Guide détaillé du processus et des techniques de soudage par refusion

Dans la fabrication électronique moderne, le brasage par refusion est la principale méthode de brasage pour le montage des composants CMS sur les circuits imprimés. Que ce soit pour le prototypage ou la production en série, la qualité du brasage par refusion influe directement sur la fiabilité, les performances et la durée de vie du produit.

En termes simples, le procédé de brasage par refusion se déroule comme suit : la pâte à braser est d’abord déposée sur les pastilles du circuit imprimé ; les composants sont ensuite placés sur cette pâte ; puis, le circuit imprimé passe dans un four de refusion chauffé. Sous l’effet de la chaleur, la pâte à braser fond et fixe solidement les composants au circuit imprimé, assurant ainsi des connexions électriques et mécaniques stables.

Bien que le principe de fonctionnement du brasage par refusion ne soit pas compliqué, de nombreux facteurs influencent les résultats du brasage par refusion en production réelle, tels que le type de pâte à braser, la conception du pochoir, la structure des pastilles et le contrôle crucial du profil et de la température de refusion.

Cet article combine le contenu de plusieurs ressources techniques et explique de manière plus simple et plus claire ce qu'est le brasage par refusion, comment le processus de brasage par refusion est réalisé étape par étape, comment choisir la machine de brasage par refusion appropriée, comment configurer un profil de refusion stable et comment réduire les défauts de brasage courants en production.

Qu'est-ce que la soudure par refusion ?

Qu’est-ce que le soudage par refusion ? En termes simples, le soudage par refusion est une méthode de soudage des composants CMS sur un circuit imprimé par chauffage.

Le procédé de base est le suivant : on dépose d’abord de la pâte à braser (composée de poudre à braser et de flux) sur les pastilles du circuit imprimé, puis on place les composants à leur emplacement. Ensuite, le circuit imprimé est placé dans un four de refusion chauffé. Lorsque la température monte, la pâte à braser fond et s’étale, recouvrant les pastilles et les broches des composants. Lorsque la température redescend, la brasure refroidit et se solidifie, formant ainsi une soudure solide.

Le soudage par refusion est largement utilisé pour plusieurs raisons :

•  Elle permet de souder simultanément de nombreux composants, avec une efficacité élevée et des résultats de production stables.

•  Il convient aux circuits imprimés haute densité, tels que ceux utilisés pour les téléphones portables, les ordinateurs, l'électronique automobile et les objets connectés.

•  Il est très facile à utiliser avec les lignes de production SMT automatisées, telles que l'impression au pochoir, le placement de composants et le four de refusion.

Il convient également de noter que le brasage par refusion et le brasage à la vague ne sont pas des procédés identiques. De manière générale, le brasage à la vague est principalement utilisé pour le brasage des composants traversants (THT), tandis que le brasage par refusion est généralement utilisé pour les composants CMS (composants montés en surface).

Présentation du processus de soudage par refusion 

Un processus de brasage par refusion stable repose sur un contrôle rigoureux de chaque étape précédente. Un bon résultat est obtenu grâce à des procédures de production standardisées et à une maîtrise du processus.

Sur une ligne de production CMS typique, le brasage par refusion se déroule généralement en plusieurs étapes :

•  Préparation et nettoyage des circuits imprimés

•  Impression de pâte à braser (généralement par pochoir)

•  Placement des composants (pick-and-place)

•  Chauffage dans un four de refusion

•  Refroidissement, étape durant laquelle la soudure se solidifie et forme des joints de soudure.

•  Contrôle et contrôle qualité

Préparation et nettoyage des circuits imprimés

Avant le brasage par refusion, la surface du circuit imprimé doit être propre. En cas de contamination, des problèmes tels que des soudures froides, des circuits ouverts ou des soudures incomplètes peuvent survenir après le brasage par refusion.

Les méthodes courantes de nettoyage des circuits imprimés comprennent :

• Nettoyage par ultrasons – convient pour éliminer les contaminations tenaces

• Nettoyage aqueux – utilise des solutions de nettoyage à base d'eau

• Nettoyage aux solvants – utilise des solvants chimiques pour éliminer l'huile ou les résidus

Le choix de la méthode de nettoyage dépend du type de contamination, des matériaux du circuit imprimé et des exigences environnementales.

Application de pâte à souder

Dans la plupart des lignes de production de brasage par refusion, la pâte à braser est déposée sur les pastilles du circuit imprimé à l'aide d'un pochoir. Un pochoir bien conçu permet de contrôler efficacement le volume de pâte à braser, réduisant ainsi les risques de pontage ou d'insuffisance de soudure.

Les principaux facteurs affectant la qualité de l'impression de la pâte à braser sont les trois suivants :

• Épaisseur et conception de l'ouverture du pochoir, qui déterminent la quantité de pâte à braser déposée sur les pastilles.

• Pression, vitesse et angle de la raclette, qui influent sur la capacité de la pâte à braser à être transférée uniformément sur le circuit imprimé.

• Propriétés de la pâte à braser (comme la viscosité et le comportement d'écoulement) et les conditions de stockage affecteront la stabilité d'impression.

Placement des composants / Sélection et placement

Lors du placement des composants, il est impératif de les positionner avec précision sur la pâte à braser. Un positionnement incorrect entraînera une répartition irrégulière de la soudure lors du refusion, ce qui risque d'affecter la qualité du brasage.

En cas de problèmes de placement, des défauts tels que l'effet « tombstone », le déplacement ou le mauvais alignement des composants, les circuits ouverts et les ponts de soudure surviennent généralement après le brasage par refusion.

Four de refusion de soudure

Le four de refusion est l'équipement le plus important du processus de brasage par refusion. Son rôle est de chauffer le circuit imprimé, permettant ainsi à la pâte à braser de fondre à la température appropriée, puis de refroidir pour former des joints de soudure solides.

Un bon four de refusion doit non seulement être capable de chauffer, mais aussi de chauffer le circuit imprimé à la bonne température, au bon moment et de manière contrôlée sur toute la surface de la carte.

Types de fours de refusion

Lors du choix d'une machine à braser par refusion, le mode de chauffage est un facteur important. Les deux types les plus courants sont le chauffage infrarouge et le chauffage par convection d'air chaud.

Zones du four de refusion

La plupart des fours de refusion sont divisés en plusieurs zones de température, et chaque zone peut être contrôlée indépendamment.

L'ensemble de ces zones de température forme le profil de refusion global que subit le circuit imprimé lors du processus de soudage par refusion.

Elle peut généralement être divisée en 4 étapes :

Zone de préchauffage

Durant la phase de préchauffage, la température du circuit imprimé augmentera progressivement afin d'éviter tout choc thermique sur les composants.

Zone de trempage

L'étape de trempage permet de maintenir le circuit imprimé dans une plage de température moyenne pendant un certain temps, ce qui permet d'uniformiser la température de l'ensemble du circuit imprimé et d'activer simultanément le flux dans la pâte à braser.

Zone de refusion

Dans la zone de refusion, la température dépasse le point de fusion de la soudure, et la pâte à braser fond et mouille les pastilles et les broches des composants.

Zone de refroidissement

Durant la phase de refroidissement, la soudure se solidifie et forme le joint de soudure final.

Profils de température / Profil de refusion

Le profil de refusion correspond à la courbe d'évolution de la température que subit une carte de circuit imprimé à l'intérieur d'un four de refusion. Il s'agit d'un facteur important qui influe sur la qualité du brasage par refusion et le rendement de production.

Les profils de refusion courants incluent :

• Rampe-Trempe-Pic (RSS)

La température augmente d'abord, puis se stabilise pendant un certain temps, avant d'atteindre finalement la température de refusion maximale.

• Rampe à pic (RTS)

La température augmente continuellement jusqu'à atteindre son maximum, avec peu ou pas de phase d'imprégnation.

• Profil personnalisé

Le profil est ajusté en fonction de la structure du circuit imprimé, des types de composants et des caractéristiques de la pâte à braser.

Il est essentiel de contrôler régulièrement le profil de refusion, car l'état de la machine de soudage par refusion évolue avec le temps. Par exemple, les performances du ventilateur peuvent varier, les éléments chauffants peuvent vieillir et les courroies transporteuses peuvent s'user.

Pour maintenir une qualité de refusion stable, il est nécessaire de vérifier et d'ajuster régulièrement le profil de refusion.

Problèmes et solutions courants de soudage par refusion

Même sur une ligne de production mature, divers défauts de soudure peuvent survenir lors du processus de refusion. Une ligne de production performante permet d'identifier rapidement la cause première du problème et d'apporter des améliorations à plusieurs étapes, telles que le dépôt de pâte à braser, le placement des composants et le four de refusion.

Voici quelques défauts courants et leurs solutions correspondantes.

Pierre tombale

Le phénomène de « tombstoning », aussi appelé « effet Manhattan », se produit lorsqu'une extrémité d'un composant électronique se soulève et se redresse pendant le brasage par refusion, provoquant un circuit ouvert. Il s'agit d'un défaut typique dû à un déséquilibre lors du processus de brasage.

Causes communes

•  Chauffage inégal entre les deux coussins

•  Volumes de pâte à braser différents sur chaque pastille

•  Placement incorrect des composants

•  Déséquilibre thermique causé par une répartition inégale du cuivre sur le circuit imprimé

Solutions

•  Optimiser les ouvertures du pochoir pour équilibrer le volume de pâte à braser

•  Vérifier la précision du placement

•  Ajuster le profil de refusion

•  Amélioration de la conception des plots et de l'équilibrage du cuivre

Les vides

Les vides correspondent à des poches de gaz emprisonnées dans la soudure. Ce phénomène est plus fréquent dans les boîtiers BGA, QFN ou les grandes pastilles thermiques. Les vides peuvent réduire la conductivité thermique des soudures et affecter leur fiabilité.

Causes communes

•  Gaz emprisonné lors du brasage par refusion

•  L'oxydation affecte le mouillage de la soudure

•  Stockage ou manipulation inadéquats de la pâte à souder

•  Profil de refusion inadapté

Solutions

•  Optimiser le profil de refusion

•  Utilisez une pâte à braser à faible porosité.

•  Améliorer la conception des pochoirs

•  Maintenir les surfaces des circuits imprimés propres

Joints de soudure à froid

Les joints de soudure froids présentent généralement un aspect terne ou fissuré en surface, ce qui indique généralement que la soudure n'a pas complètement fondu ou qu'elle mouille mal.

Causes communes

•  Température de refusion trop basse

•  Durée au-dessus du liquidus trop courte

•  Transfert de chaleur insuffisant vers certaines zones du circuit imprimé

•  Dégradation ou oxydation du flux

Solutions

•  Augmenter la température de refusion maximale

•  Prolongez légèrement la durée au-dessus du liquidus

•  Améliorer l'uniformité du chauffage

•  Veillez à utiliser de la pâte à souder neuve.

Ponts de soudure

Un pont de soudure se produit lorsque la soudure relie deux pastilles adjacentes, provoquant un court-circuit. Ce type de problème est relativement fréquent sur les composants à pas fin ou les circuits imprimés haute densité.

Causes communes

•  Excès de pâte à souder

•  Impression au pochoir de mauvaise qualité

•  Désalignement des composants

•  Profil de refusion instable

Solutions

•  Réduire le volume de pâte à braser

•  Améliorer la qualité d'impression des pochoirs

•  Vérifier la précision du placement

•  Ajuster le profil de refusion

Billes de soudure

Le terme « billes de soudure » ​​désigne la formation de nombreuses petites billes de soudure autour des joints de soudure après un brasage par refusion. Ces billes peuvent provoquer des courts-circuits et affecter la fiabilité du produit.

Causes communes

•  Chauffage trop rapide pendant la phase de préchauffage

•  mauvais état de la pâte à souder

•  Impression incohérente

•  Profil de refusion incorrect

Solutions

•  Ralentissez la montée en température du préchauffage.

•  Améliorer le stockage et la manipulation de la pâte à braser

•  Optimiser la conception du pochoir

•  S'assurer que les surfaces des circuits imprimés sont propres

Ces défauts de soudure mettent en évidence un point essentiel : la soudure par refusion est un processus système complet. Le dépôt de pâte à braser, le positionnement des composants et le contrôle de la température de refusion doivent être parfaitement coordonnés pour garantir une qualité de soudure stable.

Inspection et contrôle qualité

Le rôle du contrôle est de transformer la connaissance des processus en un contrôle qualité quantifiable et mesurable. Un système qualité optimal ne repose généralement pas sur une seule méthode de test, mais en combine plusieurs.

Inspection visuelle

La méthode d'inspection la plus fondamentale est l'inspection visuelle manuelle.

L'opérateur observera directement les joints de soudure sur le circuit imprimé afin de vérifier la présence de défauts de soudure évidents, tels que :

•  Pontage de soudure

•  Joints de soudure manquants

•  Joints de soudure incomplets

Cette méthode est simple, mais elle permet d'identifier rapidement de nombreux problèmes visibles.

Inspection optique automatisée (AOI)

L'inspection optique automatisée (AOI) utilise des caméras et des systèmes de reconnaissance d'images pour inspecter la surface des circuits imprimés. Elle peut détecter :

•  La forme de la soudure est-elle normale ?

•  Le placement des composants est-il correct ?

•  S'il y a des anomalies de soudure

Comparée à l'inspection manuelle, l'AOI est plus rapide et plus fiable.

Inspection aux rayons X

Pour les cartes multicouches ou les circuits imprimés complexes, l'inspection de surface seule est insuffisante. On recourt alors à l'inspection par rayons X. Celle-ci permet de révéler l'état interne des joints de soudure, notamment :

•  Vides à l'intérieur des joints de soudure

•  Soudure insuffisante

•  Défauts de soudure cachés

Conclusion

Pour être fiables, les produits électroniques doivent impérativement comporter des joints de soudure de qualité. Le brasage par refusion est devenu la méthode de brasage la plus courante dans la production de composants CMS. Comprendre le brasage par refusion ne se limite pas à savoir que la soudure fond sous l'effet de la chaleur. Il est surtout essentiel de comprendre comment la conception du pochoir CMS, les performances de la pâte à braser, la précision de placement et les paramètres du four de refusion influent conjointement sur la stabilité de l'ensemble du processus de brasage.

Parallèlement, il est également nécessaire d'examiner l'ensemble du processus de fabrication électronique. De nombreux produits comportent à la fois des composants CMS et des composants traversants. Par conséquent, comprendre les différences entre le brasage à la vague et le brasage par refusion permet de faire un choix plus judicieux en termes de coût, d'efficacité et de fiabilité.

Questions fréquentes

1. Qu'est-ce que le soudage par refusion ?

Le brasage par refusion est une méthode utilisée pour fixer des composants CMS sur un circuit imprimé. La pâte à braser est déposée sur les pastilles, les composants sont placés, puis le circuit passe dans un four de refusion où la soudure fond et forme des joints de soudure.

2. Quelle est la différence entre le soudage à la vague et le soudage par refusion ?

Le brasage par refusion est principalement utilisé pour les composants CMS, tandis que le brasage à la vague est utilisé pour les composants traversants. De nombreux assemblages de circuits imprimés utilisent les deux procédés.

3. Qu'est-ce qu'un profil de refusion ?

Le profil de refusion est la courbe de température que suit une carte de circuit imprimé à l'intérieur du four de refusion pendant le processus de brasage par refusion. Il comprend généralement les étapes de préchauffage, de maintien au chaud, de refusion et de refroidissement.

4. Quelle est la température de refusion typique ?

Pour la plupart des pâtes à braser sans plomb, la température de refusion maximale se situe généralement entre 235 °C et 250 °C, en fonction de la pâte à braser et des composants.

5. Quels défauts peuvent survenir lors du soudage par refusion ?

Les défauts courants de soudure par refusion comprennent le phénomène de « tombstone », les ponts de soudure, les joints de soudure froids, les vides et les billes de soudure.

6. Pourquoi le four de refusion est-il important ?

Le four de refusion contrôle la température pendant le processus de brasage par refusion, garantissant ainsi une température de refusion correcte et une qualité de joint de soudure constante.