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Procédé de soudure à la vague pour l'assemblage de circuits imprimés traversants
De nombreux produits électroniques reposent encore sur des composants traversants pour les connecteurs, les transformateurs et d'autres pièces nécessitant un support mécanique solide ou une capacité de transport de courant plus élevée. Pour la production en grand volume de ces ensembles, la soudure manuelle de chaque broche n'est ni pratique ni cohérente. Les fabricants utilisent plutôt le brasage à la vague, un processus automatisé qui forme des centaines de soudures en un seul passage. Pendant que la carte de circuit imprimé (PCB) traverse une vague de soudure en fusion soigneusement contrôlée, les broches des composants exposés et les trous métallisés sont soudés simultanément, produisant des connexions électriques et mécaniques fiables avec une grande répétabilité.
3 Méthodes Courantes de Soudure de Composants Traversants
| Point de comparaison | Soudure à vague simple | Brasage à la vague double | Soudure sélective |
|---|---|---|---|
| Comment ça marche | Utilise une vague de soudure pour souder le dessous de la carte. | Utilise une onde active suivie d'une onde plus douce. | Utilise une petite buse programmable pour souder des joints sélectionnés. |
| Le meilleur pour | Plaques de prototypage simples traversantes. | Cartes à haute densité à trous débouchants ou à technologie mixte. | Cartes complexes avec des zones de passage limitées. |
| Exposition à la chaleur | Exposez le dessous soudable à une seule onde complète. | Expose toujours le dessous, mais avec un meilleur contrôle de la soudure. | Limite l'exposition à la chaleur aux points de soudure sélectionnés. |
| Vitesse de production | Rapide et économique pour des mises en page simples. | Rapide, mais nécessite plus de réglages du processus. | Plus lentement, mais plus précisément. |
| Focus de contrôle principal | Hauteur des vagues, vitesse du convoyeur et drainage. | Équilibre entre les deux ondes et contrôle de pontage. | Chemin de la buse, temps de séjour et contrôle thermique local. |
| Applications typiques | Alimentations électriques, appareils ménagers, commandes industrielles. | Circuits imprimés assemblages multitechnologies, cartes à forte densité de connecteurs. | Automobile, aérospatiale, médical, circuits imprimés à haute densité. |
Flux de processus de soudure à la vague
Étape 1 : Application du Flux
Le processus commence par l'application de flux sur la face inférieure du circuit imprimé. Les machines de soudure à la vague modernes utilisent généralement des systèmes de fluxage par pulvérisation, tandis que certains anciens systèmes utilisent des fluxeurs à mousse. Dans lesassemblages à technologie mixte, le fluxage sélectif peut également être employé pour appliquer le flux uniquement là où la soudure est nécessaire.
Le flux élimine les oxydes de surface des pastilles de circuits imprimés, des trous métallisés et des pistes de composants, tout en protégeant ces surfaces contre toute oxydation ultérieure pendant le soudage. Il améliore également le mouillage de la soudure, permettant à la soudure fondue de se propager uniformément sur les surfaces métalliques.
Un contrôle rigoureux de la quantité et de la couverture du flux est essentiel. Un flux insuffisant peut entraîner un mauvais étamage et un remplissage incomplet des trous, tandis qu'un flux excessif peut laisser des résidus indésirables ou contribuer à des défauts de soudure.
Étape 2 : Préchauffage
Après application du flux, le circuit imprimé entre dans une ou plusieurs zones de préchauffage utilisant des radiateurs infrarouges, des radiateurs à convection ou une combinaison des deux. L'objectif n'est pas de faire fondre la soudure, mais de préparer l'assemblage au contact avec la vague de soudure fondue.
Le préchauffage évapore progressivement les solvants volatils du flux, active la chimie restante du flux et réduit le choc thermique qui se produirait autrement lorsque le circuit imprimé entre en contact avec la soudure à des températures excédant 250°C. Il contribue également à égaliser la température sur l'ensemble de l'assemblage, en particulier pour les circuits imprimés multicouches ou les cartes contenant de grands plans de cuivre et des composants à masse thermique élevée.
Étape 3: Soudure à la vague
L'étape de brasage constitue le cœur du procédé de soudage à la vague. La soudure en fusion est stockée dans un bain à soudure, dont la température est contrôlée, situé sous le convoyeur. Une pompe mécanique fait circuler continuellement la soudure à travers des buses spécialement conçues pour générer une ou plusieurs vagues de soudure stables. Tandis que le circuit imprimé se déplace sur la machine sur un convoyeur incliné, seule la face inférieure de la carte entre en contact avec la vague de soudure, tandis que la face des composants reste au-dessus de la soudure en fusion.
Lors de ce bref contact, plusieurs processus se déroulent presque simultanément. La soudure fondue mouille les pastilles de cuivre exposées et les pattes des composants, déplaçant le flux activé de la zone de jonction. L'action capillaire entraîne ensuite la soudure vers le haut dans les trous métallisés, permettant le remplissage du canon et formant des liaisons métallurgiques entre les pattes des composants et le placage de cuivre. Lorsque le circuit imprimé quitte la vague, la tension superficielle élimine l'excès de soudure, laissant des fillets lisses qui assurent à la fois la continuité électrique et le support mécanique.
La conception de la vague de soudure a une influence significative sur la qualité des joints de soudure. Un système à vague unique est généralement suffisant pour les assemblages conventionnels à travers-le-trou avec des agencements relativement simples. Cependant, les assemblages contenant des broches très rapprochées ou des composants à technologie mixte bénéficient souvent d'une configuration à double vague. La première vague, turbulente, améliore la pénétration de la soudure autour des broches de composants denses et renforce le remplissage des trous, tandis que la seconde vague, lisse et laminaire, élimine l'excès de soudure et contribue à réduire les défauts tels que les ponts de soudure, les stalactites et la formation de filets irréguliers.
Bien que le contact entre le circuit imprimé et la vague de soudure ne dure que quelques secondes, cette étape détermine la qualité de chaque joint de soudure sur l'assemblage. La température de la soudure, la vitesse du convoyeur, l'angle du convoyeur, la hauteur de la vague, la profondeur d'immersion et le temps de contact doivent tous être soigneusement équilibrés pour obtenir un remplissage complet des trous sans exposer l'assemblage à un stress thermique inutile. Ces paramètres de processus sont discutés en détail dans la section suivante.
Étape 4 : Refroidissement
Après avoir quitté la vague de soudure, l'assemblage entre dans la phase de refroidissement, où la soudure en fusion se solidifie pour former des connexions électriques et mécaniques permanentes. Un refroidissement contrôlé aide à produire des joints de soudure stables tout en minimisant les contraintes thermiques au sein du circuit imprimé et de ses composants. Une fois refroidi, le circuit imprimé passe à l'inspection et aux tests électriques avant de passer à l'étape suivante de la fabrication.
Paramètres clés du soudage à la vague
| Paramètre | Plage typique |
|---|---|
| Température du bain de soudure | 245–260°C (sans plomb) 245–250°C (SnPb) |
| Température de préchauffage | 90–130°C (côté supérieur du circuit imprimé) |
| Vitesse de convoyeur | 0,8–1,8 m/min |
| Délai de contact | 2–4 secondes |
| Angle de convoyeur | 5°–7° |
| Hauteur de vague | Épaisseur du circuit imprimé : 50–70% |
| Application de flux | Environ 2 à 51 TP3T de matière solide (selon le type de flux) |
Comment régler les paramètres de la soudure à la vague
Les plages de paramètres ci-dessus sont utiles comme points de départ, mais ne doivent pas être considérées comme des réglages fixes pour chaque assemblage de PCB ; ces paramètres sont interconnectés, et la modification de l'un affecte souvent les autres.
La vitesse du convoyeur en est un bon exemple. Elle affecte directement la durée pendant laquelle le circuit imprimé reste en contact avec l'onde de soudure. Si la carte se déplace trop rapidement, la soudure peut ne pas remplir complètement les trous métallisés, ce qui entraîne des joints de soudure insuffisants. Si la carte se déplace trop lentement, l'assemblage reçoit plus de chaleur, ce qui peut contribuer au pontage de soudure, à des dépôts de soudure excessifs ou à des dommages aux composants.
La température du bain de soudure présente un équilibre similaire. La soudure doit rester suffisamment au-dessus de son point de fusion pour mouiller les pastilles, les sorties des composants et les trous métallisés. Cependant, une température plus élevée n'est pas toujours meilleure. Une température de soudure excessive peut consommer le flux trop rapidement, augmenter l'oxydation et la formation de calamine, et exposer les composants à des contraintes thermiques inutiles.
Pour cette raison, l'ajustement des paramètres devrait être considéré comme un équilibre de processus plutôt qu'une correction à valeur unique. Si la vitesse du convoyeur est augmentée, la température de la soudure, la hauteur de la vague et le préchauffage peuvent également devoir être vérifiés pour maintenir un contact de soudure et un remplissage de trous adéquats. Si un mauvais mouillage apparaît, la solution n'est pas toujours d'augmenter la température du bain de soudure ; la couverture du flux, la condition de préchauffage, le temps de contact et la conception de la carte doivent également être examinés.
Profilage Thermique en Soudure à Refusion
Le profilage thermique est utilisé pour confirmer si la section de préchauffage fournit suffisamment de chaleur pour l'évaporation du solvant et pour vérifier que la carte subit la condition de contact de soudure prévue pendant le soudage.
Lors du profilage, un circuit imprimé représentatif est équipé de thermocouples fixés sur des pastilles sélectionnées, des trous métallisés, ou des emplacements de composants critiques avant de passer dans le processus complet de brasage à la vague. Les normes industrielles telles que IPC-TM-650 et IPC-7530 fournissent des directives pour la fixation des thermocouples et la mesure des profils.
Dans les procédés robustes sans plomb, la face supérieure du circuit imprimé atteint généralement 110 à 130°C avant le soudage. En soudage à la vague, le temps au-dessus du liquidus (TAL) correspond essentiellement au temps de contact entre le circuit imprimé et la soudure fondue, et il doit rester dans la fenêtre de procédé requise. Le profil confirme également que le circuit imprimé refroidit en dessous d'environ 100°C avant de quitter la section de refroidissement.
Après profilage, les températures enregistrées sont analysées afin d'identifier les zones froides et les zones chaudes, et le processus est ajusté en conséquence.
Pensées finales
La soudure à la vague n'est pas seulement un processus hérité maintenu en vie par des conceptions de circuits imprimés plus anciennes. Dans la fabrication moderne de circuits imprimés assemblés (PCBA), elle reste un moyen pratique de transformer les exigences de conception traversantes en résultats de production stables et reproductibles.
Chez PCBCool, nous prenons en charge le soudage à la vague pour les assemblages traversants et mixtes appropriés. Lorsqu'un projet comprend des composants enfichables plus grands, des connecteurs surdimensionnés ou des pièces qui sont mieux gérées individuellement, nos lignes de soudage manuel traversant offrent la flexibilité nécessaire pour compléter l'assemblage avec le bon processus plutôt que de forcer chaque carte à suivre le même chemin.
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.
