Joint de soudure froide: guide technique complet sur les causes, la détection et la prévention

Les joints de soudure froide figurent parmi les défauts de brasage les plus courants et les plus dangereux dans l'assemblage PCB.

Ils paraissent souvent inoffensifs, mais peuvent provoquer des défaillances intermittentes, des hausses inattendues de résistance et des retours de produits longtemps après la réussite des premiers tests. Dans les environnements soumis aux vibrations ou aux contraintes thermiques, un seul joint froid peut entraîner la panne d'un système entier.

Ce guide explique ce qu'est un joint de soudure froide, comment le reconnaître, pourquoi il se forme et comment le détecter, le réparer et le prévenir de manière fiable. Que vous recherchiez la panne d'une carte défectueuse ou optimisiez une ligne de production SMT, cet article fournit une référence technique et pratique pour éliminer les joints de soudure froide et améliorer la fiabilité à long terme.

Qu'est-ce qu'un joint de soudure froide?

Techniquement, un joint de soudure froide se forme lorsque la soudure ne fond pas complètement ou que la surface à braser n'atteint pas la température de liquidus de l'alliage.

Dans un joint de soudure correct, la soudure passe à l'état liquide, mouille la pastille et la broche du composant, puis facilite la diffusion atomique nécessaire à la formation d'une couche IMC. Dans un joint froid, ce mouillage reste incomplet. La soudure repose "sur" la pastille au lieu de se lier "avec" elle. La connexion peut alors conduire initialement l'électricité, mais présente une résistance très élevée et une forte fragilité mécanique.

Illustration des angles de contact lors du mouillage de la soudure: un angle inférieur à 90 degrés indique une bonne liaison, tandis qu'un angle supérieur à 90 degrés indique un joint de soudure froide.

À quoi ressemble un joint de soudure froide?

L'identification de ces défauts repose largement sur l'analyse visuelle. Pour les détecter avant que les cartes ne quittent l'usine, il faut savoir précisément à quoi ressemble un joint de soudure froide sous grossissement.

● Texture: un joint correct est lisse et brillant, notamment avec une soudure SnPb. Un joint froid présente souvent un aspect terne, granuleux, rugueux ou cristallin. Remarque: les soudures sans plomb, comme le SAC305, sont naturellement plus ternes. Une surface granuleuse ne constitue donc pas toujours un défaut, contrairement à un aspect "sec".

● Forme: un mouillage correct produit un ménisque, ou congé, concave. Un joint froid paraît souvent convexe, renflé ou sous forme de boule, car la tension superficielle de la soudure est supérieure à la force d'adhérence sur la pastille.

● Interface: des espaces visibles ou des microfissures peuvent apparaître entre la soudure et la broche.

Joint de soudure froide et joint de soudure correct

Pour comparer un joint de soudure froide à un joint correct, observez principalement la forme du congé.

● Joint de soudure correct: il présente une forme de "volcan" avec des côtés concaves. La soudure s'étale progressivement et uniformément sur la pastille.

● Joint de soudure froide: il ressemble à une "boule" posée sur la surface. Ses bords sont abrupts et la soudure semble se détacher de la pastille.

Comparaison macroscopique montrant la différence entre un joint de soudure froide et un joint correct sur un PCB.

Liste de contrôle rapide pour détecter un joint froid

Utilisez cette liste lors de l'inspection d'une carte au microscope:

1. La soudure est-elle terne ou grise? → La chaleur était probablement insuffisante, ce qui indique un joint froid.

2. La surface est-elle granuleuse ou rugueuse? → Le composant a probablement bougé pendant le refroidissement, ce qui indique un joint perturbé.

3. La soudure ressemble-t-elle à une boule posée sur la pastille? → Le mouillage est insuffisant, ce qui indique un joint froid.

4. Le joint se fissure-t-il lorsqu'il est touché avec une pince? → Il s'agit d'une défaillance mécanique.

Pourquoi les joints de soudure froide sont-ils dangereux?

Les joints froids sont particulièrement insidieux, car ils réussissent souvent les simples tests de continuité. Ils peuvent toutefois provoquer plusieurs types de défaillances:

● Connexions électriques intermittentes: lorsque le PCB chauffe en fonctionnement, la dilatation thermique fait fléchir la carte et peut séparer temporairement la liaison fragile.

● Résistance de contact élevée: la mauvaise connexion génère une résistance et donc un échauffement localisé par pertes I²R, susceptible de brûler la piste ou d'endommager des composants sensibles.

● Sensibilité aux vibrations: dans les applications automobiles ou aérospatiales, la fragilité d'un joint froid permet aux vibrations normales de provoquer une rupture complète par fatigue.

Quelles sont les causes d'un joint de soudure froide?

Comprendre les causes d'un joint de soudure froide constitue la première étape de sa prévention. Le problème résulte rarement d'un seul facteur, mais plutôt d'une combinaison de paramètres de procédé empêchant un mouillage correct.

1. Température de brasage insuffisante

Si le fer à souder ou le four de refusion n'atteint pas la température de refusion maximale de l'alliage, généralement d'environ 245°C pour une soudure sans plomb, la soudure reste dans un état pâteux semi-solide. Elle ne peut alors pas mouiller la pastille.

2. Durée de chauffage inappropriée, ou profil de refusion incorrect

Même si la température maximale est atteinte, un temps au-dessus du liquidus (TAL) trop court ne laisse pas au flux le temps d'éliminer les oxydes et empêche la formation de la couche IMC.

3. Différence de masse thermique

Lorsqu'une petite broche de composant est reliée à un grand plan de masse sans connexion à dégagement thermique, le plan de masse agit comme un dissipateur. Il évacue la chaleur du joint plus rapidement que le fer ne peut la fournir.

4. Mouvement pendant la solidification, ou joint perturbé

Si le composant bouge pendant le refroidissement de la soudure, lors de son passage de l'état liquide à l'état solide, la structure cristalline est perturbée. Le joint prend alors un aspect givré et granuleux et devient très fragile.

Comment identifier un joint de soudure froide?

Les entreprises d'assemblage professionnelles comme JLCPCB utilisent des équipements automatisés, mais une identification manuelle reste également possible.

1. Inspection visuelle, contrôle manuel

Pour les prototypes ou les petites séries, les techniciens utilisent des microscopes ou des loupes d'inspection, comme les systèmes Mantis, pour examiner les joints. Ils recherchent les signes visuels mentionnés précédemment, notamment un aspect terne, une forme convexe ou des microfissures. Cette méthode est flexible, mais reste sensible à la fatigue de l'opérateur.

2. Inspection optique automatisée (AOI)

Les systèmes AOI analysent la forme, la texture et les motifs de réflexion lumineuse des joints de soudure. Les joints froids présentent souvent une rugosité de surface anormale ou un mauvais mouillage, ce qui permet de les signaler comme défauts. Cette méthode constitue la norme pour la production en grande série.

L'AOI détecte toutefois les anomalies visuelles et non l'intégrité électrique.

3. Test électrique

Réglez un multimètre en mode résistance, en ohms. Un joint correct doit présenter une résistance presque nulle, en excluant celle du composant et de la piste. Si la valeur fluctue lorsque vous appuyez doucement sur le composant ou le faites légèrement bouger, vous avez probablement trouvé un joint froid.

4. Inspection automatisée par rayons X (AXI)

Pour les composants à terminaisons inférieures (BTC), comme les BGA et les QFN, l'inspection visuelle est impossible. Une inspection par rayons X est nécessaire pour voir "à travers" le composant. Sous un BGA, un joint froid apparaît souvent comme un cercle plus clair et moins dense que les billes correctement refondues, ou présente une forme irrégulière.

Inspection par rayons X révélant un vide dans un joint de soudure froide sous un composant BGA.

Comment réparer un joint de soudure froide?

Si vous découvrez un défaut, savoir réparer correctement un joint de soudure froide peut éviter de mettre la carte au rebut.

Attention: le simple réchauffage du joint est souvent inefficace, car le flux d'origine a déjà brûlé.

Procédure de retouche d'un joint de soudure froide:

1. Appliquez du flux: ajoutez du flux neuf sur le joint. Cette étape est indispensable pour éliminer les oxydes formés lors de la première tentative.

2. Effectuez une refusion: chauffez le joint avec un fer à souder jusqu'à ce que la soudure fonde complètement. La "boule" doit s'affaisser et former un congé régulier.

3. Retirez et remplacez la soudure si nécessaire: si la soudure paraît fortement oxydée, grise ou croûteuse, utilisez une pompe ou une tresse à dessouder pour la retirer entièrement, puis réalisez le joint avec du fil de soudure neuf.

Pour les composants complexes, il est préférable d'utiliser une station de retouche à air chaud plutôt qu'un fer à souder afin d'obtenir un chauffage uniforme.

Schéma étape par étape montrant comment réparer un joint de soudure froide avec du flux et un fer à souder.

Cas dans lesquels une retouche est déconseillée:

Dans certaines situations, tenter de réparer un joint froid peut provoquer plus de dommages que d'avantages. Évitez toute retouche dans les cas suivants:

● Décollement de la pastille: si la pastille en cuivre commence à se décoller du substrat FR-4 en raison d'une surchauffe, l'intégrité structurelle de la carte est compromise.

● Composants sensibles à la chaleur: les composants comme les quartz, les LED et les connecteurs en plastique peuvent fondre ou perdre leur étalonnage après plusieurs cycles de chauffage.

● Oxydation importante: si la pastille est noire ou fortement corrodée, la soudure ne la mouillera probablement jamais correctement, même avec du flux. Le PCB devra vraisemblablement être mis au rebut.

● Accès impossible: sur les cartes d'interconnexion haute densité (HDI), si la panne du fer ne peut pas atteindre le joint sans dessouder les composants voisins, la retouche est trop risquée.

Comment prévenir les joints de soudure froide lors de l'assemblage PCB?

La prévention coûte toujours moins cher qu'une retouche. Le service SMT de JLCPCB applique des contrôles stricts afin d'intégrer la prévention des joints de soudure froide à chaque étape du processus.

1. Optimisation des profils de refusion

La courbe de température du four de refusion est essentielle.

● Zone de préchauffage et de stabilisation: elle permet d'activer le flux et d'uniformiser la température sur l'ensemble de la carte.

● Zone de refusion: elle maintient généralement la soudure au-dessus de la température de liquidus pendant 45 à 90 secondes afin d'assurer un mouillage complet.

Graphique d'un profil de refusion SMT montrant le temps au-dessus du liquidus nécessaire pour éviter les joints de soudure froide.

2. Conception en vue de la fabrication (DFM)

Les concepteurs doivent tenir compte de la répartition thermique. Évitez de relier directement les pastilles à de grandes zones de cuivre. Utilisez des motifs de dégagement thermique, sous forme de rayons, afin d'isoler thermiquement la pastille et de lui permettre de chauffer rapidement pendant la refusion.

En savoir plus: Conception en vue de la fabrication (DFM): guide complet pour optimiser la production

Comparaison du routage d'un PCB montrant une connexion à dégagement thermique et une connexion directe au plan de masse.

3. Sélection du flux approprié

L'utilisation d'un flux périmé ou trop peu actif empêche l'élimination des oxydes. Vérifiez que le niveau d'activité du flux correspond au degré d'oxydation des composants. Pour les anciennes broches oxydées, utilisez par exemple un flux à base de colophane activée (RA).

4. Stockage des composants

L'humidité et l'oxydation des broches des composants figurent parmi les principales causes d'un mauvais mouillage. L'utilisation de composants récents provenant de fournisseurs fiables garantit des broches propres et prêtes à être brasées.

Joint de soudure froide et autres défauts de brasage

Il est facile de confondre un joint froid avec d'autres défauts. Voici les principales différences:

● Joint de soudure froide et joint sec: un joint froid comporte généralement une quantité suffisante de soudure, mais n'a pas reçu assez de chaleur. Un joint sec, terme parfois utilisé comme synonyme, désigne plus précisément un joint dont la soudure s'est "desséchée" ou qui n'a pas reçu assez de flux, ce qui peut provoquer un circuit ouvert.

● Joint de soudure froide et quantité de soudure insuffisante: lorsque la quantité de soudure est insuffisante, le congé est concave, mais trop petit. Un joint froid contient généralement assez de soudure, mais présente une forme incorrecte et convexe.

● Joint de soudure froide et joint fissuré: un joint fissuré peut avoir été correctement brasé à l'origine, puis s'être détérioré sous l'effet de contraintes mécaniques ou de cycles thermiques.

Comparaison entre un joint de soudure froide, une quantité de soudure insuffisante et un joint de soudure fissuré.

Normes industrielles relatives aux joints de soudure froide

Pour garantir la fiabilité, les ingénieurs respectent des normes strictes:

● IPC-A-610: principale norme d'acceptabilité des assemblages électroniques. Elle considère un joint de soudure froide comme un défaut pour toutes les classes, à savoir les classes 1, 2 et 3.

● J-STD-001: définit les exigences relatives aux matériaux et aux procédés nécessaires à la réalisation d'interconnexions brasées de haute qualité.

Dans les secteurs critiques, comme le médical et l'automobile, le strict respect des exigences de classe 3 est obligatoire et aucune anomalie visible de joint froid n'est autorisée.

Conclusion

Un joint de soudure froide est bien plus qu'un défaut esthétique: il représente une menace sérieuse pour la fiabilité. Qu'il soit causé par une chaleur insuffisante, des surfaces contaminées ou une mauvaise conception, le résultat reste le même: la défaillance de l'appareil.

En comprenant les principes physiques du mouillage, en utilisant des profils de refusion adaptés et en respectant les règles DFM, vous pouvez réduire considérablement ces défauts. La meilleure prévention consiste toutefois à travailler avec un fabricant qui maîtrise ces paramètres. Chez JLCPCB, nos lignes SMT avancées utilisent l'AOI, l'inspection par rayons X et des profils thermiques précis afin de garantir que chaque joint respecte des normes industrielles rigoureuses.

FAQ sur les joints de soudure froide

Q1. Pourquoi les joints de soudure froide apparaissent-ils souvent sur les connexions à la masse?

Les broches de masse sont reliées à de grands plans de cuivre qui agissent comme d'importants dissipateurs thermiques. Sans motifs de dégagement thermique dans la conception, le plan de cuivre évacue la chaleur du fer à souder plus rapidement que celui-ci ne peut la fournir. Le joint ne peut alors pas atteindre la température de liquidus nécessaire au mouillage.

Q2. Puis-je simplement réchauffer un joint de soudure froide pour le réparer?

Non. Un simple réchauffage est rarement efficace, car le flux d'origine a déjà brûlé. Pour réparer correctement le joint, vous devez appliquer du flux neuf afin d'éliminer la couche d'oxydation. Si le joint est fortement oxydé, il est préférable de retirer entièrement l'ancienne soudure et de réaliser un nouveau joint.

Q3. Le mélange de soudures au plomb et sans plomb peut-il provoquer des joints froids?

Oui. Le mélange d'alliages comme SnPb et SAC305 peut créer un joint "ségrégué", car leurs points de fusion sont différents, soit 183°C contre 217°C. Il peut en résulter une structure granuleuse et fragile qui ressemble à un joint de soudure froide et présente un risque élevé de fissuration.

Q4. Quelle est la résistance typique d'un joint de soudure froide?

Alors qu'un bon joint de soudure présente une résistance négligeable, inférieure à 0,1 Ω, celle d'un joint froid peut varier considérablement. Elle peut atteindre 10 Ω ou 100 Ω, voire correspondre à un circuit ouvert affiché "OL". Sa caractéristique la plus dangereuse est que cette résistance fluctue souvent avec les variations de température.

Q5. La finition de surface du PCB affecte-t-elle la formation de joints froids?

Oui. Certaines finitions comme l'OSP, ou préservateur organique de soudabilité, se dégradent plus rapidement lorsqu'elles sont mal stockées. L'oxydation qui en résulte empêche alors le mouillage. La finition ENIG, ou nickel chimique-or par immersion, résiste généralement mieux à l'oxydation et favorise un meilleur mouillage, ce qui réduit le risque de joints froids pendant la refusion.