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:
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:
- Em “Outline layer file”, clique em “Escolher arquivo” e escolha o arquivo que você separou relativo ao contorno da PCB.
- Em “Solder paste layer file”, clique em “Escolher arquivo” e escolha o arquivo que você separou da máscara de solda.
- 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.
- Desmarque a opção “Include a ledge around…”.
- Sugeri desmarcar, pois achei esse “ledge” desnecessário, mas fique à vontade para experimentar.
- Se a sua máscara de solda for do layer inferior da PCB, é preciso marcar a opção “Flip the stencil“.
- 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:
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.
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.
Resultados
As imagens adiante mostram o stencil SMD impresso e ele posicionado 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:
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
Excelente post
Muito obrigado, Marcelo!
excelente ideia, talvez alguns ajustes no fatiador e na impressora resolveria alguns problemas, na impressora eu verificaria o nivelamento da mesa e colocaria um nozzle de 0.1(nao esquecendo de mudar esse parâmetro no fatiador) ajustaria o z-offset de modo que nao esmague tanto o filamento na mesa e a retraçao, (pra nao ter aquele risco quando o bico se move em cima da impressão), nas configuracoes do fatiador eu mudaria a altura da camada, inicialmente pra 0.1. tentaria ajustar a largura de extrusão, e a compensação x y pra tentar resolver os problemas dos pads pequenos no fatiador, só imprimiria a primeira camada, uso o filamento PETG XT branco da 3D fila, eu consigo uma superficie bem fina, lisa praticamente sem ranhura e com ótimos detalhes usando um bico de 0.6 e altura de camada de 0.3 .. e minha impressora nao é profissional, é caseira, CORE XY com uma placa 32bits drivers TMC2209 e de fatiador, gosto de usar o Prusa Slicer. parabéns pelo projeto
Muito obrigado pelo comentário, Jonathan. Te respondi lá no YouTube. Abraço!
muito interessante !!!
Valeu Marcelo!