O stencil SMD facilita bastante a montagem de Placas de Circuito Impresso, mas pode apresentar um custo considerável em relação ao custo de se produzir a PCB. Uma alternativa baixo custo seria fazer um stencil caseiro por meio de uma impressora 3D. Portanto, neste post veremos como fazer isso e se é algo realmente viável.

Caso tenha interesse, no canal do Youtube, tem dois vídeos ensinando a soldar componentes.

Informações básicas

O que é o stencil/estêncil

O significado de estêncil (palavra em português), segundo a Wikipédia é (adaptado): técnica usada para aplicar um desenho ou ilustração em uma superfície através do uso de tinta ou aerossol e de uma prancha cortada ou perfurada, tendo o preenchimento do desenho vazado por onde passará a tinta.

Ou seja, o estêncil é uma espécie de molde que auxilia no trabalho em uma superfície. Seguindo a mesma lógica, existe o estêncil SMD, comumente chamado pelo nome em inglês stencil, que serve como molde para a aplicação de solda em pasta de forma fácil nos pads de uma determinada PCB. No caso, ele agiliza a montagem de placas com componentes SMD, que são aqueles montados na superfície da placa.

Na prática, o stencil SMD é, normalmente, uma chapa de aço muito fina feita especificamente para cada projeto de PCB. E ele possui recortes nas mesmas posições dos pads da PCB. Assim, é possível aplicar pasta em solda (a solda em formato pastoso) apenas em cima dos pads de forma fácil, seguindo a mesma lógica de quando alguém utiliza um estêncil para pintar. Veja um exemplo de um stencil abaixo:

Fonte: STENTEC

Por que impressão 3D?

Na atual data, o stencil SMD, em dois sites chineses de fabricação de PCB (JLCPCB e PCBWay), custa cerca de 3 vezes mais que a fabricação da PCB em si. Se você está fazendo um projeto apenas para experimentação ou aprendizado, esse custo pode ser um empecilho. Mesmo assim, o stencil ainda pode ser desejado, já que ele agiliza bastante a montagem das PCBs. Então, é preciso achar uma alternativa baixo custo.

Uma delas é tentar criar o stencil em uma impressora 3D, já que o custo do plástico utilizado e da energia gasta imprimindo stencil parece ser bem menor que o custo do stencil nos sites mencionados (veremos mais à frente). Obviamente estou desconsiderando o preço de se adquirir uma impressora 3D.

Como fazer stencil na impressora 3D

O objetivo do processo todo é gerar um arquivo STL (ou outro usado para impressão) no formato do stencil com as marcações dos pads da PCB. Cheguei a tentar alguns métodos diferentes, como exportar o desenho da PCB, importar em um software de CAD e então gerar um modelo 3D. Entretanto, no caso do EasyEDA (software que usei), o desenho exportado apresentou algumas falhas (pads pequenos), então acabei desistindo.

No fim das contas, acabei descobrindo um processo mais simples, que será explicado nos tópicos seguintes e que independe do software que você usou pra fazer o layout da PCB.

Obtenção dos arquivos importantes

O primeiro passo é criar sua PCB e gerar o Gerber dela. Não pretendo explicar como, pois isso depende muito do software que você está usando.

Com o Gerber gerado, você vai precisar separar dois arquivos: o arquivo contendo a marcação do contorno da PCB e o arquivo contendo a máscara de solda do layer desejado. No meu caso foram os arquivos:

Gerber_BoardOutline

Gerber_TopSolderMaskLayer (máscara de solda do layer superior)

Gerando arquivo stl

Com os dois arquivos anteriores separados, agora é só entrar no site solder-stencil e seguir o passo a passo:

  1. Em “Outline layer file”, clique em “Escolher arquivo” e escolha o arquivo que você separou relativo ao contorno da PCB.
  2. Em “Solder paste layer file”, clique em “Escolher arquivo” e escolha o arquivo que você separou da máscara de solda.
  3. Em “Thickness”, coloque 0,6.
    • É possível ajustar a espessura do stencil de acordo com sua vontade. Cheguei a testar uma espessura de 0,2 mm, mas a impressão falhou em alguns pontos, pois com 0,2 mm, só uma camada foi impressa. Com 0,6 mm, três camadas foram impressas e a impressão não apresentou falhas.
  4. Desmarque a opção “Include a ledge around…”.
    • Sugeri desmarcar, pois achei esse “ledge” desnecessário, mas fique à vontade para experimentar.
  5. Se a sua máscara de solda for do layer inferior da PCB, é preciso marcar a opção “Flip the stencil“.
  6. Por fim, clique em “Convert to STL” e aguarde a pagina gerar seu arquivo.

Modificando arquivo stl

Após gerar o arquivo .stl do stencil, este pode apresentar marcações nas posições onde são soldados os componentes PTH. Como a ideia é usar o stencil pra soldar componentes SMD, eu resolvi ajustar o stencil gerado manualmente na plataforma Tinkercad para tampar os “furos” dos componentes PTH. Para isso, é só criar um novo projeto no Tinkercad e importar o arquivo .stl.

Em seguida, o que fiz foi colocar formas (em vermelho na imagem abaixo) para tampar os furos relativos aos componentes PTH. Veja o resultado na imagem adiante:

ajustes no stl do stencil pelo Tinkercad

Por fim, é só exportar o objeto no Tinkercad. No caso eu exportei como .stl.

Ajustando a impressão

A parte de impressão depende do software que sua impressora usa para fatiamento/slicing do objeto. O importante, pelo que testei, é garantir que o fatiamento gere mais de uma camada para impressão, assim como expliquei no tópico “Gerando arquivo stl”.

Problemas encontrados antes de imprimir

Alguns componentes podem ter a distância entre pads muito pequena (menor que 1 mm), o que pode impossibilitar a correta impressão do stencil. No meu caso, um dos componentes da PCB é um MPU6050, que possui uma distância entre pads de 0,5 mm. Com isso, a parede do stencil entre pads ficou muito fina a ponto de sumir após o fatiamento do objeto.

problema no fatiamento do stl do stencil

Isso também aconteceu com os pinos de um conector micro USB. Teoricamente, minha impressora tem capacidade de imprimir essas divisões, mas o software de fatiamento apresentou essa limitação.

Outro tipo de problema que encontrei foi na geração do .stl pelo site. Por algum motivo, os pads de um CI acabaram sendo unidos e não houve nenhuma separação no stencil.

problema na geração do stl do stencil

Resultados

As imagens adiante mostram o stencil SMD impresso e ele posicionado sobre a PCB:

stencil SMD impresso
stencil SMD sobre a PCB

E o processo de fixar o stencil, passar a solda e posicionar os componentes está apresentado no vídeo seguinte:

Como o vídeo mencionou, infelizmente, minha pasta em solda estava muito velha e isso fez ela virar mais uma cola do que uma solda em si. Com isso, não consegui usar ela pra soldar os componentes, tive que removê-la e soldar os componentes usando solda comum com o bom e velho ferro de solda. Entretanto, o processo todo ainda é válido (comento melhor nas conclusões).

Custos

Para avaliar se o processo realmente valeu a pena em termos de custos, vamos fazer um cálculo básico:

Teoricamente, o stencil consumiu 4,52 g de filamento PLA. Considerando que 1 kg de filamento PLA custa R$140,00 (um pouco acima do valor comum) e que a impressora ficou 1 h imprimindo (arredondando de 41 min pra cima), o custo do stencil foi:

  • Energia: 0,15 kW * 1h = 0,15 kWh * 0,61 R$/kWh = R$0,09.
    • Estimado pela bandeira verde e gasto médio da impressora.
  • Filamento: 140 R$ * 4,52 g / 1000 g = R$0,63.
  • Total: R$ 0,72 por stencil.

Se pegarmos o stencil da JLCPCB como comparação (7 dolares por uma peça), o stencil caseiro chega a ser cerca de 50 vezes mais barato (na data do post). Essa diferença é ainda maior no caso da PCBWay.

Limitações

Vale mencionar dois problemas que observei ao longo desse projeto:

  • Conforme comentei no tópico sobre “Problemas encontrados antes de imprimir”, alguns pads não foram corretamente separados e acredito que isso poderia exigir um retrabalho na hora de soldar os componentes no sentido de que eu teria que usar um ferro de solda para separar os pads após a solda em pasta ter sido derretida.
  • Outra questão é que o stencil SMD caseiro reteve boa parte da solda em pasta nas ranhuras da impressão na hora de espalhar ela. Isso fica bem evidente no vídeo mostrado anteriormente. Veja o quão sujo ficou o stencil após uso:

stencil SMD sujo após uso

Esse problema gerou um desperdício e dificultou a distribuição da solda em pasta, pois mesmo aplicando uma boa quantia, alguns pads ficaram sem solda, pois ela havia sido retida nas ranhuras da impressão. É por esse motivo, que acredito que usar uma máquina de corte à laser para metais seria o ideal, pois o metal é liso e não apresenta essas ranhuras, impedindo que a pasta em solda fique acumulada.

Conclusões e observações finais

Apesar de eu não ter conseguido mostrar efetivamente que o método funcionou por conta da minha solda em pasta velha, acredito que ele teria sido bem sucedido sim, pois a solda foi corretamente direcionada para dentro dos pads dos componentes.

Como alguns pads foram “unidos” no processo da geração e fatiamento do stl, acredito que eles exigiriam um retrabalho e separação manual usando um ferro de solda.

De toda forma, o processo foi viável em termos de custo, mas, em contrapartida, uma quantia de solda acaba sendo desperdiçada ao ficar retida nas ranhuras da impressão, fato que não é evidente no stencil feito de aço (há apenas um pequeno desperdício).

Então, se você for seguir o projeto, tenha em mente as limitações citadas.

Componentes eletrônicos SMD e PTH