Comment prévenir les défauts de soudure pendant le refusion à la vague

Le reflow soldering est une étape cruciale dans l’assemblage en technologie CMS (SMT), où la pâte à braser est fondue pour former des joints solides et fiables entre les composants et le PCB. Toutefois, les défauts survenant pendant ce processus peuvent entraîner des échecs d’assemblage, du reb travail et une fiabilité réduite. Comprendre les causes des défauts de soudure et mettre en œuvre des mesures préventives permet d’améliorer significativement le rendement et la qualité. Découvrez comment l’assemblage de PCB est réalisé dans l’usine JLCPCB.

Défauts de soudure courants en reflow soldering :

• Ponts de soudure
• Joints de soudure froids
• Formation de vides
• Formation de billes de soudure
• Effet tombe-stone (tombstoning)

Examinons-les un par un en détail.

Défaut de pont de soudure :

Le pont de soudure est un défaut fréquent qui apparaît lorsque la soudure forme une connexion anormale entre deux ou plusieurs pistes, plots ou broches adjacentes, créant ainsi un chemin conducteur.

Les causes d’un pont incluent :

• Les plots sont trop rapprochés les uns des autres.
• Des résidus sont coincés sur la surface ou les plots du PCB.
• Un stencil sale avec de la pâte collée sur sa face inférieure.
• Un mauvais alignement lors de l’impression de la pâte à braser.

Joints froids et vides :

Comment prévenir la formation de vides et les joints froids pendant le processus de reflow SMT

La présence de vides dans les joints de soudure est un phénomène qui crée des espaces vides à l’intérieur du joint. Elle survient souvent sur les BGA et les plots de grande taille. Les vides sont liés au flux piégé dans le joint ainsi qu’à l’oxydation de la pâte. Un grand nombre de vides réduit la fiabilité du joint.

La cause peut être un excès de flux dans la pâte à braser. Le flux ne dispose pas de suffisamment de temps pour s’échapper avant que la soudure ne devienne solide. La température de préchauffage est trop basse, empêchant les solvants du flux de s’évaporer complètement.

Le temps de la zone de trempage est trop court pendant le reflow. Le soudage sans plomb subit généralement un retrait de volume de 4 % lors du refroidissement. Un refroidissement inégal des plots de grande taille peut générer des vides.

Corriger les vides :

• Optimisation du profil de reflow : Concevoir et optimiser soigneusement le profil thermique pour minimiser la formation de vides. Un préchauffage adéquat et un refroidissement contrôlé sont essentiels.
• Reflow sous vide : Dans certains cas, le reflow sous vide permet de réduire les vides en évacuant les gaz piégés.

Défaut de bille de soudure :

La bille de soudure est le défaut le plus courant du processus CMS. Il s’agit de petites billes de soudure formées sur le PCB pendant le brasage. Elles peuvent ne pas être attachées à un composant ou à un plot, et se trouvent près d’un plot CMS ou d’un métal. Au pire, elles créent un court-circuit entre deux plots ou deux broches. Elles peuvent rester coincées dans les résidus de flux à la surface.

Les billes situées à moins de 0,13 mm d’une piste enfreignent le principe de distance d’isolement minimale et compromettent la fiabilité électrique. Selon la norme IPC-A-610, un PCB est défectueux s’il présente 5 billes (≤ 0,13 mm) dans 600 mm².

La cause est liée à l’air ou à l’eau piégés dans la pâte qui s’échappent trop vite ; une petite quantité de soudure liquide est alors expulsée du joint et forme une bille en refroidissant.

Défaut de tombstoning :

La cause principale du tombstoning est la fonte inégale de la pâte : les caractéristiques de mouillage des différentes bornes ne sont pas uniformes, créant un couple déséquilibré. Cela est souvent lié aux facteurs suivants :

• Mauvais dimensionnement des plots : un écart trop large entre les plots fait que moins de 50 % des terminaux du composant recouvrent les plots, entraînant un mouillage inégal.
• Impression inégale de la pâte : des différences de dépôt entraînent une fonte non uniforme de chaque joint.
• Déviation du placement : un placement imprécis provoque un chauffage inégal des joints.
• Profil thermique inadapté : pour les pâtes sans plomb, une rampe trop rapide avant le point de fusion augmente les contraintes thermiques et accentue le tombstoning.

Autres défauts moins courants :

1. Graping : trop de chaleur en préchauffage/trempage épuise le flux avant le reflow. Réduire temps et/ou température de ces zones.

2. Head-in-Pillow (HIP) : chaleur excessive en préchauffage/trempage épuise le flux et oxyde les connexions. Réduire temps/température ou utiliser azote ou une pâte plus active.

3. Joint fissuré : mauvaise soudabilité du composant, pâte de mauvaise qualité ou profil de reflow incorrect (vitesse de refroidissement). Vérifier la soudabilité, la qualité de la pâte et le profil conformément à la fiche technique.

4. Joint partiel : sérigraphie sur les plots empêche la formation complète du joint. S’assurer que le fournisseur retire l’encrage des plots des composants.

6 causes principales des défauts :

1. Oxydation :

L’oxydation de la surface à souder empêche souvent le mouillage. Les oxydes s’interposent entre la soudure et le métal de base, empêchant l’adhésion.

2. Volume insuffisant de pâte :

Un volume trop faible empêche le mouillage car une quantité adéquate est nécessaire pour des joints stables. Sans cette quantité, l’adhésion est compromise.

3. Mauvais choix de pâte :

Certaines pâtes sont plus efficaces pour éviter le non-mouillage. Une pâte à forte activité est généralement préférable à une pâte peu active, améliorant la soudabilité.

4. Pâte expirée :

Une pâte périmée contient un flux moins actif, incapable d’éliminer les oxydes et de garantir un bon mouillage.

6. Températures inconstantes :

Des températures fluctuantes empêchent l’activation du flux et provoquent une mauvaise adhésion locale. Si certaines zones n’atteignent pas la température d’activation, la soudure n’y adhère pas correctement.

Mesures préventives :

• Optimiser la conception du PCB : utiliser des plots et des espacements adaptés pour éviter les ponts et le tombstoning. Prévoir des reliefs thermiques et des vias pour distribuer la chaleur.
• Concevoir un stencil précis : choisir l’épaisseur et les ouvertures adaptées aux composants. Privilégier les découpes laser pour la précision.
• Garantir la propreté : nettoyer PCB et composants pour éliminer poussière, graisse et oxydes. Utiliser un atmosphère inerte (azote) si nécessaire.
• Surveiller et inspecter : utiliser l’inspection RX pour détecter les vides et l’AOI pour vérifier le dépôt de pâte et la qualité des joints.

Comparaison avec le wave soldering :

Le reflow soldering offre une meilleure précision et convient aux composants à pas fin et haute densité, contrairement au wave soldering, plus utilisé pour les composants traversants. Le wave soldering est toutefois moins sujet à certains défauts comme le tombstoning, du fait de sa dynamique plus simple. Pour en savoir plus sur le parcours des PCB, suivez leur histoire dans cet article.

Conclusion :

Prévenir les défauts de soudure en reflow nécessite une attention particulière à la conception, aux matériaux et au contrôle du processus. En optimisant la conception du PCB, la précision du stencil, le choix de la pâte et les profils thermiques, les fabricants peuvent minimiser les défauts et améliorer la fiabilité de l’assemblage. Des techniques avancées telles que l’inspection de la pâte (SPI) et l’inspection RX peuvent être utilisées.

Inspection de la pâte à braser (SPI) : mettre en place un équipement SPI pour surveiller le dépôt de pâte et détecter les zones à risque de vides.

Inspection RX : effectuer des inspections RX pour évaluer la présence et la distribution des vides après reflow, permettant une évaluation non destructive de la qualité.

En appliquant ces stratégies et en maintenant des contrôles stricts, les fabricants réduisent le risque de vides sous les composants CMS et améliorent la qualité et la fiabilité des assemblages électroniques. Des outils d’inspection efficaces garantissent une identification et une correction rapides des problèmes, réduisant les coûts et améliorant la qualité dans l’industrie électronique hautement exigeante.