Introduction à la technologie de soudage à la vague
Le brasage à la vague, procédé spécial pour les composants DIP et SMD, est une étape cruciale de la fabrication électronique moderne dans l'assemblage de circuits imprimés. Bien qu'influencé par la technologie SMT, il ne peut être entièrement remplacé par cette dernière pour de nombreux composants, notamment les connecteurs et les fiches nécessitant une haute fiabilité, ainsi que certains condensateurs électrolytiques de forte puissance. Le brasage à la vague conserve donc un rôle important dans le domaine de la fabrication électronique.
Le soudage à la vague est une technique de soudage automatique courante dans l'industrie électronique. Elle se caractérise par une qualité de soudure fiable, un aspect soigné, une bonne homogénéité de soudure, une utilisation simple, des économies d'énergie et une réduction de la main-d'œuvre.
Exigences techniques pour un contrôle de haute qualité de
Soudage à la vague : aperçu du soudage à la vague des composants DIP
Le brasage à la vague est un procédé de brasage dans lequel la soudure liquide fondue, à l'aide d'une pompe, forme une vague de brasage spécifique à la surface du bain de brasage, et le circuit imprimé avec les composants est placé sur la chaîne de transmission, le joint de brasage est réalisé en passant à travers à un angle spécifique et à une certaine profondeur d'immersion.
Le brasage à la vague est utilisé pour la fabrication en série de cartes de circuits imprimés (PCBA). Il est ainsi nommé car il utilise un brasage ondulé. Il est principalement utilisé pour le brasage de composants traversants et de composants CMS (composants montés en surface) avec de la colle CMS (colle rouge). Dans ce dernier cas, les composants passent d'abord par un four à braser fondu, puis par une machine de placement CMS, où ils sont collés à la surface de la carte de circuit imprimé (PCB) avec de la colle.
Le soudage à la vague consiste à mettre la surface de soudure de la carte de circuit imprimé enfichable en contact direct avec de l'étain liquide à haute température pour réaliser le soudage, l'étain liquide à haute température maintenant un biseau, et grâce à un dispositif spécial, un phénomène de vague d'étain liquide similaire se forme, d'où le terme « soudage à la vague ».
Ci-dessous figure un schéma illustrant la vague de pâte à braser fondue traversant la surface inférieure de la carte, assurant ainsi la soudure complète et la connexion ferme de la pastille du circuit imprimé et des broches des composants.
Exigences de contrôle
Le processus de brasage à la vague peut principalement être divisé en plusieurs étapes : installation du dispositif, application de flux, préchauffage (température 90-100℃, longueur 1-1.2 m), brasage et refroidissement.
1. Installer le luminaire :
Le brasage à la vague exige une planéité parfaite du circuit imprimé. L'épaisseur des circuits imprimés utilisés pour les composants électriques automobiles n'étant généralement que de 1.6 mm, les exigences en matière de déformation sont très élevées. Lors du brasage à la vague, il est crucial de contrôler la déformation thermique. Le dispositif de serrage installé sur le circuit imprimé à braser permet de limiter la déformation thermique du substrat et d'éviter les défauts de brasage, garantissant ainsi la stabilité de la soudure, ce qui est particulièrement important pour les circuits imprimés fins. Si des projections d'étain se déposent fréquemment sur le circuit imprimé pendant le brasage à la vague, l'ajout d'un couvercle de protection sur le dispositif de serrage peut être envisagé. Par ailleurs, un nettoyage régulier de ce dispositif est également nécessaire.
2. Flux de revêtement :
La fonction du flux est la suivante :
● Nettoyer l'oxyde qui peut exister à la surface des cartes PCBA en attente de soudure ;
● Empêcher la réoxydation de la surface métallique ;
● Réduire la tension superficielle de la soudure liquide, améliorer la capacité de diffusion.
L'utilisation courante des systèmes de pulvérisation pour l'application de flux nécessite un contrôle précis de la quantité et de l'uniformité du revêtement. Un revêtement uniforme et une quantité modérée de flux sont indispensables. Un revêtement insuffisant ou irrégulier peut entraîner une activation insuffisante des plots, provoquant des soudures manquées et de mauvaise qualité.
Les principaux points de contrôle sont les suivants :
Parmi les paramètres de surveillance importants qui influent sur le revêtement par flux, on peut citer la pression de l'air, la densité (concentration) du flux, la vitesse de transfert, etc. Ces paramètres doivent être pris en compte dès la première inspection.
Pour garantir l'uniformité du revêtement de flux, on peut coller du papier fax sur la face inférieure du circuit imprimé. En comparant la surface et la densité des pistes de flux pulvérisées avec les plans de référence, on peut effectuer un contrôle visuel. Cette méthode permet de quantifier la quantité de flux pulvérisée en pesant le circuit avant et après pulvérisation et en calculant la variation de poids, ce qui sert de critère d'évaluation.
3. Préchauffage :
Les fonctions du préchauffage comprennent principalement :
Évaporation lente du flux
Un préchauffage insuffisant peut entraîner une vaporisation violente du solvant liquide contenu dans le flux lorsqu'il atteint le pic de la vague, ce qui provoque des projections de soudure et des scories d'étain ; un préchauffage excessif entraînera une évaporation prématurée des ingrédients actifs du flux et une perte de son effet mouillant, ce qui provoquera des pontages ou des points de soudure lors du brasage.
Réduire les contraintes thermiques produites lors du soudage
En cas de préchauffage insuffisant, les contraintes thermiques causées par une chaleur soudaine lors du soudage peuvent endommager certains composants.
Comme indiqué ci-dessus, les points de contrôle critiques de ce processus sont la température de préchauffage et la durée de préchauffage.
La température de préchauffage générale est de 90 à 130 °C et la durée de préchauffage de 1 à 3 minutes. Le processus de préchauffage est bien contrôlé, ce qui contribue à prévenir les soudures de mauvaise qualité, à réduire l'impact thermique du pic de la vague de soudure sur le substrat et à résoudre efficacement les problèmes de gauchissement, de délamination et de déformation du circuit imprimé lors du processus de soudure.
4. Soudure :
Procédé de soudage :
(1) La carte PCB dans la zone d'entrée commence à entrer en contact avec le pic de la vague à un certain angle et une certaine profondeur.
(2) La zone d'échange thermique se situe entre la zone d'entrée et la zone de séparation, et la carte de circuit imprimé est en contact direct avec la pâte à braser. Bien que les pièces en contact avec l'étain fondu atteignent instantanément la température de la pâte à braser, un temps de brasage plus long est nécessaire pour une soudure optimale.
(2)Dans la zone d'échappement, l'excédent de pâte à braser sera ramené dans le canal de pâte à braser.
Lors du soudage, de nombreux facteurs influent sur la qualité de la soudure. Parmi les paramètres à surveiller figurent la température de soudage, la vitesse de transmission, l'angle d'oscillation, la hauteur de crête de la vague, etc.
- Température de soudage : Lorsque la température de soudage est trop basse, le coefficient de dilatation et la mouillabilité de la soudure sont réduits, empêchant une mouillabilité optimale des pastilles ou des broches des composants et engendrant des défauts de soudure. À l’inverse, une température trop élevée accélère l’oxydation des pastilles et des broches, favorisant ainsi les soudures défectueuses.
- Vitesse de transmission : La vague de pâte à braser dans la zone d'abscission doit être aussi régulière que possible, la vitesse du tapis roulant ne doit donc pas être trop élevée.
Paramètres normaux du brasage à la vague : température du four 275 °C, vitesse de la chaîne 1300 cm/min, courbe de température du four de brasage à la vague relativement stable (comme indiqué dans la figure ci-dessous).
- Angle de la piste : Le temps de contact entre le circuit imprimé et la crête de la vague peut être contrôlé en ajustant l’angle de la piste. Une inclinaison appropriée favorise un décollement plus rapide de la soudure liquide du circuit imprimé. Un angle trop faible peut entraîner l’apparition de ponts de soudure. À l’inverse, un angle trop important, bien qu’il contribue à éliminer les ponts, peut générer une quantité insuffisante de pâte à braser et provoquer des soudures défectueuses. L’inclinaison orbitale doit être maintenue entre 5° et 7°.
- La hauteur de crête de la vague correspond à la hauteur de la pâte à braser sur le circuit imprimé lors du brasage à la vague. Elle est généralement comprise entre la moitié et les deux tiers de l'épaisseur du circuit imprimé. Une hauteur de crête excessive entraîne un écoulement de la brasure fondue à la surface du circuit imprimé, formant ainsi un joint d'étain. La hauteur de crête peut varier au cours du brasage ; il est donc important de la corriger pendant le processus. On utilise généralement une jauge de profondeur ou un verre résistant aux hautes températures pour mesurer cette hauteur.
Le brasage est un procédé thermique. Pour obtenir un brasage de qualité, il est essentiel de prendre en compte la composition de la soudure, le flux, l'adéquation des composants et du circuit imprimé, ainsi que les paramètres de conception et de contrôle du processus. Un mauvais résultat peut avoir de multiples causes. Nous avons donc recensé quelques exemples courants de brasage à la vague défectueux, leurs causes et des pistes d'amélioration.
Combler
Les ponts sont des pastilles de soudure adjacentes qu'il ne faut pas relier avec de la pâte à souder. Cette connexion provoquerait inévitablement une panne électrique.
La prévention des courts-circuits doit commencer dès la conception ; l’analyse DFM est donc primordiale. Si l’on choisit des composants PTH avec un pas d’au moins 2 mm, la profondeur de pénétration des broches de soudure ne doit pas dépasser 2 mm, l’espacement entre les anneaux de cuivre doit être d’au moins 0.5 mm et un vernis épargne blanc doit être appliqué entre ces anneaux.
Si le pas du composant est trop petit et que l'espacement entre les anneaux de cuivre est trop petit, il est recommandé de couper les broches de soudure à 0.5 mm et d'ajouter un joint d'étain (alliage de titane, nickelage étamé) à l'endroit approprié dans le plateau pour réduire le risque de court-circuit.
Une température de fusion de la pâte à braser trop basse, une faible fluidité de la pâte à braser fondue, provoquera des pontages ; une température de préchauffage trop basse, une température de brasage insuffisante, provoquera également des pontages.
La vitesse de la chaîne doit être appropriée. Une vitesse trop faible peut accélérer la consommation de flux, ce qui réduit le mouillage de la soudure et peut entraîner des pontages.
Le remplacement par un flux plus actif contribuera à réduire la formation de ponts car le flux actif augmentera la mouillabilité.
Joints froids
Les soudures froides sont dues à un manque de chaleur et à d'autres facteurs, ce qui explique l'aspect mal mouillé, gris et ridé de la soudure.
Ces défauts sont généralement dus à un manque de chaleur, ce qui réduit le temps de brasage et entraîne la formation de joints de soudure grisâtres. Augmenter le temps de brasage, ajuster la température de préchauffage et la température de fusion de la soudure permettent de corriger ce défaut. Si le joint de soudure semble irrégulier et défaillant, cela est généralement dû aux vibrations du composant pendant le refroidissement de la soudure. Dans ce cas, vérifiez si les cliquets présentent des vibrations anormales. L'oxydation ou la contamination de la surface de brasage peuvent également provoquer des soudures froides, ce qui exige une protection rigoureuse lors du stockage et de la manutention des matériaux entrants.
Ces défauts sont généralement dus à un manque de chaleur, ce qui réduit le temps de brasage et entraîne la formation de joints de soudure grisâtres. Augmenter le temps de brasage, ajuster la température de préchauffage et la température de fusion de la soudure permettent de corriger ce défaut. Si le joint de soudure semble irrégulier et défaillant, cela est généralement dû aux vibrations du composant pendant le refroidissement de la soudure. Dans ce cas, vérifiez si les cliquets présentent des vibrations anormales. L'oxydation ou la contamination de la surface de brasage peuvent également provoquer des soudures froides, ce qui exige une protection rigoureuse lors du stockage et de la manutention des matériaux entrants.
Résidu de flux
Des résidus de flux apparaissent lorsque le flux n'est pas complètement éliminé de la soudure. La corrosion du flux affecte la fiabilité des joints de soudure.
La quantité de résidus de flux peut être réduite en diminuant la quantité de flux pulvérisée ou en augmentant de manière appropriée la température de préchauffage et la consommation de flux.
Si la teneur en résine de colophane du flux est trop élevée ou si sa qualité est insuffisante, il est facile de générer un excès de résidus ; il convient alors de remplacer le flux en fonction du produit.
Augmenter le temps de soudage pour accroître la consommation de flux peut également réduire les résidus de flux.
La quantité de résidus de flux peut être réduite en diminuant la quantité de flux pulvérisée ou en augmentant de manière appropriée la température de préchauffage et la consommation de flux.
Licicles
Un joint conique ou cloué est une anomalie. La principale raison de son retrait est que la soudure ne se rétracte pas en refroidissant. Lors de l'assemblage du système, de tels joints de soudure peuvent être trop proches de la plaque adjacente, ce qui risque d'enfreindre les exigences minimales d'isolement électrique ou de provoquer un court-circuit.
Le phénomène de « lcicle » est directement lié à la température. Une température de préchauffage trop basse entraîne une diminution de la température de fusion de la soudure, provoquant un pic de température insuffisant et empêchant la pâte à braser de se rétracter efficacement. Cette basse température de fusion augmente la viscosité de la soudure fondue et intensifie la formation de « lcicle ». Il est recommandé de réinitialiser la courbe de température mesurée.
Le flux joue également un rôle important dans la formation de flaques. Lorsque son activité est insuffisante ou que sa concentration diminue, le flux ne peut plus désoxyder et réduire la tension superficielle, empêchant ainsi la soudure fondue de se rétracter efficacement à la sortie du four à étain. Augmenter la concentration, l'activité et la quantité de flux pulvérisée, ainsi qu'accroître la pression de pulvérisation et améliorer sa pénétration, contribuent à éliminer les flaques. Une vitesse de chaîne trop élevée peut empêcher le retour de l'excédent de soudure vers le four, provoquant également des flaques. Enfin, en raison de la longueur excessive des broches de soudure due aux flaques, il est recommandé de les raccourcir. La profondeur de pénétration (L) des broches ne doit pas dépasser 2 mm.
La broche du QFP est décollée
Décollement des broches QFP dû à une soudure insuffisante. Faible résistance des joints due à une soudure insuffisante. Lors du brasage à la vague, la zone de refusion fond à nouveau, et la déformation du substrat pendant le brasage ainsi que la pression lors de l'assemblage provoquent le décollement du joint. Imprimer la quantité de soudure appropriée (épaisseur du pochoir, zone d'ouverture). Ajuster la zone de conception des pastilles de soudure (pour garantir la formation de joints de soudure complets).
Misssoudure
La pâte à braser ne mouille pas les broches et les pastilles de soudure et ne forme pas une connexion de soudure efficace.
Lorsque la longueur de la broche de soudure est inférieure à l'épaisseur du circuit imprimé, les risques de soudure défectueuse ou manquante sont élevés. Par conséquent, pour une bonne conception pour la fabrication (DFM), il est essentiel de sélectionner des composants dont les broches de soudure peuvent pénétrer la surface de soudure d'au moins (L) 0.5 mm. En l'absence d'espace entre la surface inférieure des composants traversants et le circuit imprimé, les gaz évaporés par le flux à haute température ne peuvent s'échapper et restent dans le trou, empêchant ainsi la soudure de mouiller la paroi. Il est donc impératif de sélectionner des composants présentant un espace suffisant. L'oxydation et la contamination des broches de soudure et des trous traversants réduisent leur soudabilité et peuvent entraîner des soudures manquantes. La protection des matériaux entrants est donc une mesure importante pour garantir la qualité de la soudure. L'effet d'ombrage des plateaux de soudure peut également provoquer des soudures manquantes. Dans ce cas, l'amincissement du plateau, l'augmentation de l'ouverture du plateau (l'espace entre la pastille de soudure et la paroi extérieure du plateau ne doit pas être inférieur à 2.5 mm) et l'utilisation de matériaux en alliage de titane plus fins peuvent améliorer la soudure manquante.
La pâte à braser ne recouvre pas entièrement les composants PTH.
Un remplissage insuffisant de pâte à braser dans le trou traversant signifie que la hauteur de remplissage de la brasure dans le trou ne répond pas aux exigences IPC (50 % ou 75 % de l'épaisseur du PCB), ou ne répond pas aux exigences du client, ce qui affecte la fiabilité de la soudure.
Si le défaut se manifeste systématiquement sur le même composant, cela peut être dû à un effet d'ombrage causé par la conception du plateau (espace insuffisant entre la paroi extérieure du dispositif et la surface à souder), réduisant ainsi la surface de contact entre la pâte à braser fondue et la surface à souder. Pour y remédier, il est possible d'amincir partiellement le plateau (en pierre synthétique d'une épaisseur minimale de 0.5 mm) ou d'utiliser un alliage de titane plus fin (d'une épaisseur minimale de 0.2 mm).
L'oxydation et la pollution de la surface de soudure peuvent entraîner une quantité insuffisante de pâte à braser. Dans ce cas, une analyse élémentaire doit être effectuée sur la broche du composant ou la paroi du trou afin d'identifier les polluants et leurs sources. L'utilisation d'un flux plus actif permettra bien entendu d'atténuer le problème.
Le diamètre du trou ne correspond pas, et la connexion entre le trou traversant et la grande feuille de cuivre mise à la terre entraînera un remplissage insuffisant, notamment pour les condensateurs électrolytiques de grande capacité. Il est nécessaire d'améliorer ce problème dès la conception (DFM).
La température est également un facteur important. Un préchauffage insuffisant réduit l'activité du flux ; une température de brasage insuffisante entraîne un remplissage incomplet, ce qui nécessite d'augmenter la température et de recalibrer la courbe de température de brasage.
Excès de soudure
La caractéristique d'un excès de soudure est que la soudure enveloppe complètement la broche de soudure, et que l'angle de mouillage est supérieur à 90 degrés.
Si l'excédent de soudure concerne la totalité du lot, il faut d'abord vérifier la température. Une température de préchauffage trop basse entraîne une viscosité élevée de l'excédent de soudure. Il est conseillé de réoptimiser la courbe de température de soudage.
Une teneur en cuivre trop élevée dans le four à braser augmente la viscosité de l'étain fondu, ce qui entraîne un excès de brasure. Il est donc conseillé de contrôler régulièrement la teneur en cuivre de la pâte à braser fondue afin de la maintenir dans une plage acceptable.
Si les paramètres de l'équipement sont normaux, il convient d'examiner la soudabilité du circuit imprimé. En raison d'une oxydation excessive et d'une pollution des pastilles et des trous, la soudabilité est très mauvaise : l'excédent de soudure ne mouille pas complètement la surface et ne forme qu'un enrobage. Dans ce cas, il est conseillé d'analyser la soudabilité du circuit imprimé. Si nécessaire, des analyses MEB et EDX peuvent être réalisées afin d'inciter le fabricant à améliorer le processus de fabrication et, par conséquent, la qualité du circuit imprimé et sa protection lors du transport.
Une activité de flux réduite peut également être à l'origine de ce défaut, car le flux, une fois peu actif, ne peut plus remplir sa fonction. Il est alors recommandé de le remplacer.
Influence de la qualité du circuit imprimé sur le soudage à la vague
- La présence de vernis épargne vert dans les trous de composants entraîne une mauvaise adhérence de la soudure. L'insertion de composants traversants (PTH) étant nécessaire, la présence de vernis épargne annulaire est proscrite. Par conséquent, le vernis épargne vert dans les trous de composants du circuit imprimé ne doit pas excéder 10 % de la surface de la paroi du trou, et le nombre de trous présentant du vernis épargne vert ne doit pas dépasser 5 %.
- Un plaquage de cuivre insuffisant entraîne un mauvais plaquage d'étain dans le trou.
- Épaisseur insuffisante de cuivre, d'étain, d'or, etc. En général, l'épaisseur de la paroi du trou doit être supérieure à 18 μm.
- La paroi du trou est trop rugueuse, ce qui entraîne un mauvais étamage ou une mauvaise soudure. Si la rugosité de la paroi du trou est trop importante, certaines zones seront affectées par une application d'étain insuffisante.
- L'humidité dans les trous peut entraîner une mauvaise soudure. Les boîtiers de circuits imprimés qui ne sont pas séchés ou refroidis après séchage, et qui restent longtemps en place après déballage, etc., favorisent l'humidité dans les trous, ce qui peut causer une mauvaise soudure ou des bulles.
- La taille de la pastille est insuffisante, ce qui entraîne une mauvaise soudure. Des déconnexions ou des espaces entre les pastilles peuvent également causer une mauvaise soudure. En général, la taille des pastilles doit être supérieure à 4 mils.
- L'intérieur du trou est sale, ce qui entraîne une mauvaise soudure. Un nettoyage inadéquat du circuit imprimé, comme une plaque d'or non décapée, conduit à des résidus d'impuretés et de saleté sur les trous et les pastilles, affectant la soudure.
- Le diamètre du trou étant trop petit, les pièces ne peuvent pas y être insérées, ce qui entraîne un échec de la soudure.
- En raison du décalage du trou de positionnement, les pièces ne peuvent pas être insérées dans le trou, ce qui entraîne l'échec de la soudure.
Analyse des défaillances de l'adhésif CMS lors du brasage à la vague
Lors de l'assemblage de circuits imprimés, de nombreuses usines d'électronique utilisent un adhésif CMS (colle rouge) pour réaliser l'assemblage SMT. Ce procédé engendre divers problèmes de décollement de composants, notamment lors du brasage à la vague (en particulier pour les diodes).
Solution détaillée aux problèmes de décollement des composants lors du brasage à la vague de composants CMS. Sommaire :
- Si le composant se détache avec le vernis épargne du circuit imprimé, nous en conclurons qu'il s'agit d'un problème de circuit imprimé (l'adhérence du vernis épargne est insuffisante).
- Vérifiez le circuit imprimé pour détecter d'éventuelles rayures à l'endroit où les composants se détachent. Ces rayures peuvent également entraîner une adhérence insuffisante du vernis épargne, ce qui risque de provoquer le détachement des composants après le processus de refusion.
- Vérifiez le circuit imprimé pour voir si les composants se détachent régulièrement. Si le problème persiste avec certains composants, vérifiez si les trous du pochoir adhésif CMS sont obstrués et si la quantité d'adhésif CMS est suffisante.
- Si les composants se détachent et que l'adhésif CMS y adhère encore, on peut en déduire un problème avec le matériau d'origine des composants ou du circuit imprimé (par exemple, un défaut de traitement de surface du circuit imprimé ou une oxydation des composants).
Exigences techniques pour une soudure à la vague de haute qualité
Le perfectionnement des produits électroniques entraîne une complexification croissante de l'assemblage des cartes PCBA ; les grandes différences entre les différents boîtiers de composants sur la carte PCB et les espaces d'assemblage plus petits entre les composants ont contribué à la large application du soudage à la vague sélectif.
Le brasage à la vague sélectif permet de réaliser certains brasages à la vague de cartes de circuits imprimés présentant une structure complexe, tels que :
De plus en plus de composants PTH sont disponibles avec un pas réduit, tel qu'un pas de 0.5 mm et moins.
Les pastilles de soudure du composant PTH sont trop proches du composant SMD pour satisfaire la conception traditionnelle du dispositif de soudage à la vague.
Composants enfichables double face, la hauteur des composants enfichables ne permet pas le soudage à la vague traditionnel.
Soudage à la vague sélectif DIP
Soudage à la vague sélectif DIP
Comparé au procédé de brasage à la vague traditionnel, le procédé de brasage à la vague sélectif réduit la consommation de flux, les projections de soudure et le coût de traitement grâce à la pulvérisation de colophane en un seul point.
La différence la plus notable entre le brasage à la vague sélectif et le brasage à la vague traditionnel réside dans le fait que, pour le brasage à la vague traditionnel, la partie inférieure du circuit imprimé est entièrement immergée dans la soudure liquide, tandis que pour le brasage à la vague sélectif, seule une zone spécifique est en contact avec la pâte à braser. Lors du brasage, la position de la soudure est fixe et le manipulateur déplace le circuit imprimé dans toutes les directions. L'application de flux est également indispensable avant le brasage.
Contrairement au brasage à la vague, le flux est appliqué uniquement sur la face inférieure du circuit imprimé à souder, et non sur l'ensemble du circuit. Le brasage à la vague sélectif consiste à appliquer le flux, puis à préchauffer le circuit imprimé/activer le flux, avant d'utiliser une buse de soudage. Le brasage traditionnel au fer à souder manuel nécessite un soudage point à point pour chaque composant du circuit imprimé, ce qui implique un plus grand nombre d'opérateurs.
Le soudage à la vague est un procédé de production industrielle en série. Différentes tailles de buses de soudage peuvent être utilisées. Généralement, l'efficacité du soudage est plusieurs dizaines de fois supérieure à celle du soudage manuel (selon la conception du circuit imprimé).