projeto lead free

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DO ESTADO DE SÃO PAULO
SOLDAGEM LEAD FREE
Leandro Carvalho Marçal de Lima
Ramon da Silva Araujo
São Paulo
2013
LEANDRO CARVALHO MARÇAL DE LIMA
RAMON DA SILVA ARAUJO
SOLDAGEM LEAD FREE
Pesquisa científica apresentada à disciplina de Metodologia da Pesquisa Científica Tecnológica da Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo
Orientador: Prof. Roberto Kanaane, Dr.
São Paulo
maio de 2013
“Eu jamais vi ferreiros em embaixadas e fundidores em missões. O que vejo sempre é o operário em seu trabalho; ele se consome nas goelas de seus fornos.”
PAPIRO SELLER II, 2360 a.C.
II
Agradecimentos
Aos nossos pais, que são a base e teto para que busquemos vencer esta etapa. Agradecemos por confiarem em nós.
Ao Professor Dr. Roberto Kanaane, que vem desde Psicologia nas Organizações I nos auxiliando em trabalhos acadêmicos e, principalmente, em como melhorarmos como pessoa e em nosso relacionamento interpessoal.
III
Resumo
A preocupação em relação ao impacto ambiental gerado pela utilização da soldagem de componentes eletrônicos com ligas de estanho-chumbo levou as grandes empresas a investirem em pesquisas para a solução deste problema. Uma solução encontrada foi substituir o chumbo por outros elementos, pois o chumbo é um elemento químico tóxico que pode contaminar o ar, a água e o solo. Esta substituição de ligas contendo chumbo por ligas metálicas sem chumbo foi um requisito imposto pelas diretivas europeias atuais para produtos eletroeletrônicos fabricados em outros países poderem adentrar na Europa. Este projeto visa, portanto, apresentar uma pesquisa bibliográfica que foca a influência e os benefícios da soldagem Lead Free (sem chumbo) tanto para o meio ambiente quanto para o ser humano.
Palavras-chave: impacto ambiental, soldagem, componentes eletrônicos, estanho-chumbo, problema, substituir, diretivas europeias, Lead Free.
IV
Abstract
The concern over the environmental impact generated by the use of welding of electronic components with tin-lead alloys, led big companies to invest in research to solve this problem. One solution was to replace lead by other elements, because lead is a toxic chemical element that can contaminate the air, water and soil. This replacement of alloys containing lead for lead-free alloys was a requirement imposed by current European directives for electronic products manufactured in other countries may enter in Europe. This paper, therefore, aims to present a literature review that focuses on the influence and benefits of welding Lead Free (unleaded) for both the environment and to humans.
Keywords: environmental impact, Welding, electronic components, tin-lead alloys, problem, replace, European directives, Lead Free.
V
Índice de Figuras
	
	Pág.
	FIGURA 1: Escala de pH
	13
	FIGURA 2: Aspecto final das soldas chumbo-estanho e Lead Free
	16
VI
Índice de Tabelas
	
	Pág.
	TABELA 1: Cronograma do Primeiro Semestre de 2013
	19
	TABELA 2: Cronograma do Segundo Semestre de 2013 e Primeiro Semestre de 2014
	19
VII
Sumário
	
	Pág.
	Agradecimentos
	III
	Resumo
	IV
	Índice de Figuras
	VI
	Índice de Tabelas
	VI
	1 Problema
	9
	1.1 Introdução
	9
	1.2 Objetivos (final e intermediário)
	10
	1.3 Delimitação do Estudo
	11
	1.4 Relevância do Estudo
	11
	1.5 Definição dos Termos
	11
	2 Referencial Teórico
	13
	2.1 Chuva Ácida e o Chumbo
	13
	2.2 Chumbo e a Saúde
	13
	2.3 Solda Livre de Chumbo na Eletrônica
	14
	3 Metodologia
	16
	3.1 Tipo de Pesquisa
	16
	3.2 Coleta de Dados
	16
	3.3 Análise de Dados
	17
	3.4 Limitações do Método
	18
	4 Cronograma
	19
	5 Referências
	20
VIII
1 Problema
Ter rótulo “verde” é uma característica cada vez mais valorizada pelas empresas na promoção dos seus produtos, principalmente aqueles que utilizam produtos nocivos. O que pode diferenciar uma empresa de outra é a utilização de produtos ecologicamente corretos e a retirada do chumbo de soldas eletrônicas é o mais novo diferencial, mas para isso é necessário tempo e dinheiro para a pesquisa de novos métodos de soldagem, produtos adaptados aos novos métodos e principalmente de novas ligas.
 	Mudanças geram novos resultados, sendo assim necessário levantar a seguinte questão: como a utilização da soldagem, livre de chumbo, irá influenciar no setor técnico e no meio-ambiente?
1.1 Introdução
Nos últimos anos, os grandes fabricantes de produtos eletroeletrônicos, como por exemplo, a AOC, Sony, Philips, Philco, Samsung e tantas outras, têm usado um processo de soldagem designado como Lead Free na solda de seus componentes eletrônicos. 
O processo de soldagem Lead Free (livre de chumbo) foi criado a partir da necessidade de banir as substâncias que causam danos ao homem e ao meio ambiente e para isso, uma norma da RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances) surgida na Europa determinou que, a partir de 1º de julho de 2006, produtos contendo chumbo não podem ser comercializados na Europa.
Anteriormente, a maioria dos componentes eletrônicos eram soldados com uma liga eutética de estanho e chumbo, sendo este último um elemento que possui elevada toxidade (KLAASSEN e WALTKINS, 2012, P. 329).
A solda estanho-chumbo que era muito utilizada na soldagem de componentes eletrônicos é uma mistura de ambos os componentes que se aproxima de uma composição de 63% de estanho e 37% de chumbo. Esta liga eutética apresenta um ponto de fusão de aproximadamente 183 ºC. Essa proporção tem o menor ponto de fusão que qualquer outra proporção. Isso permite que, utilizando essa liga, o processo de soldagem possa ocorrer em temperaturas mais baixas possíveis, o que minimiza a possibilidade de danos nos componentes eletrônicos.
Uma liga de solda livre de chumbo (Lead Free) pode ter um ponto de fusão de até 227 ºC, dependendo da quantidade de prata (Ag), índium (In), zinco (Zn), antimônio (Sb), cobre (Cu) ou bismuto (Bi) como material de adição. Esta diferença de temperatura pode ocasionar problemas ao processo de produção e/ou materiais, se estes não forem adaptados a esta diferença de temperatura. Em circuitos impressos, altas temperatura podem causar danos termais ou empenamento da placa, semicondutores e outros materiais eletrônicos. Outro problema está no tipo de fluxo usado, fluxos usados em solda chumbo-estanho não seriam eficientes em soldas livre de chumbo, pois causa baixa molhabilidade do material base e junção ineficiente, e gera custos para desenvolvimento de novos tipos de fluxos.
Placas de circuito impresso utilizam este tipo de solda para que os componentes eletrônicos sejam fixados, e elas estão presentes em todos os produtos eletrônicos. A constante evolução de produtos eletrônicos e consumismo faz com que os produtos obsoletos sejam descartados em grandes volumes, e algumas regiões não têm o controle devido deste descarte e o mesmo acaba ocorrendo em aterros sanitários comuns (LIMA, 2009, p. 70). Quando ocorrem chuvas ácidas, a água da chuva dissolve o chumbo e este flui para solo e lençol freático que contamina a água e seres que dependem dela. As principais vias de exposição ao chumbo são: oral, inalatória e digestiva. O chumbo pode causar efeitos no sangue, medula óssea, sistema nervoso central e periférico e rins, resultando em anemia, inapetência (anorexia), encefalopatia, dores de cabeça; dificuldade de concentração e memorização, depressão, tonturas, sonolência, fadiga, irritabilidade, cólica abdominal e dores musculares, dores nos ossos e articulações, insuficiência renal e hipertensão.
A saúde organizacional está diretamente ligada a este processo, pois deve viabilizar condições laborais que garantam a saúde física e psicológica do colaborador, e também deve proporcionar o bem estar social (MACEDO, 2012, p. 48 a 51)
Objetivos (final eintermediário)
 O presente projeto tem como objetivo identificar a influência da soldagem livre de chumbo na área tecnológica e ambiental; assim como citar os benefícios, pontos limitativos e nocivos do processo.
Demonstrar através de pesquisa bibliográfica os resultados que a mudança da utilização de solda chumbo-estanho para a solda livre de chumbo pode ocasionar no processo de soldagem e sinalizar a eficácia da soldagem em placas de circuito impresso de equipamentos eletroeletrônicos.
Delimitação do Estudo
Analisar as características finais da solda Lead Free e verificar se este processo será eficaz em placas de circuitos eletrônicos (circuito impresso).
Relevância do Estudo
Este estudo é direcionado à pesquisa de novos meios para amenizar os danos causados por substâncias tóxicas (chumbo) ao homem e meio-ambiente. Através deste projeto será possível comparar os tipos de ligas alternativas para a soldagem de placas de circuitos impressos e assim a eliminação do uso de chumbo na soldagem.
Definição dos Termos
Lead Free: livre de chumbo
Liga Eutética: mistura de compostos ou elementos químicos, que apresentam ponto de fusão o mais baixo possível. Durante solidificação apresentam duas fases sólidas.
Chuva ácida: a presença de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio (NO, NO2, N2O5) na atmosfera que, quando em contato com o hidrogênio em forma de vapor, formam ácidos, ácido nítrico (HNO3) ou o ácido sulfúrico (H2SO4).
Molhabilidade: é a tendência de um determinado fluído espalhar ou aderir sobre uma superfície sólida.
Anemia: doença caracterizada pela deficiência na concentração da hemoglobina, assim, a capacidade do sangue em transportar oxigênio para os tecidos fica reduzida.
Inapetência (anorexia): perda ou ausência de apetite.
Encefalopatia: síndrome com alterações cerebrais (insônia, agitação, diminuição de inteligência) decorrentes da má função hepática (cirrose ou hepatite).
Hipertensão: doença crónica determinada por elevados níveis de pressão sanguínea nas artérias.
pH: potencial hidrogeniônico, consiste num índice que indica a acidez, neutralidade ou alcalinidade de um meio qualquer.
Plasma: componente líquido do sangue, no qual as células sanguíneas estão suspensas.
Eritrócitos: também chamados de hemácias.
Eletroeletrônicos: equipamentos que são compostos por componentes eletrônicos e utilizam energia elétrica.
“Solda fria”: termo utilizado por soldadores para descrever uma descontinuidade em soldas chumbo-estanho.
Refusão (reflow): derreter (fundir) a liga da pasta de solda expondo a mesma a uma fonte de calor por irradiação.
Referencial Teórico
Chuva Ácida e o Chumbo
Na antiguidade o homem se envenenava ao ingerir vinho reservado em recipientes feitos de chumbo, a leve acidez do vinho dissolvia o metal do recipiente e tornava a bebida tóxica, mas que ao gosto deles era melhor do que o vinho reservado em recipiente cerâmico. Atualmente o chumbo continua sendo produto de intoxicação para o ser-humano e meio-ambiente, devido ao controle precário, em algumas regiões do mundo, sobre o descarte do mesmo. “Danos suplementares aos animais, às plantas e ao homem derivam do fato de que as chuvas ácidas tornam móveis alguns metais pesados perigosíssimos: mercúrio, chumbo, cadmio, níquel e plutônio” (TIEZZI, 1988, p.140). As chuvas ácidas apresentam pH abaixo de 7, retângulo vermelho em destaque na Figura 1, este valor (ácido) é capaz de dissolver partes do chumbo exposto (aterros sanitários inadequados) a este tipo de chuva, este metal dissolvido/móvel flui para lençóis freáticos e solo, deixando-os contaminados.
Figura 1: Escala de pH
Extraído de: http://www.laureentai.com.br/arquivos/c_tabela_ph_42686896.jpg
 Chumbo e a Saúde
Segundo Brena (2009, p. 149), “o chumbo é um dos tóxicos metálicos que mais tradicionalmente afetam o homem. O chumbo é apontado como uma das possíveis causas da queda do Império Romano, devido ao alto grau de intoxicação da população e aos seus efeitos, que possivelmente ocasionaram a desorganização do império ao longo dos anos e os problemas de reprodução humana.”
A exposição ocupacional ainda é uma forma de contaminação significativa para trabalhadores de fundições, refinarias, pintores automotivos, soldadores (solda chumbo-estanho) e atividades de reciclagem do chumbo. Devido ao transporte de resíduos de chumbo do local de trabalho para casa, por meio de roupas, sapatos e cabelos, existe a possibilidade de contaminação dos filhos dos trabalhadores.
Compostos de chumbo penetram no organismo por via respiratória, digestiva e cutânea, sob a forma de vapores, fumos, poeiras, névoas ou alimentos contaminados. Após a penetração, o chumbo passa para o sangue, onde se estabelece um rápido equilíbrio plasma e eritrócitos. (BELLUSCI, 2008, p. 36)
A exposição do colaborador ao chumbo provoca a doença ocupacional chamada de Saturnismo, que apresenta sintomas como: cólicas abdominais, insônia, má digestão, inapetência, anemia, dentre outros (BREVIGLIERO, POSSEBON e SPINELLI, 2006, p. 53).
 Solda Livre de Chumbo na Eletrônica
As indústrias do setor (eletrônica) têm sido pressionadas por organizações ambientais para que as ligas estanho-chumbo usadas em solda, sejam substituídas por ligas livres de chumbo. Pesquisas devem ser realizadas para avaliar os resultados das soldas livre de chumbo, e encontrar a liga mais adequada para determinada aplicação. O maior desafio da solda livre de chumbo é a sua temperatura de fusão (227 ºC), que é muito mais elevada do que a solda convencional de chumbo-estanho (183 ºC) (NOGUEIRA, QUEIROZ-NETO e MANZATO, 2007). Os componentes eletrônicos não são projetados para serem soldados nesta faixa de temperatura e podem ser danificados pela alta temperatura de soldagem, os fluxos também apresentam o mesmo problema de temperatura (GANESAN e PECHT, 2006, p. 2).
O estanho tem sido mantido por várias razões: ser o principal constituinte da solda eutética Sn/PB, ter ponto de fusão em torno de 230 ºC, formando ligas que atingem a fase líquida em temperatura desejáveis; estar disponível na natureza como minérios de relativa abundância; ter custo razoável; formar ligas eutéticas com alguns metais (FIORUCCI, FILHO E OLIVEIRA, 2012, p. 128).
Empresas que aderiram ao programa Lead Free precisam fazer testes e estudos para determinar qual liga será melhor para o seu tipo de processo, e estes resultados acabam não sendo divulgados, pois se tornam segredos industriais e arma para avanço em tecnologia e promoção de empresa verde.
Metodologia
Tipo de Pesquisa
A pesquisa científica tecnológica será realizada com base em bibliografias, tomando como principal suporte o artigo: O impacto do uso de solda Lead Free no processo de tecnologia de montagem em superfície (NOGUEIRA, QUEIROZ-NETO e MANZATO, 2007), que expõe um estudo de caso realizado no Polo Industrial de Manaus de industriais de eletroeletrônicos que aderiram ao novo processo.
 Coleta de Dados
Através da leitura de diversas bibliografias relacionadas ao Lead Free pode-se extrair diversos resultados relacionados à eficiência das novas ligas e quanto à saúde e desempenho do colaborador da área.
Várias ligas binárias e ternárias livre de chumbo, assim como estanho-prata, estanho-bismuto, antimônio-prata-cobre, estanho-prata-cobre, estão sendo consideras como alternativas para a solda chumbo-estanho.
O aspecto final da solda (solidificada) é consideravelmente diferente da solda chumbo-estanho, com aparência rugosa e sem brilho parecendo uma “solda fria”. A Figura 2 (a) e (b) exemplificam o aspecto final de ambos os processos.
Figura 2 – Aspecto final das soldas chumbo-estanho e Lead Free
(b)-Lead Free
(a)-chumbo-estanho
Extraído de: O impacto do uso de solda lead free no processo de tecnologia de montagem em superfície (NOGUEIRA, QUEIROZ-NETO e MANZATO, 2007)
A mudança para o novo processo deve causar mudanças na linha de produção, sendoassim necessário o treinamento dos colaboradores para que absorvam o novo padrão de soldagem. Supõe-se que após o treinamento dos colaboradores haverá alterações na taxa de produção.
A mudança também apresentará alterações no custo de produção, tanto na compra das ligas de soldagem quanto na compra de componentes adaptados ao processo.
Em curto prazo não é possível afirmar que a solda Lead Free irá ser benéfica aos colaboradores e meio-ambiente. 
 Análise de Dados
O projeto irá identificar se a liga mais adequada para ser usada pelas empresas de eletroeletrônicos é a liga ternária SAC (Sn-3,9Ag-0,6Cu(±0,2%)). O procedimento de soldagem será realizado de maneira manual, a soldagem será feita entre um componente eletrônico e uma placa de circuito eletrônico específicos para o processo Lead Free. Deverão ser registrados os dados: custo da liga, custo do componente, custo da placa, ponto de fusão do fluxo, ponto de fusão da liga, molhabilidade da liga fundida, tempo para realização do processo, manuseio/facilidade de soldagem do colaborador e características visuais da solda finalizada. 
Os componentes de tecnologia de montagem em superfície (SMT) dispensam a necessidade de furação do circuito impresso e deverão ser montados em cima da superfície da placa, nas quais já possuem uma pasta de solda já previamente depositada ou em cima de uma cola a qual é depositada na placa para aderir no meio do componente.
Para o uso de pasta de solda, deve-se montar componente diretamente em cima desta pasta (já previamente depositada) e solda-la pelo processo de refusão (reflow).
No caso do uso da cola deve-se "curar" a mesma por um processo de aquecimento controlado após ter montado o componente na placa. Após a cura, a placa de circuito impresso com os componentes montados poderá passar pelo processo produtivo sem que os componentes sejam danificados ou caiam.
Se tratando de componentes que não exercem resistência mecânica, não será necessário teste mecânicos.
 Limitações do Método
O método limitou-se às bibliografias publicadas em meios físicos e digitais, portanto não foi possível proporcionar a realização do método experimental de soldagem. O pouco tempo para pesquisa e a falta de laboratório também contribuíram para que tal finalidade não fosse dimensionada.
Cronograma
Tabela 1 – Cronograma do Primeiro Semestre de 2013
	Etapas
 Meses
	Jan
	Fev
	Mar
	Abr
	Mai
	Jun
	
	
	
	
	
	Escolha do tema
	
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	Pesquisa bibliográfica
	
	
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	Coleta de dados
	
	
	
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	Revisão do texto
	
	
	
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	Preparação dos slides
	
	
	
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	x
	
	
	
	
	
	
	Apresentação
	
	
	
	
	x
	x
	
	
	
	
	
Tabela 2 – Cronograma do Segundo Semestre de 2013 e Primeiro Semestre de 2014
	Etapas 
 Meses
	Jul
	Ago
	Set
	Out
	Nov
	Dez
	Jan
	Fev
	Mar
	Abr
	Mai
	Jun
	Reformulação do projeto
	x
	x
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	Leitura da bibliografia
	
	
	x
	x
	
	
	
	
	
	
	
	
	Análise dos dados
	
	
	
	
	x
	x
	x
	
	
	
	
	
	Tratamento dos dados
	
	
	
	
	
	
	
	x
	x
	
	
	
	Revisão do texto
	
	
	
	
	
	
	
	
	
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	x
	
	Defesa
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	x
Referências
ABNT NBR 6023:2002 – Informação e documentação – Referências – Elaboração
ABNT NBR 6024:2003 – Informação e documentação – Numeração progressiva das seções de um documento escrito – Apresentação
ABNT NBR 14724:2011 – Informação e documentação – Trabalhos acadêmicos – Apresentação
BELLUSCI, S. M. Doenças profissionais ou do trabalho. 11ª ed. São Paulo: SENAC, 2008.
BRENA, A. N. A Chuva Ácida e os seus Efeitos sobre as Florestas. 2ª ed. São Paulo: Cultura, 2009.
BREVIGLIERO, E; POSSEBON, J; SPINELLI R. Higiene Ocupacional: agentes biológicos, físicos e químicos. 5ª ed. São Paulo: SENAC, 2006.
FIORUCCI, A; FILHO E; OLIVEIRA, N. Os alótropos do estanho. Química nova na escola, São Paulo, v. 34, n. 3, p. 124-130, ago. 2012.
GANESAN, S; PATCH, M. Lead-Free Electronics. 1ª ed. Nova Jersey: John Wiley and Sons, 2006.
KLAASSEN, C; WALTKINS, J. Fundamentos em Toxicologia. 2ª ed. New York: McGraw-Hill, 2012.
LAKATOS, E. M; MARCONI, M. de A. Fundamentos de Metodologia Científica. 3ª ed. São Paulo: Atlas, 1995.
LIMA, A. B. Para entender a internet. 1ª ed. São Paulo: Atlas, 2009.
MACEDO, R. B. Segurança, saúde, higiene e medicina do trabalho. 2ª ed. Curitiba: IESDE, 2012.
NOGUEIRA, A; QUEIROZ-NETO, P; MANZATO L. O impacto do uso de solda lead free no processo de tecnologia de montagem em superfície (SMT). João Pessoa: 2007.
SUBRAMANIAN, K. Lead-Free Solders. 1ª ed. Nova Jersey: Wiley, 2005.
TIEZZI, E. Tempos Históricos, Tempos Biológicos. 1ª ed. São Paulo: Nobel, 1988.
Banco de Dados:
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<www.ecnmag.com/articles/2011/12/was-lead-free-solder-worth-effort> Acesso em: 1/maio
<www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=090110010907> Acesso em: 15/março
<leadfree.ipc.org/files/RoHS_16.pdf> Acesso em: 15/março
<smd-on-line.com/leadfree.htm> Acesso em: 10/abril
<www.soldabest.com.br/tecnicas_soldagem.htm> Acesso em: 9/abril
<zonaderisco.blogspot.com.br/2008/05/ecolgico-mas-ruim-soldas-sem-chumbo.html> Acesso em: 20/março