Por Gayle Towell
Escória A formação é uma consequência inevitável de soldagem por onda. Ocorre quando a solda fundida entra em contato com o oxigênio, formando óxidos metálicos que flutuam na superfície do banho de solda. Com o tempo, esse subproduto da oxidação se acumula e deve ser removido para manter a qualidade da solda e a consistência do processo. Embora a presença de escória seja esperada, a taxa em que ela se forma — e o esforço necessário para gerenciá-la — pode variar amplamente, dependendo de várias variáveis do processo e do material.
Uma pergunta comum das equipes de fabricação é: qual é a quantidade normal de escória? A realidade é que não existe um padrão universal. As taxas de escória são influenciadas por uma combinação de fatores, incluindo o processo de liga da solda, a temperatura e a agitação do banho de solda, a presença de contaminantes da montagem e a condição geral do equipamento. O que pode ser aceitável em um processo pode ser excessivo em outro.
Este artigo descreve os principais fatores que contribuem para a formação de escória, examina como os métodos de refino de ligas desempenham um papel importante e explora maneiras práticas de reduzir a escória por meio do controle do processo e da otimização dos equipamentos. É dada atenção especial ao uso de aditivos, como o fósforo, e aos desafios associados à manutenção de uma redução consistente da escória ao longo do tempo.
O que é escória de solda e por que ela se forma?
Quando a solda fundida é exposta ao ar, ela reage com o oxigênio para formar óxidos metálicos — principalmente óxido de estanho na maioria das soldas eletrônicas. Esses óxidos, frequentemente combinados com resíduos orgânicos queimados, flutuam até a superfície e formam escória.
Se não for removida regularmente, a escória pode interromper o processo, afetando o fluxo da solda e comprometendo a qualidade da placa de circuito impresso.
A escória geralmente resulta da oxidação normal, não de impurezas da liga. No entanto, a formação excessiva ou rápida de escória pode indicar problemas com o teor de óxido da liga, a temperatura do processo ou a turbulência.
A taxa de formação de escória é influenciada por vários fatores, principalmente a composição da liga, a temperatura do banho de solda, a agitação da onda e a contaminação das placas ou componentes.
Liga e Teor de Óxido
A solda em barra fabricada a partir de metais “virgens” não é inerentemente baixa em escória. Se o processo de liga introduzir ou não remover os óxidos de forma eficaz, a solda resultante pode apresentar taxas de oxidação semelhantes ou piores do que as ligas recicladas mal processadas. Os óxidos que permanecem suspensos na liga contribuirão diretamente para a formação precoce e sustentada de escória, uma vez que a solda estiver em uso.
Por outro lado, a solda em barra produzida usando processos controlados que minimizam a formação de óxidos tende a formar escória de forma mais lenta e previsível. O fator-chave não é se os metais são novos ou reciclados, mas se os óxidos e as impurezas propensas à oxidação foram adequadamente removidos durante a fabricação da liga e da fundição.
Condições térmicas
Temperatura do pote de solda é um dos fatores que mais contribuem diretamente para a formação de escória. À medida que a temperatura aumenta, também aumenta a taxa de oxidação. Para o eutético Sn63/Pb37, as temperaturas operacionais típicas variam entre 480 °F e 490 °F (aproximadamente 250 °C a 255 °C). Para SAC305 e ligas sem chumbo semelhantes, as temperaturas do recipiente são geralmente mais altas — frequentemente entre 500 °F e 520 °F (260 °C a 271 °C).
Operar acima dessas faixas pode acelerar significativamente a formação de óxido. No entanto, reduzir a temperatura do pote para limitar a escória deve ser equilibrado com as necessidades do processo, pois uma temperatura muito baixa pode comprometer o preenchimento do orifício, a umectação e o desempenho geral da soldagem.
Características das ondas e agitação
A agitação mecânica da superfície da solda, particularmente proveniente de designs de ondas turbulentas, aumenta a formação de escória. Quando a solda está estática, menos área superficial fica exposta ao ar e a oxidação ocorre mais lentamente. Em sistemas que dependem de ondas de chip ou geram movimento constante na interface solda-ar, a área superficial exposta aumenta, levando a uma oxidação mais rápida.
O design da onda, a condição da bomba e o uso de modos de espera são fatores que influenciam a quantidade de solda exposta ao ar em um determinado momento. Os sistemas equipados com controle inteligente de onda, que reduzem a agitação quando não há placas presentes, geralmente produzem menos resíduos ao longo do tempo.
Contaminantes provenientes de conjuntos
PCBs e componentes introduzem complexidade adicional. Cobre, ouro, níquel e outros acabamentos de superfície podem se dissolver no pote de solda, alterando sutilmente o comportamento da liga e aumentando a formação de inclusões intermetálicas ou de óxido. Contaminantes orgânicos, como resíduos de fluxo, também podem interagir com a solda fundida, criando subprodutos indesejáveis.
A análise rotineira do pote de solda pode ajudar a identificar níveis crescentes de contaminação e orientar ações corretivas. Manter os níveis de impurezas dentro dos limites recomendados pela IPC é essencial não apenas para minimizar a escória, mas também para garantir a confiabilidade da junta.
Aditivos e abordagens para a redução de escória
Os esforços para reduzir a formação de escória seguem normalmente duas vias principais: alterar a própria liga de solda ou modificar o ambiente em que a soldagem ocorre. Ambas as abordagens visam retardar a oxidação e limitar o acúmulo de material inutilizável.
Para mitigar a oxidação e reduzir a escória, algumas operações empregam aditivos, como surfactantes de solda disponíveis comercialmente. Embora possam ser eficazes, eles também apresentam desafios: manter um material adicional no processo, garantir a dosagem adequada e gerenciar a instabilidade potencial ou interações indesejadas com a liga de solda ou contaminantes.
Fósforo como aditivo redutor de escória
Um método comum para reduzir a escória visível é a adição de fósforo. O fósforo atua como um eliminador de oxigênio, oxidando preferencialmente antes do estanho na liga, reduzindo a geração de escória. Para fabricantes que trabalham com materiais com maior teor de óxido, as adições de fósforo oferecem um caminho relativamente simples para melhorar a aparência e reduzir um pouco o desperdício.
No entanto, o uso de fósforo traz desvantagens notáveis. Ele tende a se depositar em componentes de ferro no pote de solda, como bombas e defletores, muitas vezes levando a entupimentos ou acúmulo na superfície. Em alguns sistemas, esse acúmulo pode levar a distúrbios no fluxo ou instabilidade das ondas. Além disso, o fósforo é facilmente removido do pote durante a remoção da escória, o que significa que sua concentração pode cair com o tempo, a menos que seja cuidadosamente monitorada e reabastecida.
Em concentrações elevadas, o fósforo também pode interferir na umectação. Pesquisas demonstraram que níveis de fósforo acima de 0,011 TP3T em peso podem contribuir para a desumectação e rachaduras nas juntas de solda. Isso representa um risco a longo prazo em montagens de alta confiabilidade, especialmente quando os níveis de fósforo não são analisados rotineiramente, já que a análise convencional do pote de solda normalmente não inclui esse elemento.
Modificação atmosférica (inertização com nitrogênio)
Outra abordagem consiste em reduzir o oxigênio disponível para oxidação desde o início. Isso é feito inertizando o ambiente de soldagem com nitrogênio. Reduzir os níveis de oxigênio ambiente para 50–100 ppm diminui significativamente a taxa de formação de óxido e, por extensão, o acúmulo de escória.
A inertização com nitrogênio demonstrou reduzir a geração de escória em até 90% em alguns sistemas de soldagem por onda. Ela também melhora a umectação, diminuindo a tensão superficial da solda fundida. No entanto, os benefícios vêm acompanhados de maior complexidade: os sistemas de inertização exigem infraestrutura para manuseio de gás, equipamentos de controle de fluxo e, em alguns casos, modificações na própria máquina de soldagem.
Minimizando os resíduos através da estabilidade do processo
Em muitos casos, a maneira mais eficaz de reduzir a escória não é adicionar algo novo, mas controlar o que já está em vigor. Manter as temperaturas adequadas do pote de solda, minimizar a turbulência da onda e manter o equipamento em boas condições mecânicas pode ter um impacto significativo nos níveis de escória. Além disso, garantir que as montagens estejam limpas e compatíveis com a liga de solda em uso ajuda a reduzir a introdução de materiais estranhos que podem causar oxidação.
As formulações avançadas de solda em barra fabricadas com baixo teor de óxido em suspensão — em vez daquelas que dependem de tratamentos químicos pós-produção — tendem a apresentar um comportamento mais estável a longo prazo no que diz respeito à escória. Esses materiais são menos reativos, menos propensos à regeneração de óxido durante o uso e, geralmente, mais fáceis de manter em ciclos de produção prolongados.
Gerenciamento de escória e saúde do pote de solda
Mesmo em condições ideais, é inevitável que se forme alguma escória. Por esse motivo, é essencial realizar uma manutenção regular do pote de solda e dos equipamentos ao redor. O gerenciamento eficaz da escória não se resume apenas à remoção do óxido da superfície, mas também envolve o monitoramento dos níveis de contaminação, a identificação de sinais precoces de instabilidade e a manutenção de parâmetros operacionais consistentes.
Remoção de impurezas e condicionamento de equipamentos
A remoção de escória deve ser realizada com cuidado para evitar a remoção excessiva de liga boa junto com a camada de óxido. Em alguns casos, especialmente após uma troca de solda ou quando uma nova barra de solda é adicionada, óxidos residuais ou acúmulos superficiais nas paredes do pote, eixos da bomba ou defletores podem se misturar novamente à solda. Um período controlado de “queima” — em que o pote de solda é mantido em temperatura operacional em estado estático durante a noite — pode ajudar a assentar e separar quaisquer óxidos suspensos da nova carga de solda.
Após esta etapa de condicionamento, uma remoção completa, porém cuidadosa, das impurezas acumuladas ajuda a estabilizar o recipiente e reduzir o risco de oxidação prematura durante a inicialização.
Análise do pote de solda e integridade da liga
Embora a escória seja um indicador visível de oxidação, muitas alterações químicas ocorrem no banho de solda muito antes de serem perceptíveis na superfície. A análise regular do pote de solda — normalmente realizada mensalmente ou trimestralmente — fornece informações sobre o acúmulo de contaminantes, como cobre, ouro, zinco, alumínio e ferro. Esses elementos podem entrar no pote a partir das terminações dos componentes, do revestimento da placa ou até mesmo da própria liga.
Normas como IPC J-STD-001 e IPC J-STD-006 definem os níveis aceitáveis para esses contaminantes. Exceder esses limites pode levar a uma série de problemas, incluindo:
- Redução da umectação ou do fluxo
- Defeitos nas juntas (por exemplo, vazios ou preenchimento incompleto)
- Alterações no comportamento de fusão da liga de solda
Em sistemas sem chumbo, elementos como níquel e bismuto são particularmente preocupantes devido à sua baixa solubilidade e efeito na formação intermetálica. Quando os níveis de contaminantes se aproximam dos valores limite, as ações corretivas podem incluir diluição com liga nova, remoção de escória com alto teor de contaminantes ou, em casos mais graves, descarte total do recipiente e recarga.
Programas de reciclagem e recuperação de escória
Como os resíduos contêm uma quantidade significativa de metal utilizável, a reciclagem é uma parte importante do controle de custos nas operações de soldagem por onda. Uma boa gestão programa de recuperação permite que os fabricantes recuperem valor do que, de outra forma, seria considerado resíduo. As escórias coletadas podem ser processadas por serviços especializados em recuperação de metais para extrair solda reutilizável, que é então creditada de volta ou devolvida em forma utilizável.
Embora algumas instalações tentem implementar sistemas internos de reciclagem—como equipamentos de redução de escória no local—essas configurações podem apresentar novos desafios. Em muitos casos, esses sistemas dependem de tratamentos químicos ou térmicos que geram fumos, aumentam as demandas de manutenção ou introduzem variabilidade na solda recuperada. Se não for rigorosamente controlada, a reciclagem interna pode levar a uma qualidade inconsistente da liga e a riscos de contaminação.
Para a maioria das operações, trabalhar com um parceiro externo qualificado em recuperação oferece uma solução mais consistente e econômica, garantindo que a solda recuperada atenda aos padrões de qualidade e minimizando a interrupção do processo de produção.
Conclusão
A formação de escória é uma parte inerente à soldagem por onda, impulsionada principalmente pela oxidação na superfície da solda. Em última análise, o controle consistente do processo, a seleção adequada da liga e a manutenção regular oferecem o caminho mais confiável para minimizar a escória e preservar a qualidade da solda. Um sistema de soldagem bem gerenciado não apenas reduz o desperdício de material, mas também oferece estabilidade a longo prazo, confiabilidade do produto e eficiência de fabricação.
Publicado originalmente na Circuitnet