Qu'est-ce que le soudage à la vague dans la fabrication de circuits imprimés ?

Introduction

Dans le monde complexe de la fabrication de circuits imprimés (PCB), il est primordial d'obtenir des connexions électriques robustes et fiables. La soudure à la vague est une étape essentielle du processus.

Cette technique garantit que les composants traversants adhèrent parfaitement aux circuits imprimés, les ancrant solidement pour leurs applications électroniques prévues.

Dans la production de circuits imprimés, le processus de soudure à la vague implique des étapes complexes, chacune essentielle au résultat final. De la préparation méticuleuse du circuit imprimé et de l'application précise du flux au contrôle de la température de soudure et de la hauteur de vague, cette méthode détient les secrets de la réalisation de joints de soudure fiables.

Dans cette exploration, nous nous plongeons dans le monde du soudage à la vague. Nous vous expliquerons en détail le préchauffage, la création de la vague de soudure, le soudage, le refroidissement et l'importance de l'inspection finale. 

Qu'est-ce que la soudure à la vague ?

Le brasage à la vague est une méthode courante de brasage en masse lors de la production de circuits imprimés. Cette procédure consiste à déplacer un circuit imprimé au-dessus d'un récipient rempli de brasure liquide. 

À l'intérieur de ce récipient, une pompe crée une vague de soudure ascendante, semblable à une onde stationnaire. L'interface entre le circuit imprimé et cette vague de soudure facilite le soudage de ses composants. 

Bien que la soudure à la vague trouve principalement son application dans la soudure de composants traversants, elle peut également être utilisée pour le montage en surface dans des scénarios spécifiques.

L'équipement fondamental utilisé dans le processus de soudage à la vague des circuits imprimés comprend un convoyeur transportant la carte de circuit imprimé à travers différentes zones séquentielles. 

Le bain de soudure est essentiel au processus de brasage, et une pompe génère la vague de soudure essentielle. De plus, ce système comprend des composants intégrés comme un pulvérisateur de flux et un plateau de préchauffage.

Il convient de noter que divers types de machines à souder à la vague sont disponibles, mais leurs composants de base et leurs principes de fonctionnement restent cohérents. 

Machine à souder à la vague

La machine à souder à la vague Il comprend un pot de soudure chauffé pour maintenir la température nécessaire. Dans ce récipient, une vague de soudure est créée, traversée par le circuit imprimé, garantissant que seule la face inférieure de la carte est en contact avec la vague de soudure.

Il est essentiel de réguler la hauteur de la vague pour éviter que la soudure ne s'infiltre dans des zones indésirables de la surface supérieure de la carte. Généralement, nous montons les cartes de manière sécurisée sur un plateau convoyeur résistant aux températures élevées. Dans les usines de fabrication électronique, on trouve couramment des machines de soudage à la vague à pompe bimodale ou électromagnétique. De plus, le prix du soudage à la vague varie selon le modèle, les caractéristiques et les capacités.

Étapes du processus de soudure à la vague

Voici les étapes critiques impliquées dans le processus de soudage à la vague des PCB :

Préparation des PCB

Commencez par préparer le circuit imprimé en vous assurant qu'il est propre et exempt de contaminants ou de résidus. Cette étape peut impliquer le nettoyage de la surface du circuit imprimé pour optimiser l'adhérence de la soudure.

Demande de flux

Le flux joue un rôle crucial dans le processus de soudure à la vague, principalement pour nettoyer les composants soudés, en particulier pour éliminer les couches d'oxyde qui pourraient s'être formées. 

Il existe deux types de flux : corrosifs et non corrosifs. Les flux non corrosifs nécessitent un pré-nettoyage et sont utilisés lorsqu'une faible acidité est requise, tandis que les flux corrosifs, plus rapides et nécessitant moins de pré-nettoyage, présentent un niveau d'acidité plus élevé. 

Nous devons appliquer le flux sur le dessous de la carte à souder. Il est essentiel d'en utiliser la juste quantité. Une quantité insuffisante peut fragiliser les soudures, tandis qu'une quantité excessive peut laisser un surplus de flux sur la carte. Une bonne quantité est essentielle pour une soudure réussie.

Dans le processus de soudage à la vague des circuits imprimés, nous utilisons deux techniques principales pour appliquer le flux.

1. Application du flux par pulvérisation : Cette méthode consiste à pulvériser une fine brume de flux sur la face inférieure de la carte à souder. Dans certains systèmes, un jet d'air comprimé peut éliminer l'excédent de flux, garantissant ainsi une application précise.

2. Application du flux de mousse : Dans cette approche, le circuit imprimé électronique passe sur une cascade de mousse de flux. La mousse est produite en plaçant le flux dans un réservoir. À l'intérieur du réservoir se trouve un cylindre en plastique percé de minuscules trous. Une cheminée métallique recouvre le cylindre, et les opérateurs y insèrent de l'air, ce qui fait monter la mousse de flux à l'intérieur de l'évent.

Ces deux méthodes d'application permettent le dépôt contrôlé et efficace du flux sur le PCB, une étape cruciale pour garantir une soudure fiable.

Préchauffage

Lors du soudage à la vague, des températures élevées, bien supérieures à celles du soudage manuel, exposent les circuits imprimés et les composants. Ce changement soudain de température, appelé choc thermique, peut augmenter le risque de défaillance. 

Il est donc nécessaire de préchauffer les cartes progressivement, afin de leur permettre d'atteindre la température souhaitée et de minimiser ainsi les chocs thermiques, ce qui résoudra ce problème. Dans la zone de préchauffage, nous utilisons généralement des radiateurs à air chaud. 

Les utilisateurs doivent souffler de l'air chaud sur les circuits imprimés lors de leur passage dans la machine à souder à la vague. Un chauffage infrarouge peut assurer un chauffage uniforme sur les circuits imprimés denses, évitant ainsi les zones d'ombre.

Le réglage de la température de préchauffage varie en fonction du type d'assemblage ou de PCB :

• Pour la soudure à la vague unilatérale, réglez la température entre 90 et 100 degrés.
• Pour la soudure à la vague double face et la soudure par refusion double face, maintenez la température dans la plage de 100 à 110 degrés.
• Pour le soudage à la vague de PCB multicouches et le soudage par refusion de PCB multicouches, réglez la température entre 115 et 125 degrés.

Création de vagues de soudure et processus de soudage

Un bac à brasure, ou un récipient à l'intérieur de la machine, contient la brasure fondue lors du processus de brasage à la vague. Une pompe crée une remontée contrôlée de la brasure, formant une onde stationnaire distincte. Il est essentiel de maintenir cette onde à la hauteur et à la température adéquates pour faciliter le processus de brasage.

Une fois le circuit imprimé préchauffé, nous le déplaçons délicatement sur la vague de soudure en fusion. Au contact du circuit imprimé, la soudure se lie aux pastilles métalliques exposées et aux broches du composant. Cette interaction permet la formation de joints de soudure solides et fiables.

Choix du matériau de soudure

Le choix du matériau de soudure est crucial. Traditionnellement, l'alliage de soudure le plus utilisé est le Sn63Pb37, composé de 63 % d'étain et de 37 % de plomb. Cette combinaison offre d'excellentes propriétés de soudure, ce qui en fait un matériau réputé pour la fabrication électronique.

Cependant, le plomb est une substance dangereuse qui peut nuire à la santé humaine et à l'environnement. Sa présence dans les matériaux de soudure présente un risque pour les travailleurs et peut entraîner une pollution. 

Pour répondre à ces préoccupations, les fabricants ont introduit des alliages de soudure sans plomb comme alternative plus sûre. Ces soudures sans plomb sont souvent composées de différents matériaux, les deux choix les plus courants étant le Cu6Sn5 et le Ni3Sn4.

Température de soudure 

Dans le processus de soudure à la vague, la température de la soudure est un facteur essentiel pour la qualité des joints. Il est crucial de gérer soigneusement la température du creuset et du circuit imprimé pour une soudure à la vague réussie. Voici les plages de températures recommandées et les points à considérer pour une soudure à la vague efficace :

• Température de la face supérieure : Pour le brasage à la vague sans plomb, la température typique de la face supérieure se situe entre 180 et 225 °C. Cependant, cette température spécifique peut varier selon le type de flux utilisé.
• Température du pot de soudure à la vague : Dans le cas d'une soudure sans plomb, les opérateurs doivent idéalement maintenir la température du pot de soudure à la vague dans la plage de 265 à 270 °C.
• Température du dessous du PCB : La température sur la face inférieure du PCB dans la dernière zone de préchauffage doit être d'environ 150°C.
• Température du point d'étain : Les opérateurs doivent contrôler étroitement la plage de température du point d'étain à 245 ± 10 ℃ pendant le soudage.
• Température entre CHIP et WAVE : Il est essentiel de s'assurer que la température dans la zone entre le CHIP et le WAVE ne descende pas en dessous de 180℃.
• Taux de rampe de température de préchauffage : Les opérateurs doivent maintenir la vitesse de montée en température du dessous de la carte PCB pendant le préchauffage à une vitesse inférieure ou égale à 5 °C par seconde.
• Température de sortie du PCB : À la sortie du four, nous devons contrôler soigneusement la température de la carte PCB pour nous assurer qu'elle reste inférieure à 100 degrés.

Une gestion efficace de ces paramètres de température est essentielle pour obtenir des joints de soudure fiables et garantir le succès global du processus de soudure à la vague.

Hauteur de la vague de soudure

Lors de la configuration du procédé de brasage à la vague, un paramètre essentiel à prendre en compte est la hauteur de la vague. La durée de contact entre la vague et les composants soudés est généralement de 2 à 4 secondes. 

Deux paramètres clés de la machine régulent ce temps de contact : la vitesse du convoyeur et la hauteur des vagues. La modification de l'un ou l'autre de ces paramètres a un impact direct sur le temps de contact. Nous augmentons ou diminuons généralement la vitesse de la pompe de la machine en conséquence pour ajuster la hauteur des vagues. 

De plus, nous pouvons utiliser une plaque de verre trempé pour une évaluation plus précise des variations de hauteur des vagues. La mise en place d'un dispositif permet l'enregistrement numérique du temps de contact, de la hauteur des vagues et de la vitesse, pour un contrôle complet du processus.

Processus de refroidissement

Il est essentiel de maintenir une vitesse de refroidissement appropriée pour le circuit imprimé (PCB) après le soudage. Un refroidissement rapide peut entraîner une déformation du PCB et endommager les soudures.

À l'inverse, un refroidissement trop lent du circuit imprimé peut le fragiliser et endommager certains composants en cas d'exposition prolongée à des températures élevées. Il est conseillé d'utiliser des méthodes comme le refroidissement par eau ou par air, qui permettent de réguler le refroidissement et de minimiser les dommages potentiels au circuit imprimé pour un équilibre optimal.

Taille et nettoyage

Il peut arriver qu'il y ait trop de soudure à réparer pour une connexion nette et solide. Pour cela, il peut être nécessaire de retirer l'excédent de soudure ou les billes de soudure du circuit imprimé afin de garantir la propreté et la fiabilité.

L'inspection finale

Une inspection finale du circuit imprimé (PCB) garantit que toutes les soudures répondent aux normes de qualité requises et que le PCB est exempt de tout défaut. Cette étape est essentielle pour confirmer l'intégrité du circuit imprimé et la qualité des soudures.

Équipement de base utilisé dans le processus de soudage à la vague

L'équipement essentiel utilisé dans le processus de soudure à la vague comprend :

• Bande transporteuse : La bande transporteuse facilite le déplacement du circuit imprimé, en le guidant à travers différentes sections de la machine à souder.

• Bac à soudure : Il sert de cœur au processus de soudure, contenant la soudure fondue nécessaire à l'opération.

• Pompe : La pompe génère des ondes de soudure distinctives ressemblant à des ondes stationnaires, permettant une soudure efficace.

• Pulvérisateur de flux : Le pulvérisateur de flux distribue le flux sur la face inférieure du PCB, le préparant au préchauffage et à l'immersion dans la soudure liquide.

• Tampon de préchauffage : Cet élément préchauffe le PCB, garantissant des conditions de soudure optimales.

Précautions de sécurité dans le processus de soudage à la vague

Lors de la réalisation d'un brasage à la vague, il est essentiel de respecter diverses précautions pour se prémunir contre les risques potentiels et garantir la qualité du produit final. Parmi ces précautions, on peut citer :

Inspection de la machine

Avant de commencer, il est essentiel de vérifier soigneusement la machine de soudage à la vague, ce qui implique d'examiner l'état de la surface du four, de s'assurer que le laitier d'étain est en bon état et de vérifier l'alimentation en air sous pression.

L'entretien des machines

Un entretien régulier est essentiel pour éviter les dangers potentiels, tels que des vis desserrées, une vitesse de chaîne lente et des arbres de transmission rouillés. Ces problèmes peuvent entraîner le détachement de la carte et une mauvaise qualité de soudure.

Prévention du soulèvement des composants

La chaleur générée lors du soudage peut affaiblir l'adhérence du cuivre et fragiliser la carte. Il est essentiel de manipuler la carte avec précaution lors de son retrait de la machine à souder afin d'éviter que les composants ne se soulèvent.

Éviter les courts-circuits de soudure

Les courts-circuits de soudure se produisent lorsque la soudure ne se sépare pas de deux ou plusieurs broches avant de se solidifier. Pour éviter ce problème, réduire la longueur et la taille de la pastille permet de minimiser l'adhérence de la soudure à la carte. Ces mesures contribuent à un processus de soudure à la vague plus sûr et de meilleure qualité.

Remplissage approprié du trou

Il est essentiel de maintenir un flux de soudure régulier afin d'éviter un remplissage insuffisant des trous, ce qui peut résulter d'un drainage lent de la soudure. Un drainage lent peut entraîner un excès de soudure sur la broche, ce qui entraîne un drainage irrégulier et la formation de traînées de soudure sur la carte. Retirer la carte de la vague de soudure à temps peut également contribuer à éviter ce problème.

Gestion de la quantité de soudure

Une quantité excessive de soudure peut entraîner des problèmes tels que le pontage, où la soudure relie involontairement deux ou plusieurs fils. Pour éviter ce problème, il est nécessaire d'appliquer un revêtement protecteur qui empêche la soudure de ponter les connexions.

Prévention de la formation de boules de soudure

La formation de petites billes de soudure sur la carte peut être réduite en utilisant la quantité appropriée de flux et en garantissant la propreté de la carte avant la soudure.

Éviter les fausses soudures

Des soudures erronées et la formation de bulles d'air peuvent être le résultat d'un trou humide. Il est essentiel de vérifier que le trou est sec avant de poursuivre.

Surveillance de la composition de l'étain

Un contrôle régulier de la composition de l'étain est essentiel pour éviter des problèmes tels que des résultats de mauvaise qualité après le four et une déformation horizontale potentielle des pistes.

Il est important de noter que ces précautions sont données à titre indicatif et que les précautions spécifiques peuvent varier selon le type de machine à souder à la vague et les matériaux utilisés. Suivez toujours les instructions et les consignes de sécurité du fabricant avant d'utiliser une machine à souder à la vague.

Défauts courants rencontrés lors du processus de soudage à la vague

Lors du processus de soudure à la vague, plusieurs défauts peuvent affecter la qualité du produit final. Voici quelques défauts courants, leurs causes, leurs effets et leurs solutions possibles :

Défauts de piqûre ou de soufflure

Ces défauts sont dus à l'épaisseur du placage de cuivre. L'humidité présente dans la carte s'échappe soit par la fine couche de cuivre, soit par les interstices.

Les causes possibles de ces défauts sont un cuivrage, un flux et une soudure de mauvaise qualité. Ces défauts entraînent une faible conductivité électrique et une faible résistance mécanique. La solution consiste à utiliser un cuivrage, un flux et une soudure de haute qualité.

Remplissage insuffisant du trou

Ce problème survient sur les circuits imprimés comportant des trous pré-percés pour le montage des composants. Les causes possibles sont une basse température, une soudure contaminée, des surfaces trop oxydées pour le flux utilisé, un flux contaminé ou une mauvaise application du flux.
 
Les conséquences de ce défaut sont une mauvaise conductivité électrique et une faible résistance mécanique. La solution consiste à rechercher chaque cause possible et à corriger les anomalies suspectées une par une jusqu'à la restauration de la soudabilité.

Composants soulevés

Ce défaut survient lorsque l'utilisateur ne soude pas correctement les composants sur la carte. Les causes possibles incluent un flux de mauvaise qualité, une soudure de mauvaise qualité et un préchauffage insuffisant. 

Les conséquences de ce défaut se manifestent par une conductivité électrique compromise et une résistance mécanique diminuée. La solution consiste à utiliser un flux, une soudure et des techniques de préchauffage de haute qualité.

Soudure excessive

Ce défaut survient lorsqu'une quantité excessive de soudure est appliquée sur la carte. Parmi les facteurs potentiels contribuant à ce problème figurent un flux de mauvaise qualité, une soudure de qualité inférieure et un préchauffage insuffisant. 

Les conséquences de ce défaut se traduisent par une diminution de la conductivité électrique et de la résistance mécanique. Il est essentiel d'utiliser des flux, des soudures et des méthodes de préchauffage de haute qualité pour remédier à ce problème.

Billes de soudure

Ce défaut se produit lorsque de petites billes de soudure se forment sur la carte. Parmi les facteurs contributifs, on peut citer un flux sous-optimal, une soudure de qualité inférieure et un préchauffage inadéquat. 

Les effets de ce défaut comprennent une conductivité électrique réduite et une résistance mécanique affaiblie. Il est conseillé d'utiliser un flux, une soudure et des procédures de préchauffage de haute qualité pour remédier à ce problème. 

Brasage à la vague vs brasage par refusion

La soudure par refusion et la soudure à la vague sont deux méthodes différentes de production de circuits imprimés (PCB). La soudure par refusion assemble principalement des composants montés en surface (CMS), particulièrement adaptés aux petits composants. 

En revanche, la soudure à la vague est la méthode de choix pour la technologie traversante (THT) ou l'assemblage de boîtiers en ligne double (DIP), qui s'adapte généralement à des composants plus grands.

Le soudage par refusion est de plus en plus populaire dans l'industrie des circuits imprimés, offrant des avantages économiques. En revanche, le soudage à la vague excelle en termes de rapidité et d'efficacité, ce qui en fait un choix idéal pour la production en grande série. 

La soudure à la vague et la soudure par refusion présentent toutes deux des avantages et des limites uniques, et le choix de celle à utiliser dépend des exigences spécifiques du PCB.

Examinons les avantages et les inconvénients de chaque technique :

Avantages du soudage par refusion :

• Idéal pour les petits composants
• Crée des joints de soudure de haute qualité
• Fonctionne bien pour la production à petite échelle
• Une solution rentable

Inconvénients du soudage par refusion :

• Ne convient pas aux composants importants
• Exige un contrôle précis de la température
• Moins efficace pour la production à haut volume

Avantages du soudage à la vague :

• Convient aux gros composants
• Rapide et efficace
• Excellent pour la fabrication à grand volume
• Nécessite un contrôle de température moins exigeant

Inconvénients du soudage à la vague :

• Ne convient pas aux petits composants
• Nécessite une intervention qualifiée
• Cela peut entraîner des problèmes tels que des composants soulevés et un excès de soudure, surtout s'il n'est pas traité avec expertise.

Conclusion

En conclusion, maîtriser la soudure à la vague n’est pas seulement une nécessité industrielle ; c’est une forme d’art qui combine précision, technologie et responsabilité environnementale. 

En comprenant sa complexité, les fabricants peuvent garantir la production de PCB répondant à des normes de qualité précises tout en minimisant leur empreinte écologique. 

La soudure à la vague reste un élément fondamental de la production de circuits imprimés, ouvrant la voie à la prochaine génération d'innovations électroniques.