Série de Pré-aquecimento

Uma Introdução

Muitas das minhas publicações têm abordado os diferentes tipos de aplicadores de fluxo para soldadura por onda: as suas capacidades e as suas limitações. Esta série será semelhante, com a diferença de que iremos abordar os pré-aquecedores . Mas, primeiro, uma breve introdução.

A definição de pré-aquecimento é a prática de aplicar calor a uma placa de circuito impresso após a deposição do fluxo e imediatamente antes a soldadura. A soldadura por onda pode ser realizada sem pré-aquecimento, mas a velocidade de soldadura será lenta. O velho ditado de que «tempo é dinheiro» salienta a necessidade do pré-aquecimento. No livro «The Handbook of Machine Soldering SMT and TH», Woodgate refere: «Durante alguns trabalhos experimentais com pré-aquecimento, uma placa foi soldada a 12 pés por minuto com o pré-aquecimento normal aplicado. Sem pré-aquecimento, não foi possível soldá-la a uma velocidade superior a 2,5 pés por minuto.» O facto de uma junta poder ser formada sem este processo não significa que deva ser assim.

As razões apresentadas para o pré-aquecimento são quase sempre:

• Para «ativar» o fluxo através do aquecimento
• Para evitar a formação de bolas de solda, secando o solvente do fluxo que, de outra forma, salpicaria se entrasse em contacto apenas com a onda de solda
• Para reduzir o choque térmico a que a placa de circuito impresso (PCB) está sujeita devido à onda de solda, diminuindo assim a deformação e outros defeitos associados a um aumento abrupto da temperatura

A razão mais importante para utilizar o pré-aquecimento é «aquecer a placa, os componentes, as terminações e outras partes da junta, para que o aquecimento final e a soldadura possam decorrer mais rapidamente». Ao minimizar a exposição à solda fundida, também é possível minimizar os danos nos componentes.

Tipos de pré-aquecedores

Como referi na parte anterior, o pré-aquecimento é necessário para reduzir o custo da soldadura por onda. Na tentativa de reduzir o custo do processo de soldadura por onda, foram desenvolvidos muitos tipos diferentes de pré-aquecedores, cada um com as suas vantagens e desvantagens. Os tipos de pré-aquecedores mais utilizados são:

1. ​A placa de aquecimento elétrico ou placa de aquecimento
2. Elétrico tubular (Cal Rod)
3. Palavras ao vento
4. Prato de quartos
5. Haste de quartzo
6. Cerâmica
7. Infravermelho
8. Radiação solar ocular concentrada
   • *Nota* Só há uma pessoa capaz de fazer isto e é algo extremamente raro. Ele também é «mais rápido do que uma bala! Mais poderoso do que uma locomotiva! Capaz de saltar edifícios altos num único salto!» Estou, claro, a falar do Homem de Aço, o Super-Homem. Um dos seus poderes é a visão de calor. Este seria um método ideal para pré-aquecer placas, pois requer apenas a presença do Homem de Aço. ​

Todos estes temas serão abordados nas próximas semanas (com exceção do kryptoniano).

Estas são as questões que um operador deve colocar a si próprio ao tentar escolher o pré-aquecedor adequado para o seu processo:

• Está preocupado com o custo da eletricidade e com a eficiência energética?
• Precisa de aquecer e arrefecer muito rapidamente? Se for esse o caso, uma massa térmica pequena seria a solução ideal.
• Como é que se limpa? A função de autolimpeza é uma característica interessante?
• Durante quanto tempo vai utilizar o mesmo pré-aquecedor? Não vai querer que a sua potência térmica diminua com o tempo.

Infelizmente, não existe um pré-aquecedor que responda a todas as questões acima referidas não existe. Estamos todos à espera ansiosamente que seja inventado um. A maioria dos pré-aquecedores mencionados terá apenas uma ou duas das características enumeradas. Vou mostrar-vos as características de cada um destes pré-aquecedores nas próximas semanas.

Placa de aquecimento ou placa de pressão

A secção anterior apresentou todos os diferentes tipos de pré-aquecedores. O pré-aquecedor de placa quente ou de base será o primeiro tipo que irei abordar.

Se procura uma opção económica para o pré-aquecimento, a placa de aquecimento ou placa de aquecimento é a melhor opção. O pré-aquecedor consiste numa placa de ferro com resistências em tira aparafusadas na parte inferior, protegidas por uma cobertura metálica. Pode ver-se um esquema abaixo.

Os aquecedores de fita são normalmente posicionados paralelamente ao movimento da placa no transportador. Neste caso, a placa deslocar-se-ia perpendicularmente ao ecrã. A vantagem disto é que alguns dos aquecedores podem ser ligados ou desligados consoante a largura e o tamanho da placa que está a ser soldada. Isto permite poupar energia quando necessário e aquecer de forma mais eficaz noutras situações. A placa de aço tem de ter espessura suficiente para proporcionar um aquecimento uniforme. Por isso, a poupança de energia é, na melhor das hipóteses, marginal.

Vantagens

• Praticamente autolimpante: qualquer acumulação de resíduos será queimada e não afetará a capacidade de aquecimento
• Não é afetado por pequenas alterações ambientais (como a abertura das portas da máquina)
• Elevada massa térmica
• Baixo custo

Desvantagens

• Utilização ineficiente da energia elétrica
• Demora bastante tempo a atingir uma temperatura estável

Este tipo de pré-aquecedor é ideal se os parâmetros de soldadura não variarem muito durante a produção. Esperar que as placas atinjam o equilíbrio pode tornar-se um problema no processo de montagem, uma vez que, quando uma máquina não está a funcionar, a linha fica parada. Uma forma de mitigar este problema consiste em ajustar a velocidade do transportador de acordo com os diferentes tamanhos das placas. No entanto, isto criará uma situação em que é necessário encontrar um equilíbrio entre a velocidade de produção e a temperatura de pré-aquecimento. Este equilíbrio será ideal em comparação com a espera pela alteração da temperatura dos pré-aquecedores, a menos que as montagens estejam muito compactas ou que os montadores estejam a utilizar placas multicamadas.

Calrod®: Soldadura por onda

A última secção tratou das vantagens e desvantagens da utilização de um pré-aquecedor de placa ou placa aquecedora na soldadura por onda. Existem muitos tipos diferentes de pré-aquecimento. O pré-aquecimento^Calrod® tem um tempo de resposta muito mais rápido do que o seu equivalente de placa ou placa plana. A estrutura física de um Calrod consiste em elementos tubulares que funcionam a temperaturas próximas do incandescente, o que significa que os elementos podem ficar incandescentes quando operados em determinadas condições. É a mesma tecnologia utilizada nos fogões elétricos. Estes elementos são utilizados para aquecer indiretamente a placa de circuito impresso (PCB) através da utilização de um refletor que, normalmente, está integrado na estrutura à qual os elementos estão aparafusados. Pode ver-se abaixo um diagrama dos elementos. As vantagens da utilização de um pré-aquecedor Calrod são:

• São muito resistentes e não se partem ao mover ou ajustar o equipamento em que estão instalados.
• Podem durar muito tempo.
• Aquecem rapidamente e podem ser regulados sem necessidade de maquinaria dispendiosa ou complexa.
• Foram concebidos para serem utilizados numa vasta gama de aplicações.

A eficiência deste tipo de pré-aquecedor depende da limpeza, o que significa que as hastes e o refletor têm de ser mantidos limpos para funcionarem corretamente. Se o fluxo pingar sobre os elementos ou o refletor, irá carbonizar-se e poderá causar um aquecimento inadequado, o que, por sua vez, pode resultar numa soldadura inadequada. De acordo com «The Handbook of Machine Soldering SMT and TH», de Ralph Woodgate, existe uma «prática comum de revestir o refletor com folha de alumínio de cozinha. Quando esta fica descolorida, é substituída por uma folha nova». Isto garante um aquecimento consistente do conjunto. Se as hastes de aquecimento forem operadas a uma temperatura suficientemente elevada, podem ser autolimpantes.

O pré-aquecedor Calrod pode funcionar a uma temperatura mais elevada do que a placa de aquecimento e não requer uma secção de pré-aquecimento longa para atingir a mesma temperatura da placa. Certifique-se sempre de que, ao utilizar componentes SMT, segue as especificações e recomendações do fabricante dos componentes.

Palavras ao vento

Faz sentido que esta tenha sido, muito provavelmente, a primeira forma de pré-aquecimento utilizada para secar os fluxos à base de resina que eram comuns no passado. O ar quente removia os solventes (principalmente álcool), mas não aquecia muito bem a própria placa de circuito impresso. A eficiência da transferência de calor entre o ar e a placa era baixa quando esta estava exposta ao ambiente e, por isso, o pré-aquecimento era insuficiente.

O resultado é diferente se este mesmo sistema for colocado num compartimento fechado. A energia consegue aquecer a placa. Quando implementada corretamente, esta forma de pré-aquecimento pode produzir um aquecimento mais uniforme do que a maioria dos sistemas de radiação direta, por si só. Por isso, é comum combinar o pré-aquecedor de ar quente com outro método de aquecimento.

Placa de quartzo

Continuamos a nossa análise dos métodos de refluxo de solda.

Como o próprio nome sugere, os pré-aquecedores de placa de quartzo possuem placas grossas de quartzo nas quais os elementos de aquecimento estão incorporados através de cavidades ou ranhuras. As taxas de aquecimento e arrefecimento são muito rápidas em comparação com outros pré-aquecedores – até 93 °C por minuto. Como estes elementos aquecem tanto e tão rapidamente, não requerem uma etapa secundária de limpeza. Qualquer fluxo que escorra para a placa será queimado. Tal como os pré-aquecedores de placa quente, a placa de quartzo pode ser disposta em secções paralelas ao transportador, de modo a poder acomodar uma variedade de designs de placas.

As rápidas taxas de aquecimento e arrefecimento exigem um sistema de controlo sofisticado, o que torna esta solução mais dispendiosa do que as alternativas. Uma advertência: se esta placa for deixada sem supervisão, pode sobreaquecer, resultando em danos irreparáveis no pré-aquecedor. A placa de quartzo é também sensível a utilizações indevidas, tais como a queda de uma placa de circuito impresso (PWB) sobre a superfície ou um manuseamento descuidado. Conjuntos mais complexos (multicamadas, com elevada massa térmica) necessitam de um aquecimento adequado, o que, noutros sistemas, exigiria um pré-aquecimento muito prolongado. É improvável que um sistema deste tipo venha a ser integrado numa máquina de soldadura por onda.

Tubo de quartzo

Na sequência do artigo sobre pré-aquecedores de placa de quartzo para soldadura por onda, esta secção é dedicada ao pré-aquecedor de tubo de quartzo, que é muito semelhante. Se se lembra, uma das vantagens de utilizar uma placa de quartzo era o facto de esta ter um dos tempos de resposta mais rápidos; no entanto, os tubos de quartzo têm tempos de respostaainda mais rápidos.​

Os elementos de aquecimento são colocados no interior dos tubos de quartzo, juntamente com os termopares. Os tubos podem ser bastante frágeis e, se algum objeto cair sobre eles, é provável que rachem ou se partam. Uma vantagem, no entanto, é que cada tubo pode ser ligado ou desligado individualmente. Isto é vantajoso se estiverem instalados paralelamente ao transportador, pois proporcionarão um aquecimento uniforme, independentemente da largura da placa. Se o sistema transportador tiver uma largura fixa, podem ser montados perpendicularmente aos carris e ligados ou desligados individualmente para fornecer a quantidade necessária de pré-aquecimento. Se a sua máquina de soldadura por onda tiver a opção de um sistema automatizado e controlado por computador, ou tiver uma largura fixa, então estes pré-aquecedores versáteis são o que deverá utilizar. É comum combinar os tubos de quartzo com ar quente , quer forçando a passagem de ar aquecido, quer de ar ambiente através dos tubos. Esta é uma das opções mais atraentes para os técnicos que não dispõem de espaço excedente para instalar um pré-aquecedor.

Lâmpada de infravermelhos e placa cerâmica

Os pré-aquecedores do tipo lâmpada apresentam o tempo de resposta mais rápido de todos os pré-aquecedores anteriormente mencionados noutras publicações. O filamento da lâmpada é praticamente a única massa térmica; é tão rápido que o tempo de resposta é medido em segundos, em vez de minutos, como acontece com os outros modelos. Este tipo de pré-aquecedor pode atingir temperaturas máximas excepcionalmente elevadas, desde que exista um sistema de controlo avançado. Se o sistema de controlo não estiver disponível, poderá causar danos na placa.

Infelizmente, estes candeeiros podem ser um pouco caros, porque muitas vezes têm um acabamento dourado-refletor revestido que pode necessitar de arrefecimento a água. As unidades são também muito frágeis e têm de ser mantidas impecavelmente limpas. Se entrar sujidade ou fluxo nas lâmpadas, existe um risco elevado de as riscar durante o processo de limpeza, o que causaria danos permanentes.

Os aquecedores de placa cerâmica também não são muito utilizados. As taxas de aquecimento e o design são quase idênticos aos pré-aquecedores de placa de quartzo . O tempo de resposta é rápido, uma vez que os elementos elétricos, juntamente com os termopares, estão incorporados na superfície da placa. Isto garante uma superfície lisa e de fácil limpeza. São também resistentes e podem suportar eventuais danos causados pela queda de placas.

Aquecimento, comprimento de onda e infravermelhos

Como referi na secção anterior, o objetivo do pré-aquecimento, independentemente do método utilizado, é elevar a estrutura metálica da junta a uma temperatura especificada. Seria ideal que o laminado da placa e o componente permanecessem à temperatura ambiente; no entanto, isso exigiria que o metal absorvesse a energia térmica enquanto o material isolante a refletisse. Infelizmente, isso raramente acontece, porque a maioria das juntas formadas são superfícies metálicas brilhantes/refletoras. Para garantir um aquecimento adequado, o calor é transferido a partir do corpo do componente ou do laminado de base, em vez de se aquecer diretamente os metais a unir.

Os pré-aquecedores do tipo lâmpada apresentam, geralmente, o pior cenário possível devido às suas emissões de comprimento de onda curto. A sua superfície de vidro epóxi pode queimar, mas não há tempo suficiente para que o cobre ou os metais revestidos com solda atinjam a mesma temperatura. No entanto, a definição dos parâmetros corretos pode resolver este problema.

À medida que o comprimento de onda aumenta, há mais tempo para que a base isolante e os circuitos metálicos atinjam uma temperatura uniforme, mas perde-se a capacidade de concentrar a energia e de obter um tempo de resposta rápido. A capacidade de qualquer superfície absorver ou irradiar a energia de um determinado comprimento de onda depende de fatores como a cor, a textura e a natureza do material. O ponto principal é que um material não pode ser avaliado adequadamente com base em critérios visuais.

Automação e Controlo

Conforme discutido anteriormente, a temperatura do pré-aquecedor pouco se compara à temperatura real da placa de circuito impresso (PCB). Ao implementar um sistema de pré-aquecimento duplo, em que existe um sensor de calor por infravermelhos entre os dois pré-aquecedores, é possível garantir um aquecimento mais uniforme em toda a montagem. O funcionamento consiste em ajustar o primeiro pré-aquecedor para aproximadamente 70 por cento do calor desejado necessário. Depois de a placa ter passado por esta fase, a sua temperatura é medida pelo detetor de infravermelhos. Este detetor envia os dados para o computador, que ajusta o ponto de regulação do segundo pré-aquecedor para garantir que todo o conjunto seja aquecido adequadamente antes do contacto com a onda de solda. Pode ver-se um esquema abaixo. Este sistema elimina uma grande variação na temperatura do conjunto, incluindo erros do operador no processo de soldadura por onda.

Escolha do sistema de pré-aquecimento ideal

Com exceção do sistema automatizado mencionado na minha última publicação, há pouca diferença no desempenho efetivo dos vários tipos de pré-aquecedores. A escolha baseia-se na conveniência e na capacidade de fornecer calor adequado para elevar o conjunto à temperatura necessária, utilizando a velocidade máxima do transportador. Além disso, em máquinas mais pequenas, as dimensões geométricas constituem um fator limitante.

No setor da SMT, existem muitos fabricantes de componentes que impõem limites à velocidade de pré-aquecimento. Ao verificar o desempenho dos pré-aquecedores, teste as montagens que apresentam maior massa térmica, os componentes mais pesados, dissipadores de calor e planos de terra ou de tensão, para verificar se é possível atingir a temperatura desejada. Além disso, deve ponderar se a temperatura terá de ser ajustada com frequência ao longo de um dia de trabalho. Um pré-aquecedor com resposta mais rápida seria mais adequado se for necessário aumentar o rendimento e a eficiência. Caso contrário, poderá optar pelo pré-aquecedor mais simples que cumpra a sua função com o mínimo de limpeza e manutenção. Lembre-se de que uma redução no rendimento é inevitável à medida que o pré-aquecedor envelhece ou quando a tensão de alimentação diminui.