerâncias, a resistência da placa aos fatores
ambientais deve ser avaliada para garantir sua função e
confiabilidade
• S oldabilidade virgem e após simulação de proces so
• Aderência de s older resis t virgem e após simulação de processo
• Força de descolamento virgem e após simulação de processo
• Aderência de ilhas virgem e após simulação de processo
• R esistência à delaminação
• C ontaminação iônica
• R esistência de descolamentos de furos
• C iclagem térmica
• R esistência de isolação
• E letromigração, C AF conductive anodic filaments Após processo
• HIP O T, tensão de ruptura
• E nsaio de corrente

30. Q ualificar cupons de teste
ou placas de produção?
• G eralmente o cliente prefere qualificar a
placa de produção, sabendo que todos os
processos de produção são os definitivos
para seu produto
• Fica difícil encontrar estruturas de ensaio
adequadas na placa
• C iclagem térmica: trilhas com bastantes furos de
passagem ou caminhos por camadas internas
• Isolação : pares de trilhas paralelas e que passem
por furos bem próximos

31. S imulação do processo
de montagem
• P ara as placas simples face pode ser uma
passagem pela solda de onda mais uma
simulação de reparo (outra passagem)
• P ara placas de dupla face são
necessárias quatro passagens de reflow
(lado 1 , lado 2, remoção, componente
novo) ou solda de onda
• A simulação é com o mesmo perfil de
temperatura do processo de montagem

32. R oHS
• C omo adequar a placa para R oHS
• As substâncias a serem eliminadas
• O s rigores do processo de montagem
• A escolha do material base
• A escolha do acabamento
• A qualificação da placa

33. Adequação à Legislação
E uropéia
• A norma 2002/ E C restringe, a partir de
95/
Julho de 2006, produtos que contenham
• C humbo > 0,1%
• M ercúrio > 0,1%
• C ádmio > 0,01%
• C romo hexavalente > 0,1%
• Bromo (bifenil) > 0,1%
• Bromo (bifenil-eteres) > 0,1%
• R esumido na sigla R oHS (restriction of
hazardous substances)

34. P lacas de C ircuito Impresso
podem conflitar com R oHS ?
• S IM ; onde ?
• No acabamento HAS L (solda chumbo-
estanho)
• Nos aditivos a base de bromo que
permitem obter a classificação UL 94V-0
de flamabilidade (amostra vertical, apaga
em 10 segundos, não goteja com chama
acessa) para o material base

35. C omo adequar as P C I’s?
• E liminando o chumbo
• E liminando o bromo-bifenil ou bifenil-
eteres do material base da placa
• LF (lead-free) ≠ R oHS
• Não basta eliminar o chumbo para
cumprir a legislação !!!
• Todas as s eis s ubs tancias devem s er
eliminadas

36. C omo eliminar o bromo
e o chumbo da P C I
• E scolhendo o material base sem bromo
• E scolhendo o acabamento sem chumbo
• M as isso não basta, tem que garantir a
vida da placa durante o processo de
montagem e no ambiente de aplicação
• A placa tem que resistir melhor às altas
temperaturas de processo
• O material base tem que ser adequado

37. A difícil escolha do
material base
• O dilema é como obter suficiente robustez térmica,
compatibilidade R oHS , UL94V-0 e custos
compatíveis que satisfaçam as necessidades de
seu cliente e de seu processo
• P ertech, Formline no Brasil; D oosan,TUC ,Isola,
NanYa, Nelco, etc no mercado internacional
• C onsiderando fretes e taxas de importação, prazos
de entrega e de transporte

38. E scolha do M aterial B ase
• Um índice que pode ajudar na escolha:
• S TII = (Tg + Td)/ - 10*(% expansão50-260°C )
2
• S oldering Temperature Impact Index
• Valores maiores que 215 são
recomendados para LF
• E as exigências do ambiente de aplicação
de seu cliente

39. Tipos de material base
• FR 1, FR 2, FR 3 papel-resina fenolica
• C E M 1, C E M 3 papel-resina com capa
• FR 4 Tg baixo/ fibra de vidro- resina
epoxy dicy cured
• FR 4 Tg alto/fibra de vidro- resina
fenolica
• Teflon, P olimidas, bismaleimide triazine
G etek..... Aplicações de R F ou militares
• B T bismaleimide triazine

40. C onseqüências da
eliminação do chumbo
• As soldas sem chumbo economicamente
viáveis tem ponto de fusão maior
• S oldas S nP b 183 °C
• S oldas LF 217-220 °C
• As operações de montagem das placas
precisam de temperaturas até 40°C
maiores
• As placas e os componentes têm que
suportar estas temperaturas maiores sem
danos

41. Acabamentos
• HAS L com solda LF- planicidade
• O S P (maior degradação por temperatura)
• Immersion TIN
• Immersion S ILVE R
• E NIG (electroless nickel/inmersion gold)

42. Acabamentos
• HAS L com s olda LF resulta num esforço térmico muito
alto e uma superfície não plana; é uma opção pouco
usada atualmente para componentes S M D
• Immers ion Tin consegue uma superfície plana mas é
facilmente oxidável; uma segunda operação de reflow
mostra soldabilidade menor que a placa virgem
• Immers ion S ilver consegue muito boa soldabilidade.
P recisa de boa limpeza do cobre para evitar micro-voids
(champagne voids). P roteção da prata com papeis
especiais por muito tempo
• OS P se degrada por temperatura; após um primeiro
reflow, a operação seguinte de solda já tem a soldabilidade
reduzida

43. S oldabilidade
• É uma condição essencial das ilhas (pads) e
furos da placa de circuito impresso
• P recisa ser verificada por ensaios objetivos que
simulem o processo de montagem com várias
passagens de reflow ou solda de onda e reparo
• S imulação de envelhecimento da placa
• S older dip, wetting balance, pasta de solda
• D uas condições devem ser verificadas: wetting
(cobertura maior que 95 % da superfície soldável) e de-
wetting ( ausência de de-molhagem após exposição
prolongada a alta temperatura )

44. S oldabilidade de soldas
sem chumbo
• Além da maior temperatura necessária, a
solda sem chumbo tem um ângulo de
molhagem maior; a solda “corre” menos
(S preadability)
• O s fluxos (e fluxos contidos nas pastas)
têm que atuar com uma temperatura
maior; a formulação é diferente, os
resíduos são diferentes

45. D issolução do cobre
durante a solda
• Na interface entre cobre e solda é formada uma
camada de intermetálico e cobre difunde para o
interior da solda
• E ste processo é acelerado por temperatura
(tanto no processo como na aplicação da placa)
• C aso a metalização dos furos P HT seja
demasiado fina, nos joelhos a camada de cobre
pode chegar a ser interrompida durante os
processos de solda da montagem

46. A degradação da placa pela
temperatura maior de processo
• O que sofre?
• O material base-descolamentos,
delaminações
• As conexões que passam pelos furos
metalizados
• E também na superfície e no interior da placa
a isolação entre trilhas e furos pode
degradar-se na sua capacidade de suportar
ambientes úmidos e quentes sob tensão

47. P erda de vida útil pelo
processo de montagem
• O esforço térmico a que é submetida a
placa durante a montagem dos
componentes causa danos que podem
diminuir sua vida útil em 30 a 50% no
ambiente de aplicação, dependendo da
escolha do material base da placa:
– Tg
– Td
– % de expans ão térmica entre 50°C e 260°C
– e do ambiente de aplicação

48. P erda de vida útil
após processo
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Probabilidade - Weibull
95,000
Probabilidade-Weibull
90,000
Dados 1
Weibull-2P
RRX SRM MED FM
F=0/S=0
Linha de Probabilidade
Probabilidade de Falha, F(t)
50,000
Placa após processo Placa virgem
10,000
5,000
1,000
100,000 1000,000 5000,000
Ciclos Térmicos
β = 3 ,00 00, η = 100 0,00 00

49. M arcação das P lacas
• G eralmente segue as indicações do
desenho do cliente- número do desenho
• P ara um produto que será exportado para
E uropa ou C hina a marca
“R oHS compliant” é indicada
• O utras marcas encontradas são e1 , P b
• E ainda o código de data, R U,
flamabilidade UL94V-0 e outras

50. Finalizando
• LF ≠ R oHS , além do chumbo.........
• Umidade é um grande inimigo da P C I
• Temperatura alta degrada
• E nsaios de qualificação/confiabilidade são
indispensáveis para aplicações exigentes
• S ucesso na era “green”/ é custo e
LF
qualidade

51. Informação e literatura
• Normas IS O / C , NB R , Jedec, IP C , AS TM
IE
• S ites da IP C , S M TA, IM AP S , S M AR T
• IE E E , G lobal S M T, .......e revistas
• C alce, S andia, NIS T....
• Fabricantes de materiais base

52. Obrigado por sua atenção
Contatos
Wolfgang.Biben@cenpra.gov.br
19-3746-6075