Métodos alternativos de fixação para componentes de circuitos impressos
Authors:   , Marques André Canal 
Published: October 2023

The growing demand for innovation and the ever-shorter product lifespan result in a great amount and diversity of waste disposal at dumps and landfills. One of the fastest growing waste types nowadays is e-waste. Consequently, Printed Circuit Boards (PCBs), which are the basis of the electronic industry, have become a serious social problem and a threat to the environment. Wasted PCBs recycling processes, therefore, have been extensively investigated. These processes can be quite complex and expensive since the recycling of PCBs involves a variety of materials and components that are not easily separated. Recently, there has been a change in the way PCBs are fixed. The traditional Sn-Pb solder has been substituted for a Lead-Free solder in an attempt to minimize the toxic composition of the first. Nevertheless, this substitution has not solved the problem of component separation for future reuse and/or recycling. The present work aims at developing and testing possible alternative fixing methods for the components in printed circuits without the use of a metallic solder in order to facilitate its subsequent recycling process. The first step was the study of the components and materials present in PCBs with emphasis on the types of solders used and the required fixing properties. Then, new fixing methods were proposed, followed by the development of prototypes and tests. These initial tests were undertaken in a laboratory at the Vilanova i La Geltrú Campus, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Spain. At this stage, the main objective was to test the initially chosen proposal for further studies. The final tests, comparing the ultimate proposal with boards that employ commercially conventional fixing systems were done at Instituto Tecnológico em Ensaios e Segurança Funcional (Itt Fuse), Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS) in Brazil. The final prototype version was assembled by a PCB company to ensure its reliability. Thermal cycling, vibration and salt-spray tests were conducted with continuity and inspection x-ray visual analysis both during and after the tests. The tests showed that, for the type of product proposed (reliability category product class 1), norm IPC-A-600G (IPC, 2004), the ultimate proposal for a Concept board fulfilled all functioning requirements when compared to the traditional Sn-Pb and the Lead-Free systems. Thus, results point at potential further studies on the environmental impact of this alternative type of PCB.

Con la creciente demanda de innovación y la reducción gradual de la vida útil de los productos, éstos generan residuos y, en consecuencia, aumentan enormemente el volumen de basureros y rellenos sanitarios. En la actualidad, uno de los segmentos de tal volumen son los residuos tecnológicos. Esto se refleja en las placas de circuito impreso (PCIs), base de la industria electrónica, y las transforma en un grave problema social y una amenaza para el medio ambiente. El descarte de este tipo de residuos se hace difícil y su reciclaje, complejo y costoso, por causa de la diversidad de materiales y componentes existentes, y su difícil separación. Actualmente, las PCIs presentan problemas de fijación, donde se utiliza soldadura tradicional de Sn-Pb y que se pretende reemplazar por diversas aleaciones sin plomo (Leadfree). El objetivo de esta sustitución es minimizar el problema da Sn-Pb considerada tóxica; sin embargo, no altera el problema de separación de componentes para posterior reutilización o reciclaje. En el presente trabajo, se desarrollaron y caracterizaron métodos de fijación alternativos para componentes de circuitos impresos, con el fin de diseñar y evaluar un sistema de fijación exento de soldadura metálica, para facilitar el posterior reciclaje. Entonces, se estudiaron los diversos componentes y materiales existentes en PCIs, con énfasis en los tipos de soldadura utilizados, donde se investigaron las propiedades necesarias para la fijación. Luego, se presentaron las propuestas de nuevas formas de fijación de componentes, se elaboraron prototipos y se realizaron las evaluaciones correspondientes. La evaluación inicial se llevó a cabo en los laboratorios del Campus Vilanova i la Geltrú, da la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya), España, donde se buscaba verificar el funcionamiento de la propuesta inicial elegida, para dar continuación al trabajo. La evaluación final incluye la comparación de la propuesta final con placas que utilizan sistemas comerciales convencionales de fijación, y se ejecutó en el Itt Fuse (Instituto Tecnológico em Ensaios e Segurança Funcional) da UNISINOS (Universidade do Vale do Rio dos Sinos). El prototipo definitivo, de la propuesta, lo fabricó y lo ensambló una empresa de ensamblado de PCIs, para mayor confiabilidad. Se realizaron ensayos de ciclado térmico, vibración y niebla salina, así como análisis visual y de continuidad, e inspección por rayos X, antes, durante y después de cada ensayo. Los resultados mostraron que, para el tipo de producto propuesto (categoría de confiabilidad producto clase 1), norma IPC-A-600G (IPC, 2004), la propuesta final de la placa Conceito, cumplió con los requisitos de funcionamiento de la placa, en comparación con los sistemas tradicionales de Sn-Pb y Lead-free. De esta forma, está demostrado el potencial para continuar con estudios futuros, con énfasis en el impacto ambiental de las PCIs.

Com a crescente demanda por inovação e o fato dos produtos apresentarem cada vez mais uma vida útil reduzida, estes geram resíduos e aumentam enormemente o volume dos lixões e aterros sanitários. Um dos segmentos de grande volume atualmente é o resíduo tecnológico. Isto reflete nas placas de circuito impresso (PCIs) que são a base da indústria eletrônica, que as torna em um grave problema social e uma ameaça ao meio ambiente. Esse tipo de resíduo é de difícil descarte, tendo em vista que sua reciclagem é complexa e cara, devido à diversidade de materiais e componentes existentes e sua difícil separação. As PCIs apresentam recentemente um problema de fixação, que está migrando da solda tradicional Sn-Pb para diversas ligas sem chumbo (Lead-Free). Esta substituição tenta minimizar o problema da solda Sn-Pb considerada tóxica; porém não altera o problema da separação dos componentes, para posterior reutilização e/ou reciclagem. No presente trabalho buscou-se o desenvolvimento e caracterização de métodos alternativos de fixação para componentes de circuitos impressos, com o objetivo de projetar e testar um sistema de fixação sem a utilização da solda metálica, para facilitar assim a reciclagem posterior deste tipo de produto. Para isso, estudaram-se os componentes e materiais existentes em PCIs, com foco nos tipos de solda utilizados, onde investigou-se as propriedades requeridas para fixação. Após, foram propostas novas formas de fixação dos componentes, realizaram-se protótipos e testes. Os testes iniciais foram realizados no laboratório do Campus Vilanova i la Geltrú, da UPC (Universitat Politècnica de Catalunya), Espanha, onde buscou-se testar o funcionamento inicial da proposta escolhida para continuação do trabalho. Os testes finais, comparando a proposta final em relação às placas com sistemas comerciais convencionais de fixação, foram realizados no Itt Fuse (Instituto Tecnológico em Ensaios e Segurança Funcional) da UNISINOS (Universidade do Vale do Rio dos Sinos). O protótipo definitivo, da proposta foi obtido e montado por uma empresa de montagem de PCI’s para maior confiabilidade. Foram realizados testes de ciclagem térmica, vibração e névoa salina, tendo sido realizadas análises visuais, de continuidade e inspeção por raios X, antes, durante e após os testes. Os testes demonstraram que, para o tipo de produto proposto (categoria de confiabilidade produto classe 1), norma IPC-A-600G (IPC, 2004), a proposta final de placa Conceito atendeu os requisitos de funcionamento da placa, comparando com os sistemas tradicionais Sn-Pb e Lead-free. Isso demonstra potencial para seguir com mais estudos relacionados, tendo como foco o impacto ambiental dessas placas de circuito impresso.