Às 2h da manhã da última quarta-feira, a linha de produção disparou repentinamente um alarme e desligou. O AOI relatou continuamente ponte e solda insuficiente em todas as posições do resistor 0201 em 23 placas-mãe. Paramos imediatamente a linha, removemos as placas e as observamos sob uma lupa, encontrando rebarbas graves e colapsos locais nas bordas das impressões da pasta de solda. A mesma impressora estava funcionando normalmente naquela manhã, o que indicava que o problema não era o envelhecimento do equipamento, mas uma mudança abrupta nas condições da pasta de solda. Uma inspeção mais aprofundada revelou uma leve estratificação no fundo do frasco de pasta de solda e resíduos secos e crostosos ao longo da borda do rodo, confirmando que a pasta de solda Sn63Pb37 foi armazenada a 28°C em temperatura ambiente por mais de 72 horas, causando volatilização acelerada do Fluxo. A resposta de emergência foi substituir a pasta de solda e limpar completamente o estêncil com álcool isopropílico, mas 147 PCBs já haviam sido descartados naquele dia.
Por trás dessa falha está a extrema sensibilidade da pasta de solda Sn63Pb37 à temperatura, umidade e tempo de exposição. Ao contrário de algumas pastas de solda sem chumbo, não contém solventes com alto ponto de ebulição; seu fluxo à base de colofônia perde 0,3% de sua atividade para cada hora adicional de exposição acima de 25°C, fazendo com que a taxa de defeitos de liberação de impressão aumente em 12%. Mais problemático é que quando uma falha súbita do ar condicionado da oficina elevou a temperatura até 32°C, a viscosidade da pasta de solda caiu de 750 Pa·s para 420 Pa·s em 3 horas, resultando diretamente em deposição irregular de solda sob o rodo e preenchimento insuficiente da abertura do estêncil. Se a produção tivesse sido forçada a continuar naquele ponto, 90% dos componentes QFN teriam exibido bolas de solda ou vazios excessivos durante o refluxo subsequente.
A solução a longo prazo para a causa raiz não é simplesmente mudar de fornecedor, mas gerenciar a pasta de solda Sn63Pb37 como um produto químico altamente ativo. Deve ser fornecido um refrigerador de pasta de solda com temperatura e umidade controlada (ajustado para 20±1°C, 50±5% UR). Após cada abertura da tampa, o ar dentro do frasco deve ser deslocado com nitrogênio antes de vedar novamente. Toda a pasta de solda deve ficar equilibrada em temperatura ambiente por 45 minutos após ser retirada da geladeira antes do uso; o tempo de equilíbrio insuficiente pode fazer com que a água de condensação se misture à pasta e desencadeie o estouro de refluxo. Certa vez, experimentamos microfissuras em juntas de solda em lote em um conjunto de placas de interface USB devido a isso, e a inspeção por raios X mostrou todas as rachaduras propagadas ao longo da camada IMC, causadas exatamente pelo impacto da vaporização por condensação.
A chave para a prevenção é estabelecer um registro do ciclo de vida da pasta de solda. Cada frasco deve ser rotulado com o horário de abertura, minutos de exposição cumulativa, número de ciclos de reaquecimento e curva de temperatura e umidade do dia. Quando um único frasco excede 280 minutos de exposição cumulativa ou passa por mais de três ciclos de reaquecimento, deve ser descartado mesmo que sua aparência seja normal. Isso ocorre porque o chumbo na pasta de solda Sn63Pb37 acelera a oxidação da colofônia e os produtos de oxidação não podem se decompor totalmente no pico de refluxo de 217°C, deixando uma zona de ligação fraca na interface da junta de solda. Este perigo oculto não aparece em testes de envelhecimento à temperatura ambiente, mas irá manifestar-se principalmente como juntas de solda abertas durante o 37º ciclo de choque térmico de -40°C.
Outro verdadeiro problema é o refluxo secundário da placa dupla-face. Quando o segundo lado é soldado com pasta de solda Sn63Pb37, as juntas de solda com chumbo já formadas no primeiro lado sofrerão recristalização e engrossamento IMC à medida que passam novamente pelo ponto de fusão de 217°C. Descobrimos em uma placa T-CON automotiva que a resistência ao cisalhamento das juntas de solda inferiores BGA caiu 38%. A causa raiz é que o aquecimento repetido das juntas de solda Sn63Pb37 gera composto intermetálico PbSn3 excessivo; esta fase é dura e quebradiça, com um fator de concentração de tensão 2,4 vezes maior que o das juntas de solda por refluxo único. Portanto, para todos os projetos atuais de montagem mista de dupla face, o segundo lado deve usar pasta de solda de baixa temperatura com ponto de fusão abaixo de 183°C, mesmo que os custos aumentem em 17%, para evitar falha por fadiga da junta de solda.
Há também a questão da vida útil do estêncil. Os íons de chumbo na pasta de solda Sn63Pb37 têm um efeito corrosivo lento em estênceis de aço inoxidável, especialmente estênceis cortados a laser com tamanhos de abertura menores que 0,25 mm. Após 48 horas de uso contínuo, podem ser observados pontos de corrosão em escala de 0,8 μm nas paredes da abertura sob um microscópio. Esses microdefeitos reduzem a taxa de transferência da pasta de solda de 89% para 73%, refletida diretamente como uma taxa de deslocamento dobrada para juntas de solda do capacitor 0402. A solução não é a substituição frequente do estêncil, mas sim a limpeza ultrassônica obrigatória com solução de ácido cítrico pH = 3,2 por 15 minutos a cada 20.000 impressões, para neutralizar íons de chumbo residuais e restaurar o filme de passivação da parede da abertura. Caso contrário, uma vez que os poços se expandam, mesmo a nova pasta de solda não poderá recuperar a precisão perdida.
Finalmente, em relação ao retrabalho: ao aquecer localmente as juntas de solda Sn63Pb37 com uma pistola de ar quente, se o fluxo de ar exceder 28 L/min ou a temperatura exceder 320°C, o levantamento da almofada é extremamente provável. Isso ocorre porque a presença de chumbo faz com que a taxa de crescimento do IMC entre a junta de solda e a folha de cobre seja 1,6 vezes mais rápida do que sem chumbo, e o pico da força de ligação interfacial ocorre a 217°C com 90 segundos de permanência. Além desta janela, a folha de cobre da almofada será arrancada pelo estresse térmico. Certa vez, comprimimos o tempo de pré-aquecimento para 12 segundos para acelerar os reparos em uma placa-mãe de controle industrial e, como resultado, todos os pads de uma linha inteira de chips SOP8 foram levantados. O único remédio eram fios voadores. Portanto, o retrabalho das juntas de solda Sn63Pb37 deve seguir rigorosamente 217°C±3°C com 85–95 segundos de permanência; um segundo a mais ou a menos criará um risco oculto de distanciamento.
