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Comment fonctionne le processus de soudage par refusion dans l'assemblage SMT
Si vous ouvrez presque tout produit électronique moderne aujourd'hui, vous trouverez probablement une PCBA peuplée de nombreux composants SMD. Ces petits dispositifs montés en surface sont l'une des raisons pour lesquelles les produits électroniques peuvent être fabriqués plus petits tout en intégrant plus de fonctions. Cependant, le placement des composants SMD sur un PCB n'est qu'une partie du processus d'assemblage. Chaque terminaison de composant doit encore être reliée à la carte par des soudures à la fois électriquement fiables et mécaniquement stables.
Un assemblage SMT typique peut contenir des centaines, voire des milliers de joints soudés. Ces joints peuvent varier en taille de boîtier, en comportement thermique, en conception de pastilles et en espacement, mais ils doivent néanmoins être formés de manière cohérente d'une carte à l'autre. C'est là que le processus de soudure par refusion devient essentiel.
Ce que le soudage par refusion fait réellement
Dans son essence, la soudure par refusion est le procédé utilisé pour créer des connexions électriques et mécaniques entre les composants et la carte de circuit imprimé (PCB). Elle commence après que la pâte à souder a été imprimée sur les pastilles du PCB et que les composants ont été placés sur les dépôts de pâte. L'assemblage passe ensuite par un cycle thermique contrôlé à l'intérieur d'un four de refusion.
Lorsque la température augmente, le flux présent dans la pâte à souder devient actif et contribue à éliminer les oxydes de surface des zones à souder. L'alliage de soudure fond alors, mouille les terminaisons des composants et les pastilles du circuit imprimé, et forme la structure des joints de soudure. Lors du refroidissement, la soudure fondue se solidifie en joints stables qui fixent les composants à la carte et établissent les connexions électriques requises.
Préparation avant brasage par refusion SMT
Avant que le circuit imprimé n'entre dans le four à refusion, la pâte à souder doit d'abord être imprimée sur les pastilles du circuit imprimé à travers un pochoir en acier inoxydable. La pâte à souder est un mélange formulé de fines particules d'alliage de soudure en suspension dans un milieu fluxant. L'alliage fournit le métal qui formera la jointure de soudure finale, tandis que le flux aide à éliminer les oxydes de surface, favorise le mouillage et protège les surfaces de soudage pendant le chauffage.
De nombreuses fabrications électroniques modernes utilisent des pâtes à souder à base de SAC sans plomb, comme le SAC305 (Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5), dont le point de fusion est d'environ 217°C. Les anciens assemblages étain-plomb utilisaient couramment le Sn63Pb37, un alliage eutectique avec un point de fusion inférieur de 183°C. Cette différence est l'une des raisons pour lesquelles les profils de refusion sans plomb nécessitent généralement des températures de processus plus élevées et un contrôle thermique plus strict.
Après l'impression de la pâte à souder, les lignes de production effectuent une inspection de la pâte à souder (SPI) pour vérifier le volume, la hauteur, la surface et la précision positionnelle de la pâte. Cela permet d'identifier les défauts d'impression tels que le manque de pâte, les dépôts excessifs ou le mauvais alignement du pochoir avant la pose des composants.
Une fois la pâte vérifiée, des machines de pick-and-place à haute vitesse positionnent les composants à montage en surface sur les dépôts de pâte à souder. L'adhérence de la pâte à souder maintient temporairement chaque composant en place jusqu'à ce que la soudure fonde à l'intérieur du four de refusion.
Ce qui se passe à l'intérieur du four de refusion
Les fours de refusion modernes utilisent plusieurs zones de chauffage et de refroidissement disposées le long d'un système de convoyage. Au fur et à mesure que l'assemblage de circuits imprimés traverse ces zones, le processus est généralement décrit en quatre étapes : préchauffage, trempage, refusion et refroidissement, chacune ayant ses propres paramètres clés.
Étape 1 : Préchauffer
Lors du préchauffage, le convoyeur amène la carte de la température ambiante à environ 120–150°C. Cette étape remplit plusieurs fonctions : elle élimine en douceur les solvants résiduels du flux, sèche la pâte à souder et réchauffe l'ensemble pour réduire le choc thermique.
Un paramètre crucial à ce stade est la vitesse de montée en température (la rapidité à laquelle la température augmente). Les directives industrielles préconisent généralement une montée douce d'environ 1 à 2 °C par seconde, tandis qu'en production réelle, la montée est généralement maintenue en dessous d'environ 3 °C/s comme limite supérieure. Ce taux est contrôlé à l'aide des capteurs de température et du système de contrôle à l'intérieur du four de refusion.
La courbe de préchauffage exacte dépend de la taille et de la masse de la carte. Par exemple, pour une carte lourde comportant de nombreuses couches, un chauffage trop rapide peut fissurer les composants ; pour une carte légère, un préchauffage plus rapide peut être acceptable.
À la fin du préchauffage, la plupart des solvants volatils du flux se sont évaporés et la température de la carte est relativement uniforme.
Étape 2 : Trempage
Après le préchauffage, l'assemblage entre dans la phase de trempage, où la carte est maintenue à environ 150–180 °C pendant environ 30–90 secondes. À ce stade, l'alliage de soudure n'a pas encore atteint son point de fusion.
Cette étape est nécessaire car un assemblage de circuits imprimés contient des matériaux et des composants ayant des comportements thermiques différents. Les composants connectés à de larges pastilles de cuivre ou à des masses métalliques chauffent plus lentement, tandis que les petits composants de type puce chauffent plus rapidement. Maintenir la carte dans cette plage de température intermédiaire donne aux zones chauffant plus lentement le temps de rattraper leurs homologues avant que l'assemblage n'entre dans la phase de refusion à température plus élevée, réduisant ainsi le risque de déséquilibre thermique et de contraintes mécaniques.
Pendant cette période, le flux continue également d'éliminer les oxydes de surface et de préparer les surfaces de soudure au mouillage.
Étape 3 : Refusion
Vient ensuite l'étape de refusion elle-même, où la température de la carte monte au-dessus du point de fusion de l'alliage de soudure, appelé liquidus. Pour la soudure étain-plomb eutectique, la fusion se produit autour de 183 °C, tandis que les alliages courants sans plomb étain-argent-cuivre, tels que le SAC305, ont un liquidus d'environ 217–221 °C. Dans un profil SAC305 typique, la température de crête est souvent réglée à environ 240 °C, soit environ 20–30 °C au-dessus du liquidus. Certains profils peuvent permettre des températures de crête allant jusqu'à 250 °C, mais généralement pas beaucoup plus afin d'éviter d'endommager les composants.
À ce stade, les particules de soudure dans la pâte fondent et coalescent pour former des filets. La température de la carte augmente généralement de la température de fin de trempage jusqu'au pic. La vitesse de montée en température est souvent de l'ordre de 1 à 2°C/s. Si la montée est trop abrupte, les gaz de flux peuvent bouillir trop rapidement et provoquer des billes de soudure ou des projections. Si la montée est trop lente, la soudure peut mouiller prématurément, entraînant des ponts de soudure.
Le Temps Au-Dessus du Liquidus (TAL) est une mesure critique qui indique la durée pendant laquelle la soudure reste au-dessus de son point de liquidus. Typiquement, les cartes sont maintenues au-dessus du point de fusion de l'alliage pendant environ 30 à 90 secondes. Cela garantit que la soudure a le temps de s'écouler complètement et de mouiller les surfaces. Un TAL court, tel que moins de 20 secondes, peut entraîner un mouillage incomplet. Un TAL excessif, en particulier bien au-delà de 100 secondes, peut exposer les composants à des contraintes thermiques inutiles.
Étape 4 : Refroidissement
Après la température maximale, l'assemblage entre dans la phase de refroidissement, où la soudure fondue se solidifie pour former des joints de soudure définitifs. Le refroidissement doit être suffisamment rapide pour favoriser une structure de soudure à grain fin, mais suffisamment contrôlé pour éviter un choc thermique. Dans de nombreux profils de refusion, la vitesse de refroidissement est maintenue à environ 3 à 4 °C par seconde.
Si le refroidissement est trop lent, la soudure peut former des grains plus grossiers, ce qui peut réduire la résistance du joint. Si le refroidissement est trop rapide, le changement brusque de température peut introduire des contraintes dans les joints de soudure, les composants ou les matériaux du circuit imprimé.
Dans de nombreux fours de refusion, le refroidissement est contrôlé par des zones de refroidissement dédiées ou par la réduction de la chaleur dans les sections finales du four. Le débit d'air et la vitesse du convoyeur peuvent également être ajustés pour contrôler la vitesse de refroidissement de la carte. Par exemple, une zone de refroidissement peut être réglée à environ 100°C ou moins, permettant à la carte de refroidir en dessous de 80°C avant de quitter le four. Certaines lignes de production utilisent également de l'air pulsé pour augmenter le taux de refroidissement si nécessaire.
Contrôle du Processus de Soudage par Refusion
Un profil de température de soudure par refusion n'est pas un modèle fixe. Il doit être ajusté en fonction de la structure de la carte de circuit imprimé (PCB), de l'épaisseur de la carte, du nombre de couches, du poids du cuivre, de la sensibilité thermique des composants, des spécifications de la pâte à souder, de la répartition des composants et de la masse thermique globale.
La plupart Fabricants de CIBA définir le profil en termes de plusieurs paramètres clés :
- Rampe de trempage : 1–3°C/s
- Trempage : environ 150 – 200 °C pendant 30 – 90 secondes
- La montée jusqu'au pic est d'environ 1 à 1,5 °C/s.
- Température de pointe : environ 230–250°C, avec environ 240°C couramment utilisés pour le SAC305
- Temps au-dessus du liquidus : environ 30 à 90 secondes
Afin de garantir que le profil reste conforme aux spécifications, les fabricants utilisent régulièrement des outils de profilage thermique. Une “ carte de référence ” est équipée de multiples thermocouples à des emplacements clés (par exemple, coin, centre, circuits intégrés de grande taille, etc.). Lorsque cette carte traverse le four, un profileur enregistre la courbe de température réelle pour chaque emplacement. Ce profil mesuré est comparé au profil cible. Généralement, la température de chaque zone doit rester dans une petite fenêtre (par exemple, ±5–10 °C) par rapport à son point de consigne.
Si le profil dérive en raison du vieillissement de la lampe du four, d'un changement de vitesse de la bande ou de nouvelles conceptions de cartes, les fours doivent être recalibrés. Par exemple, si le thermocouple de pointe indique une température 5°C inférieure, les opérateurs pourraient augmenter le point de consigne de la zone de pic. Si les vitesses de montée en température sont incorrectes, ils pourraient ajuster l'espacement des zones ou la vitesse.
Cette boucle de rétroaction est essentielle car la soudure par refusion doit rester dans une fenêtre de processus acceptable. Le passage de cartes en dehors de cette fenêtre n'est pas considéré comme acceptable, même si ces cartes semblent réussir les tests électriques, car la fiabilité des joints de soudure pourrait tout de même être affectée.
Les données de profil sont souvent suivies statistiquement à l'aide d'indicateurs clés tels que le temps au-dessus du liquidus, la température de pointe, les vitesses de montée en température, etc. Ces valeurs peuvent être représentées graphiquement dans des tableaux de contrôle statistique des procédés (SPC), et toute tendance sortant des limites de contrôle déclenche la maintenance. Dans les lignes bien contrôlées, ce niveau de Contrôle de processus C'est l'une des raisons pour lesquelles les rendements du soudage par refusion peuvent rester très élevés, souvent supérieurs à 99%.
Brasage sans plomb et par réfusion à l'azote
Les fours de refusion étaient autrefois comparés principalement par le nombre de zones, tels que les systèmes à 8 zones, 10 zones ou 12 zones. Un plus grand nombre de zones peut offrir au four un contrôle plus précis du chauffage et du refroidissement, mais le nombre de zones seul ne définit pas la capacité du processus. Dans les fours modernes Production SMT, la question plus pratique est de savoir si le four peut maintenir un profil sans plomb stable et, si nécessaire, fournir une atmosphère d'azote contrôlée.
La soudure sans plomb est désormais le procédé standard pour la plupart des appareils électroniques conformes à la directive RoHS. La difficulté ne réside pas simplement dans le passage de la soudure étain-plomb, mais dans le travail dans une fenêtre thermique plus étroite. La pâte à souder sans plomb nécessite plus de chaleur pour un fluxage adéquat, tandis que les stratifiés, les finitions de surface, les boîtiers en plastique et les composants sensibles à la température ont toujours des limites de température supérieures.
L'azote de refusion améliore l'atmosphère de soudure plutôt que l'alliage de soudure ou le profil lui-même. Son principal point de contrôle est le niveau d'oxygène à l'intérieur du four, mesuré en parties par million (ppm). Un objectif de ppm plus bas peut supprimer l'oxydation pendant le chauffage et améliorer la marge de mouillage. Le compromis réside dans la consommation d'azote et le coût d'exploitation, l'azote ne devrait donc être choisi que lorsqu'il apporte une réelle valeur au processus.
Défauts courants de soudure par refusion
Même avec un processus bien maîtrisé, des défauts de soudure peuvent occasionnellement survenir. Lorsqu'ils se produisent, le défaut fournit souvent des indices utiles sur l'état du processus sous-jacent.
L'un des défauts les plus reconnaissables est le phénomène de "tombstoning", où un composant de petite taille se soulève d'un plot pendant le refusion et se dresse partiellement à la verticale. Cette condition est généralement associée à des forces de mouillage inégales dues à un déséquilibre thermique, une géométrie de plot inégale ou des dépôts de pâte à souder inconsistants.
Le pont de soudure survient lorsque de la soudure non désirée relie des pastilles ou des pattes de composants adjacentes. Ce défaut est couramment lié à un excès de pâte à souder, à des problèmes de conception du pochoir, à une mauvaise libération de la pâte ou à un mauvais alignement des composants. Les boîtiers à pas fin sont particulièrement sensibles aux ponts.
Un autre problème fréquemment rencontré est le manque de soudure, où le volume de soudure est insuffisant pour former une jointure solide. Une faible efficacité du transfert par pochoir, des ouvertures obstruées ou un mouillage inadéquat peuvent contribuer à cette condition.
Pour les dispositifs et composants de puissance dotés de grandes plaquettes thermiques, la présence de vides peut devenir une préoccupation. Les vides sont des poches piégées au sein du joint de soudure, qui peuvent affecter les performances thermiques et, dans certaines applications, la fiabilité à long terme.
Les assemblages contenant des boîtiers BGA peuvent également présenter des défauts de "head-in-pillow", où la bille de soudure et la pâte à souder ne parviennent pas à fusionner complètement pendant le refusion. Des facteurs tels que le gauchissement du boîtier, l'oxydation et un profil thermique inapproprié peuvent contribuer à ce mécanisme de défaillance.
Vérification de la qualité après refusion
Une fois que la carte sort du four de refusion, la première question est simple : les joints de soudure se sont-ils formés comme prévu ? AOI est généralement la première vérification car elle permet de repérer rapidement les défauts visibles tels que les pièces manquantes, la mauvaise orientation, le décalage des composants, les pattes relevées, les ponts de soudure et, évidemment, les soudures fragiles.
Certains joints ne peuvent être jugés de l'extérieur. Les billes BGA, les pastilles centrales QFN et les larges pastilles thermiques nécessitent souvent Examen radiologique. Pour les produits où les performances électriques sont importantes, des tests fonctionnels peuvent également être ajoutés après l'inspection visuelle ou par rayons X.
La valeur de l'inspection ne réside pas seulement dans la détection de composants défectueux. Un pontage répété peut indiquer un problème de conception d'ouverture de pochoir, de volume de pâte à souder, ou un décalage de placement. Des vides peuvent suggérer que le profil de température, la conception de la pastille thermique, ou le décollement de la pâte nécessitent une révision. Lorsque les résultats d'inspection sont interprétés de cette manière, ils font partie du contrôle de processus plutôt que d'être simplement une dernière étape avant l'expédition.
Pensées finales
La réussite de la soudure par refusion dépend de bien plus que la simple sélection des bons réglages du four. La pâte à souder, la conception du pochoir, le placement des composants, le profil thermique et l'inspection contribuent tous à la qualité de l'assemblage final. De légères variations à n'importe quelle étape peuvent affecter l'intégrité des joints de soudure, le rendement de fabrication et la fiabilité à long terme.
Pour cette raison, la soudure par refusion doit être gérée dans le cadre d'un processus d'assemblage SMT complet, et non comme une étape de production isolée.
À PCBCool, nous fournissons Services d'assemblage CMS pour les prototypes, la production en petite série et les projets de PCBA clés en main. Notre équipe prend en charge l'inspection de la pâte à souder, le soudage par refusion contrôlé, l'inspection post-refusion et les tests afin d'aider nos clients à transformer leurs conceptions de circuits imprimés en assemblages finis fiables.
FAQ
La raison principale est que chaque couche ajoutée rend le processus de fabrication plus difficile à contrôler. Plus il y a de couches, plus il y a de risques de défauts dans les couches internes, de problèmes d'alignement, de difficultés de laminage et de rebut.
Les pastilles BGA sont petites et espacées de près, de sorte que de petites erreurs de fabrication peuvent facilement devenir des problèmes d'assemblage.
Andy est un professionnel expérimenté de l'industrie des circuits imprimés (CI), fort de plusieurs décennies d'expérience dans la fabrication, l'assemblage et le support client des CI. Chez PCBCool, il dirige l'équipe de marketing et contribue à transformer l'expérience pratique des projets en contenu technique utile pour les ingénieurs, les acheteurs et les développeurs de produits.
