Guide de la soudure par refusion dans l'assemblage de circuits imprimés

Introduction

Le brasage par refusion est une étape cruciale de la fabrication des cartes de circuits imprimés , garantissant la fiabilité des connexions entre les composants et la carte. Ce guide présente le processus de brasage par refusion, des équipements et profils de température aux techniques permettant d'obtenir des résultats de haute qualité. Nous aborderons également les pièges les plus courants et les bonnes pratiques pour un assemblage réussi.

soudage par refusion

Une méthode très importante pour fixer des composants sur des circuits imprimés est le brasage par refusion. On commence par appliquer de la pâte à braser sur le circuit imprimé à l'aide d'un pochoir. Cette pâte contient un alliage métallique et du flux qui maintiennent les composants en place. Ensuite, le circuit est chauffé dans un four de refusion. La pâte fond et forme des connexions solides. Le four comporte différentes étapes : préchauffage, maintien à température, refusion et refroidissement. Il est important de veiller à ne pas endommager les composants à chaque étape. Ce procédé est adapté aux applications CMS et parfois aux applications THT.

Aspects clés pour un processus de brasage par refusion efficace

Voici les éléments que vous devez vérifier dans votre processus de soudage par refusion pour commencer à produire des cartes hautes performances.

Machine appropriée

Il est très important de choisir une machine adaptée pour le soudage par refusion. Pour obtenir des connexions solides et fiables, il faut disposer du bon équipement. Pour pouvoir faire quoi que ce soit, vous avez besoin d'un four de refusion et d'une machine Pick and Place qui correspondent à vos besoins de production. Pour des configurations plus complexes comportant de nombreux composants, vous aurez besoin d'une machine plus grande. Sans un contrôle précis de la température sur un four de haute qualité, les pièces sensibles peuvent être endommagées.

Four à souder à refusion

La clé de connexions robustes avec les composants CMS et les circuits imprimés réside dans les fours de brasage par refusion. La pâte à braser y est chauffée selon des profils de température contrôlés, garantissant ainsi des joints de soudure fiables. Le processus se déroule en quatre phases : trempage, refusion et refroidissement. Chaque phase assure la fusion optimale de la pâte à braser et la création de connexions solides, sans endommager les composants.

• • Fours infrarouges (IR) – Ces fours chauffent les circuits imprimés à l'aide d'un rayonnement infrarouge. Mais ils transfèrent rapidement l'énergie aux composants et amplifient le processus. Cependant, les différents types de matériaux impliquent que le chauffage peut être irrégulier. Par conséquent, des différences de température peuvent exister sur le circuit imprimé.

• • Fours à convection – Dans ces fours, l'air chaud est utilisé pour chauffer uniformément le PCB. Le chauffage uniforme est obtenu par convection forcée d'air via des ventilateurs pour déplacer l'air. Avec un tel four, tout ce dont vous avez besoin est transféré via un liquide spécial entre deux fours en phase vapeur, garantissant des températures constantes partout.

Zones du four de refusion

Les différentes zones des fours de refusion permettent un contrôle précis de la température. Dans chaque zone, il y a un réglage de température. Ces zones garantissent que la chaleur sera appliquée uniformément. Cela permet de réaliser de bonnes soudures solides. Quatre zones principales composent un four de refusion typique.

• • • • Zone de préchauffage – Dans cette zone, la température monte lentement. Elle protège les composants sensibles contre les chocs thermiques. Les composants peuvent se déformer si la chaleur n'est pas suffisamment graduelle. La pâte à braser peut sécher si elle est trop lente. La vitesse de chauffe optimale est de 1 à 3 °C par seconde.

• • • • Zone de trempage – La température est constante ici. Cela aide à uniformiser la température du PCB. Le nettoyage de surface est activé par le flux dans la pâte à souderIl offre une qualité de joint de soudure constante et éprouvée sur toute la ligne.

• • • • Zone de refusion – C'est là que la pâte à braser fond. Notre température maximale se situe entre 235°C et 250°C. Cette chaleur forme alors des liaisons solides entre les composants et le PCB. La température doit être maintenue le bon temps pour obtenir la bonne température.

• • • • Zone de refroidissement – La température baisse rapidement dans la zone de refroidissement. Les joints de soudure sont alors solidifiés. Un refroidissement trop rapide peut entraîner des dommages ; un refroidissement trop lent peut fragiliser les joints. Le meilleur taux de refroidissement serait un taux constant de 2 à 4 °C par seconde.

Profils de température

Il indique les différents changements de température au cours du processus. Des joints de soudure solides et fiables sont réalisés avec un profil approprié. Il élimine également les problèmes et les défauts de soudure.

• • • • Profil Ramp-Soak-Spike (RSS) – Le circuit imprimé est chauffé progressivement pendant le préchauffage avec ce profil. Il est ensuite maintenu à température pendant le trempage. Ensuite, la température atteint son maximum dans la zone de refusion. Ce profil permet d'éviter les défauts tels que les ponts de soudure et les vides.

• • • • Profil de la rampe à la pointe (RTS) – La température augmente régulièrement du début jusqu'au pic. Contrairement au RSS, il n'y a pas de phase de trempage. Il est couramment utilisé pour soudure sans plombLes points de fusion plus élevés de la soudure sans plomb sont pris en compte dans ce profil.

• • • • Profils personnalisés – Ces profils ont été conçus pour répondre à des besoins spécifiques en matière de PCB et de soudure. Une attention particulière est portée aux types de composants et à la complexité des PCB. En utilisant des profils personnalisés, vous avez beaucoup plus de contrôle sur un meilleur joint de soudure. Cela permet d'éviter les défauts et de produire de meilleurs résultats de soudure.

Choisissez et placez la machine

Le procédé de refusion de soudure nécessite cela. Dans cet appareil, les composants montés en surface sont placés sur les pastilles du PCB avec de la pâte à souder dessus. Il récupère les composants à l'aide de buses à vide, de caméras et de bras robotisés. Il les place ensuite en position sur le PCB. Le placement précis des composants est assuré grâce à ce procédé, ce qui permet une refusion réussie.

Profil de refusion acceptable

La réussite du brasage dépend fortement d'un profil de refusion approprié. Il faut ensuite prendre en compte des facteurs tels que le type de pâte à braser, le matériau du circuit imprimé et le type de composants à braser. Un profil de refusion unique est nécessaire pour chaque assemblage. Des thermocouples sont placés dans le circuit imprimé pour mesurer la température pendant le processus et optimiser le transfert thermique. Le processus se déroule par étapes : préchauffage, maintien en température, refusion et refroidissement. La soudure est réalisée au moment précis à chaque étape, sans endommager les composants. Pour éviter les défauts de coulée et obtenir un brasage d'excellente qualité, les vitesses de chauffage et de refroidissement sont rigoureusement contrôlées.

Conception d'empreinte de PCB/composant

Avec les PCB, l'empreinte est très importante lors de la conception de votre PCB. Des déséquilibres thermiques peuvent résulter de pistes inégales liées au composant. Mais cela peut entraîner un problème tel que le basculement du composant pendant la refusion. Un autre point à prendre en compte est l'équilibrage du cuivre. Une déformation peut se produire dans de grandes zones de cuivre pendant la refusion. Cela peut être évité en ajoutant un équilibrage du cuivre dans les zones de déchets. De meilleurs résultats de refusion et moins de défauts sont garantis par une conception appropriée.

PCB soigneusement imprimé à l'aide d'un pochoir bien conçu

L'application de la pâte à braser est cruciale pour la réussite du brasage par refusion. La pâte est déposée uniformément à l'aide d'un pochoir bien conçu sur un circuit imprimé de qualité. Une erreur à cette étape peut entraîner des problèmes ultérieurs. Le pochoir permet de contrôler le processus d'application de la pâte et d'éviter les défauts. Un pochoir mal conçu ne permettra pas d'obtenir un résultat optimal.

Placement répétable des composants montés en surface

C'est là que vous devez avoir besoin d'une machine Pick and Place fiable. Si le placement des composants est incorrect, la machine déplacera les pièces. Dans tous les cas, vous devez toujours utiliser la buse adaptée à chaque type de composant pour obtenir la précision et la cohérence souhaitées. Cela vous garantit une qualité de soudure par refusion.

Composants PCB de bonne qualité

Des défauts et des problèmes peuvent survenir en raison d'une mauvaise qualité. Par exemple, si la finition de surface d'un circuit imprimé est défectueuse , la soudure n'adhérera pas, ce qui entraînera des défauts tels que des pastilles noires. Ceci s'applique également aux composants CMS : une mauvaise qualité des broches peut engendrer des problèmes. Pour obtenir des résultats optimaux, utilisez toujours des circuits imprimés et des composants de haute qualité.

Pâte à braser

La soudure par refusion repose essentiellement sur la pâte à braser. Elle assure le lien entre les composants et le PCB. Il s'agit d'une pâte à braser composée de particules de soudure très minuscules mélangées à du flux. Elle nettoie les surfaces, améliore le mouillage et empêche également l'oxydation. Dans la pâte à braser, nous avons un alliage de soudure et un flux. Avec l'augmentation des applications et du type d'alliage, le mélange varie.

• Alliage de soudure – Il est constitué de particules métalliques très petites. La première de ces particules permet de former des joints de soudure solides. Le point de fusion et la résistance sont influencés par la composition de l'alliage. Il existe des types courants comme les types avec ou sans plomb comme le SAC.

• Flux - C'est aussi un matériau qui permet à la soudure de mieux fonctionner. Il supprime oxyde couches en favorisant le mouillage. Il empêche également l'oxydation due à la soudure. Il existe des niveaux d'activité faibles, moyens et élevés.

Processus de soudage par refusion

La production en grande série de circuits imprimés modernes est impossible sans le brasage par refusion. Ce procédé contrôle la courbe de température afin de garantir une connexion correcte des composants. Les circuits imprimés sont acheminés vers les zones chaudes et froides du four de refusion grâce à un convoyeur à double voie. La courbe de température comporte quatre phases :

Préchauffer

Dans cette phase, la carte chauffe lentement. Si elle chauffe trop vite, elle endommagera les composants. Il a été constaté qu'une montée lente peut également entraîner des zones trop froides. En général, la vitesse de chauffe idéale se situe entre 2 et 3°C ​​par seconde. Il faut parfois une vitesse de 1°C par seconde, bien que ce soit relativement lent. Cela évite d'endommager le PCB. Cela garantit également qu'il atteint la bonne température.

Bain thermal

La carte passe ensuite en phase de trempage thermique après avoir été préchauffée. Toutes les zones sont ainsi protégées pour garantir qu'elles atteignent la bonne température. Cela permet également d'éliminer les solvants de la pâte à braser. Le flux est également activé en même temps. Cette étape garantit que votre soudure fonctionne correctement.

Refoulement

Lors de la refusion, la température atteint son maximum. La soudure fond ici pour former des joints solides. La faible tension superficielle rendue possible par le flux permet aux métaux de se lier. Les sphères de poudre de soudure se combinent et fondent les unes sur les autres. Le processus promet de rendre le tout solide et fiable.

Refroidissement

Les cartes doivent être correctement refroidies après la refusion. Si vous refroidissez trop rapidement, vous risquez de stresser les composants. Cela évite l'accumulation de chocs intermétalliques ou thermiques. En général, la zone de refroidissement se situe entre 30 et 100 °C. Elle est réalisée de manière à produire une bonne structure de grain dans la soudure.

Défis et solutions du processus de soudage par refusion

• Pierre tombale

Le phénomène de tombstoning se produit lorsqu'un composant se soulève d'une extrémité pendant la refusion. La défaillance se produit lorsque cela crée un circuit ouvert. Un chauffage inégal n'est qu'un des nombreux facteurs qui provoquent le tombstoning. Si un côté fond avant l'autre, la soudure tire le composant vers le haut. Pour résoudre ce problème, assurez-vous que la température du four est uniforme. Cela peut également être dû à un mouillage inégal. Il est utile d'optimiser la conception du pochoir et d'utiliser la bonne pâte à souder. Le problème peut être aggravé par un mauvais alignement des composants ou des pastilles. La bonne nouvelle est qu'un placement précis et une conception appropriée des pastilles réduisent le risque.

• Les vides

Les vides, qui retiennent des poches d'air dans la soudure, nuisent aux performances du circuit imprimé. Ils entraînent des défaillances dues à des interruptions de la conductivité électrique et thermique. On trouve généralement des vides dans les BGA et les QFN . De nombreux facteurs peuvent être à l'origine de vides dans la pâte à braser ou les composants. Un stockage inadéquat peut également provoquer l'oxydation et la formation de vides. Pour réduire les vides, il est conseillé d'ajuster le profil et la température de refusion. Un pochoir bien conçu et des impressions régulières sont des atouts.

• Variation de température

À haute température, les composants sensibles, comme un microcontrôleur , sont soumis à rude épreuve. Cela peut entraîner des défaillances des soudures et d'autres problèmes. Par exemple, des vides ou des joints fragiles peuvent apparaître suite à des variations de température. Les bulles de gaz emprisonnées fragilisent la soudure jusqu'à la formation de vides. Un chauffage inégal peut également provoquer le décollement des composants. Une bonne gestion thermique est essentielle pour éviter ces problèmes. La chaleur doit être répartie uniformément et des vias thermiques ainsi que des dissipateurs thermiques doivent être utilisés.

• La tête dans l'oreiller

La soudure ne se connecte pas complètement au plot, et ces défauts sont appelés défauts. Cela laisse la pièce avec des joints faibles et conduit à des défaillances. Si du gaz est emprisonné dans la soudure, il vide la soudure, l'affaiblissant. La fiabilité du joint est affectée par ces défauts. La pâte à souder ne mouille pas complètement le plot pour le HIP. Un mauvais contact électrique peut en résulter. C'est ce qu'on appelle le vide et cela se produit lorsque des bulles sont piégées dans le joint pendant la refusion. Cela fragilise le joint. Les problèmes doivent être résolus en changeant la conception du pochoir, le profil de refusion et la pâte à souder. Un bon profil assure un mouillage correct et la bonne pâte fait disparaître les vides.

• Pontage de soudure

Une trop grande quantité de soudure provoque des ponts de soudure, là où les pastilles sont connectées. Des courts-circuits et des pannes de carte peuvent survenir à cause de cela. Pour éviter cela, nous devons nous concentrer sur la conception du pochoir. Le contrôle de la quantité de pâte à souder appliquée peut être effectué en ajustant le volume de pâte à souder. Le résultat est une diminution des ponts et une fiabilité accrue de votre carte.

• Dépôt de pâte à braser insuffisant ou excessif

Une quantité insuffisante de pâte à souder entraîne des joints de mauvaise qualité ou incomplets. Des pontages et des courts-circuits se produisent lorsque la pâte est trop importante. Mais vous devez avoir un contrôle précis de la pâte pour éviter cela. Épaisseur, choisissez la bonne taille et le bon type. Assurez-vous que le pochoir est correctement espacé du PCB pour une distribution uniforme de la pâte. Ils peuvent être utilisés pour vérifier les incohérences. L'astuce pour bien imprimer est d'imprimer soigneusement avec une pression, une vitesse et un angle appropriés.

• Compatibilité des composants et déformation

Les composants et les circuits imprimés se dilatent différemment sous l'effet de la chaleur. Ces différences de dilatation peuvent engendrer des contraintes sur les soudures et provoquer des défaillances. Un chauffage inégal peut déformer les composants, notamment lors de leur placement, ce qui conduit à des soudures de mauvaise qualité. Pour éviter ce problème, il est conseillé de choisir des composants dont le coefficient de dilatation thermique est le plus proche possible de celui du circuit imprimé, afin de réduire les contraintes. Pour obtenir un chauffage uniforme, il est également recommandé d'utiliser un profil de refusion contrôlé. L'utilisation de supports pendant la refusion permet de maintenir les composants en place et d'éviter toute déformation.

• Billes de soudure

C'est là que de petites sphères de soudure se forment lors de la refusion. Si elles ne sont pas détectées à temps, ces billes fragilisent les joints et provoquent des courts-circuits électriques. Pour surmonter ce problème, il est nécessaire de savoir pourquoi il se produit. Une activité excessive du flux de la pâte à souder peut également entraîner la séparation des billes de soudure. Cela empêche également les particules de soudure de fondre correctement, pour la même raison. Les billes de soudure peuvent également être causées par une impression incohérente de la pâte à souder et un mauvais profil de refusion. Pour résoudre ce problème, il vous suffit d'utiliser la pâte à souder appropriée et de calibrer le profil de refusion. Assurez-vous également que le bon design du pochoir et les composants sont propres.

Inspection et contrôle qualité du procédé de brasage par refusion

La qualité de la soudure doit être contrôlée. Vous devez rechercher les défauts qui peuvent affecter le circuit imprimé. Cependant, cela peut être fait manuellement ou à l'aide de machines. Une inspection appropriée garantit également des performances fiables de votre assemblage.

Inspection visuelle

Cela comprend la vérification des défauts des joints de soudure. La carte sera examinée par vous ou par l'opérateur. Cela permet de détecter les problèmes qui peuvent empêcher d'obtenir les meilleures performances sur le matériel donné. Souvent, des outils de grossissement sont utilisés pour obtenir une meilleure précision.

Inspection optique automatisée (AOI)

Ce type d'inspection est réalisé automatiquement à l'aide de caméras. Le système détecte les défauts tels que les pièces mal alignées ou les ponts de soudure. Il est plus rapide et plus précis que les contrôles manuels des matières premières. L'inspection optique automatisée (AOI) garantit la constance du processus et l'accélère.

Inspection aux rayons X

Cette inspection se fait à l'intérieur d'un joint de soudure pour détecter les défauts cachés. Vous pouvez observer des problèmes difficiles à voir en surface. Elle est parfaite pour vérifier les zones situées sous les composants. Elle permet de s'assurer que vous disposez d'un bon assemblage pour vous rendre à des endroits précis.

Questions fréquemment posées sur le soudage par refusion

• Quelle est la différence entre le brasage par refusion et le brasage à la vague ?

Ces deux types de brasage sont des méthodes différentes pour souder des composants sur des circuits imprimés. Le brasage à la vague consiste à déposer la carte de circuit imprimé sur un bain de brasure fondue ; cette méthode est idéale pour les composants traversants. Le brasage par refusion, quant à lui, utilise une pâte à braser composée de poudre de brasure et de flux sur laquelle les composants sont placés. L'ensemble est ensuite chauffé dans un four de refusion ; cette méthode est particulièrement adaptée aux composants CMS (composants montés en surface).

• Combien de fois pouvez-vous refusionner la soudure ?

Ne pas effectuer plus de deux passages de soudure par refusion . La plupart des assemblages ne nécessitent qu'un seul passage . Si des composants sont appliqués des deux côtés, deux passages peuvent être nécessaires. Cela évite que les pièces ne collent à la face inférieure. Enfin, pour un résultat optimal, il est essentiel d'utiliser la température de refusion appropriée.

• Peut-on souder par refusion sans flux ?

La soudure par refusion sans flux est à éviter. Le flux permet à la soudure de coller et de combler uniformément l'espace. Il élimine les oxydes et les impuretés de surface. S'il n'y a pas de flux, la soudure peut mal adhérer. C'est particulièrement le cas pour le montage en surface ou la soudure par refusion. Le flux facilite également le travail avec des composants oxydés.

Conclusion

Nous avons déjà traité du processus de brasage par refusion lors de l'assemblage d'un circuit imprimé dans cet article du blog PCBTok , en soulignant des aspects clés tels que la machine, le profil de température, le placement des composants, etc. Nous y avons abordé des problèmes courants comme l'effet « tombstone » et les ponts de soudure, et proposé des solutions concrètes. Cet article a également insisté sur l'importance du contrôle qualité du processus de brasage par refusion pour obtenir des circuits imprimés de meilleure qualité.

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