Défauts de soudure en refusion : défis et solutions

Introduction au brasage par refusion

La technologie de brasage par refusion constitue le processus fondamental pour la production moderne d'assemblages de cartes de circuit imprimé (PCB) de haute qualité. Cette technique permet l'interconnexion électrique en montant précisément des composants montés en surface (SMD) sur des emplacements prédéfinis du circuit imprimé. En tant que méthode prédominante au sein du technologie d'insertion (SMT) système, le brasage par refusion présente des caractéristiques distinctives dans les applications impliquant des composants électroniques miniaturisés et des conceptions de circuits à haute densité. Comparé aux procédés traditionnels de soudure par vague, le brasage par refusion fait preuve d'une adaptabilité remarquable. Sa flexibilité permet de s'adapter à diverses configurations de composants, tandis que son évolutivité répond à des exigences variables de capacité de production.

Le procédé de soudure en phase vapeur comprend trois étapes opérationnelles critiques exécutées séquentiellement. Tout d'abord, les opérateurs doivent appliquer précisément la pâte à souder sur les zones désignées des pastilles du circuit imprimé. Ensuite, un équipement spécialisé de type « pick-and-place » positionne avec précision les composants électroniques sur les emplacements recouverts de pâte, conformément aux paramètres programmés. Le circuit imprimé équipé entre ensuite dans un four de refusion doté de profils de température contrôlés afin de finaliser le processus de soudure, durant lequel la pâte à souder subit des transformations physiques de fusion et de solidification à l'intérieur du four, formant ainsi des joints de soudure fiables possédant à la fois une résistance mécanique et une conductivité électrique. Ce procédé complet de soudage constitue le système fondamental des lignes de production modernes d'assemblage électronique. Ses applications techniques se sont pleinement étendues aux secteurs de l'électronique grand public et du contrôle industriel, englobant notamment des catégories spécifiques de produits telles que les appareils portables comme les smartphones et les équipements industriels tels que les systèmes de commande automobiles.

La tendance continue à la miniaturisation des appareils électroniques et l'augmentation de la densité d'intégration des cartes de circuit posent de nouveaux défis techniques aux procédés de brasage par refusion. La fabrication moderne doit aborder systématiquement plusieurs défauts de soudure typiques, notamment les ponts de soudure, les billes de soudure, les joints de soudure froids, les défauts de vide et les dommages dus aux contraintes thermiques. Pour ces catégories de défauts, des mesures spécialisées d'amélioration du processus doivent être mises en œuvre. Les fabricants doivent mener systématiquement des recherches approfondies sur les mécanismes de formation des défauts et établir des systèmes précis de contrôle du processus fondés sur les résultats de ces recherches. L'application de cette approche de gestion technique offre une double garantie pour les produits d'assemblage électronique : d'une part, elle assure un taux de rendement suffisamment élevé durant le processus de fabrication, et d'autre part, elle garantit un fonctionnement constant et stable tout au long de la durée de vie complète du produit.

Le processus de soudage par refusion en technologie d'assemblage en surface (SMT)

Le processus de soudage par refusion peut être résumé en plusieurs étapes clés. La zone de préchauffage met en œuvre un contrôle précis de la température afin d'activer le flux. La zone de refusion favorise la liaison métallurgique du souder pour former des joints de soudure fiables. Chaque étape du processus exerce une influence décisive sur la qualité des joints de soudure. L'ensemble de ces éléments constitue la garantie fondamentale de la fiabilité globale des composants électroniques.

1. Application de la pâte à souder

• Procédé d'impression par pochoir : À l'aide de pochoirs, la pâte à souder est déposée sur des pastilles sélectionnées du circuit imprimé. Le processus d'impression doit contrôler la quantité de pâte à souder déposée afin d'éviter les défauts, tels qu'un excès de soudure (provoquant des ponts) ou une quantité insuffisante de pâte à souder (entraînant des joints de soudure incomplets).
• Cohérence de l'application de la pâte : Les lignes avancées utilisent des systèmes automatisés d'inspection de la pâte à souder pour surveiller le volume, la forme et le dépôt de la pâte, signalant immédiatement toute anomalie.

2. Placement des composants

• Machines de pose : Ces machines automatisent le placement rapide et précis des composants sur les pastilles fraîchement appliquées, garantissant rapidité et précision sur l'ensemble du circuit imprimé.
• Contrôle du placement : Des machines bien réglées évitent l'inclinaison des composants et réduisent le risque de mauvais alignement.

3. Chauffage par refusion

• Four de refusion : L'assemblage traverse un four de refusion à plusieurs zones où une chaleur contrôlée et uniforme fait fondre la pâte à souder. Un chauffage adéquat sur l'ensemble du circuit imprimé garantit que toutes les soudures se solidifient pour créer des connexions électriques et mécaniques solides.
• Profils de température : Les fours de refusion sont programmés avec une montée en température spécifique, un temps de trempe, une température maximale et un taux de refroidissement, tous adaptés au processus d'assemblage et aux matériaux utilisés.

4. Refroidissement

• Dissipation uniforme de la chaleur : Un refroidissement contrôlé évite les chocs thermiques et garantit des soudures solides et sans vide. Un refroidissement inégal peut entraîner des contraintes, des déformations ou des fissures.

5. Inspection après assemblage

• Inspection automatisée et manuelle : AOI , X-RAY , et des vérifications manuelles confirment que le brasure a correctement coulé et mouillé, et qu'aucun défaut de soudure (comme des ponts de soudure ou des boules de soudure) n'est présent.

Problèmes courants et défauts en soudure par refusion

La technologie de soudage continue de progresser. Les procédés de soudure par refusion font toujours face à plusieurs défis courants. Des problèmes non résolus entraîneront des défauts de qualité dans les assemblages de cartes électroniques.

Ces défauts se manifestent par une dégradation globale de la qualité du produit ou des pannes fonctionnelles.

1. Court-circuit par soudure

• Définition : Le court-circuit par soudure se produit lorsqu'un excès de soudure crée une connexion électrique non voulue entre deux pistes ou broches adjacentes.
• Pourquoi cela se produit : Une conception inadéquate du pochoir, un dépôt excessif de pâte à souder ou des réglages incorrects du four peuvent tous entraîner ce défaut.

2. Formation de billes de soudure

• Définition : De petites sphères de soudure (billes de soudure) restent dispersées sur le circuit imprimé après la phase de refusion.
• Causes : Souvent causé par l'humidité présente dans la pâte, une montée en température trop rapide ou des cartes/pochoirs sales.

3. Effet tombstone

• Définition : Un composant se dresse sur une de ses extrémités ("à la manière des gratte-ciels de Manhattan") en raison d'un chauffage inégal ou de différences de taille des pistes.
• Impact : Provoque des circuits ouverts en raison d'une formation incomplète des joints de soudure.

4. Jointoiements à froid

• Définition : Le joint apparaît terne, granuleux ou poreux ; il échoue souvent sur le plan électrique ou mécanique.
• Raisons : Température du four trop basse, quantité insuffisante de pâte à souder ou patte contaminée pendant le refusion.

5. Présence de vides et joints incomplets

• Les vides présents dans le joint de soudure compromettent la capacité de conduction du courant et la dissipation thermique, en particulier sur les pastilles de puissance et de masse.
• Ce défaut est souvent causé par un dégazage, un mauvais choix de pâte ou des profils de refusion inadéquats.

6. Mauvais alignement des composants

• Pendant le refusion, les composants peuvent se déplacer sur la pastille, provoquant une défaillance fonctionnelle et des coûts de retouche dus à une tension superficielle inégale ou à des vibrations excessives durant le processus de refusion.

Tableau récapitulatif : Défauts courants et leurs causes

Causes profondes des défauts de brasage

Pour résoudre ces problèmes, il est nécessaire d'analyser leurs causes profondes. Certains facteurs clés conduisent fréquemment à l'apparition de défauts :

1. Sélection et application de la pâte à souder

• Sélection de la pâte à souder : Ce processus consiste à évaluer l'alliage, la taille des particules et la chimie du flux. Des choix inappropriés peuvent entraîner des joints de soudure incomplets, des résidus excessifs ou des connexions fragiles.
• Application de la pâte à souder : Le processus d'impression doit contrôler la quantité de soudure dispensée. Une inspection automatisée de la pâte à souder peut réduire considérablement les défauts d'impression.

2. Conception et maintenance du masque

• Forme et taille de l'ouverture : Influence directement le dépôt et donc le volume de pâte à souder. Une mauvaise conception entraîne un excès de soudure (court-circuit) ou une quantité insuffisante (jonctions froides ou incomplètes).
• Entretien et Nettoyage : Les masques sales réduisent l'uniformité du relâchement de la pâte, provoquant des décalages d'impression et des problèmes d'assemblage.

3. Réglages et calibration du four de refusion

• Profil de température : Il est essentiel de définir le bon profil de refusion afin d'obtenir un mouillage uniforme et des soudures sans défaut.
• Calibration du four de refusion : Des fours mal calibrés ou programmés de manière irrégulière provoquent une chaleur inégale sur le circuit imprimé, entraînant des vide, des déformations ou la rupture des soudures.

4. Conception du circuit imprimé et des pastilles

• Dimensions et agencement des pastilles : Des pastilles trop grandes/petites ou espacées de manière irrégulière peuvent favoriser les ponts de soudure et le phénomène de tombstoning.
• Relief thermique et vias : Ajouter des vias thermiques et équilibrer les zones de cuivre réduit le risque de mauvaises connexions par soudure froide et de chocs thermiques.

5. Paramètres du processus et conditions environnementales

• Humidité et température : Des conditions non contrôlées peuvent entraîner l'affaissement de la pâte à souder, l'oxydation et des défauts de mouillage partiel de la pâte à souder.
• Processus en technologie d'assemblage en surface : Les lignes SMT modernes doivent surveiller les conditions ambiantes et effectuer les ajustements nécessaires pour garantir des résultats constants.

Solutions efficaces en brasage par refusion

Les solutions en brasage par refusion ciblent chaque cause racine et sont ajustées pour prendre en compte l'ensemble des variables du processus :

1. Maîtrise du volume et de l'application de la pâte à souder

• Utiliser des systèmes automatisés d'inspection de la pâte à souder après chaque cycle d'impression.
• Vérifier régulièrement la propreté du masque et remplacer les masques usés.
• Adapter le rapport de surface de l'ouverture du masque à la taille du plot pour un dépôt de soudure constant et fiable.

2. Optimisation du profil de refusion

• Utiliser des profilateurs thermiques en temps réel : Placer des thermocouples sur différents endroits du circuit imprimé afin de recueillir des données exploitables pour chaque zone et type de composant. Cela garantit une répartition uniforme de la chaleur, évitant ainsi toute surchauffe locale ou un brasage insuffisant, pouvant entraîner des défauts tels que des soudures froides ou une faible adhérence.
• Montée en température progressive : Le processus de refusion doit inclure une montée en température contrôlée, un palier d'homogénéisation, un pic ciblé et un refroidissement progressif. Des pics rapides ou des durées de maintien inappropriées peuvent provoquer des défauts dus à une fusion incomplète ou à un mouillage irrégulier, notamment en cas de déséquilibre de masse thermique causé par une répartition inégale des composants.
• Adapter les paramètres du four à chaque assemblage : Chaque conception de circuit imprimé peut nécessiter des réglages spécifiques du four en raison de la distribution différente du cuivre, de la densité des composants et de l'épaisseur du circuit. L'ajustement fin des paramètres du processus et la validation de chaque lot permettent de préserver la qualité des soudures et de minimiser les défauts courants tels que les ponts de soudure ou les vides.

3. Prévention des ponts de soudure et des dépôts excessifs de soudure

La formation de ponts de soudure est un défaut typique dans le processus de soudage. Ce phénomène provoque directement des courts-circuits. De tels courts-circuits représentent des risques importants pour la qualité dans l'assemblage électronique.

Mesures clés de prévention :

• Optimisation du masque : Concevoir des ouvertures de pochoir pour réguler avec précision la quantité de pâte à souder. Lors du processus d'impression, maîtriser l'application de la pâte et les dépôts afin de lutter contre un excès de soudure.
• Améliorer le relâchement de la pâte à souder : Choisir des pochoirs dotés de revêtements nano ou d'ouvertures polies et utiliser une pression de raclette appropriée. Cela garantit que la pâte se détache complètement du pochoir, réduisant ainsi les ponts de soudure indésirables.
• Inspection automatisée de la pâte à souder : Déployer des systèmes automatisés pour surveiller et rejeter les assemblages de cartes électroniques présentant un excès de soudure ou un mauvais dépôt, corrigeant le problème avant le procédé de refusion.

4. Réduction des vides, des joints froids et d'une soudure incomplète

Les vides présents dans le joint de soudure réduisent le transfert thermique. La formation de défauts de soudure froide découle principalement de deux causes typiques : une répartition non uniforme de la température pendant le chauffage ou un dépôt insuffisant de pâte à souder en dessous des normes de procédé. Un chauffage inadéquat entraîne une fusion incomplète localisée du matériau de soudure, tandis qu'un volume insuffisant de pâte conduit à une diminution de la résistance des liaisons intermétalliques. Ces anomalies de procédé compromettent directement l'intégrité mécanique des connexions par soudure et réduisent considérablement leur fiabilité opérationnelle à long terme dans les conditions d'utilisation sur le terrain.

Solutions efficaces :

• Sélection de pâte à souder faible en vide : Les nouvelles pâtes sont conçues pour réduire la formation de vides sous les composants BGA et QFN, ce qui est essentiel pour les conceptions nécessitant une forte intensité ou une gestion thermique.
• Élaboration d'un profil assurant un chauffage uniforme : Ajuster le profil de température afin d'assurer une fusion uniforme sur l'ensemble du circuit imprimé sans surchauffer les zones à faible inertie thermique. Un bon dépôt et un profil adéquat permettent d'éviter les joints de soudure incomplets.
• Conception pour l'assemblage : Spécifiez une taille de pad appropriée et des vias thermiques afin de permettre à la chaleur d'atteindre chaque joint, en particulier sous les composants volumineux dissipant beaucoup de chaleur.

5. Prévention du tombstoning, du balling et du déplacement des composants

Le tombstoning et le balling du soudure sont souvent dus à une répartition inégale de la chaleur ou à une mauvaise application de pâte/positionnement.

Stratégies clés :

• Assurez la symétrie des pads et adaptez-la aux extrémités du composant pour un écoulement de soudure équilibré.
• Équilibrez les profils de température pendant les phases de préchauffage et de trempe.
• Lors de l'assemblage de cartes double face, le personnel de fabrication doit mettre en œuvre des solutions adhésives de pré-fixation pour les composants lourds et précis. Cette procédure de pré-fixation garantit que tous les types de composants conservent une position stable avant d'entrer dans le four de refusion.

6. Garantir la maintenance de la pâte à souder et du pochoir

Des résultats fiables dépendent de la maintenance et de l'étalonnage :

• Protocoles de nettoyage des pochoirs : Nettoyez régulièrement les pochoirs afin d'éviter que la pâte à souder sèche n'obstrue les ouvertures et n'affecte la qualité de l'application de la pâte.
• Étalonnage des équipements de refusion : Enregistrez et étalonnez régulièrement les fours de refusion et les machines de pose. Cela garantit un chauffage précis sur l'ensemble du circuit imprimé et une déposition correcte de la pâte, cycle après cycle.

7. Exploitation de l'inspection automatisée et des données

• Inspection automatisée de la pâte à souder (SPI) : La SPI en ligne vérifie chaque dépôt sur chaque carte pour son volume, sa hauteur et sa position, détectant ainsi les défauts potentiels avant les processus en aval.
• AOI et radiographie : Utilisez l'inspection automatisée pour vérifier l'intégrité des soudures, détecter des problèmes courants comme un apport insuffisant de soudure, et repérer les défauts cachés.

Bonnes pratiques pour obtenir des soudures fiables

Les entreprises de fabrication doivent établir des objectifs de production stables pour des soudures de haute qualité et un assemblage fiable des circuits imprimés. Les services de production doivent intégrer de manière exhaustive les solutions d'optimisation suivantes dans les processus d'assemblage existants. La mise en œuvre systématique de ces mesures techniques peut améliorer efficacement la cohérence des produits et la fiabilité du processus.

• Contrôle complet du processus de soudure :

Documenter et surveiller chaque étape de refusion, depuis le choix de la pâte à souder jusqu'au profil du four et à l'inspection.

• Formation continue et amélioration :

Les entreprises doivent organiser des formations systématiques aux compétences destinées aux opérateurs. Les services de fabrication doivent dispenser une formation technique spécialisée selon les normes IPC. Les usines doivent mettre en place des mécanismes réguliers d'examen des processus. Ces mesures renforceront considérablement la capacité de détection et de prévention des défauts.

• Stabilité Environnementale :

Maintenir une humidité et une température contrôlées dans la zone de production afin d'éviter les problèmes liés à l'humidité dans la pâte à souder ou à des variations environnementales extrêmes.

• Mettre en œuvre une optimisation basée sur les données :

Collecter, examiner et réagir aux tendances des données d'inspection pour détecter des problèmes cachés, tels que des micro-bridages, des joints de soudure incomplets ou des anomalies spécifiques à un lot.

Stratégies d'inspection, de dépannage et de réparation

Les entreprises de fabrication doivent d'abord établir un système de production complet et normalisé. Elles doivent ensuite développer des normes d'inspection qualité systématiques tout en élaborant simultanément des solutions efficaces pour le traitement des retouches. Ces mesures de gestion garantissent conjointement le bon fonctionnement du système de production. ：

• Inspection automatisée de la pâte à souder et des joints : Intégrer l'inspection par SPI et AOI dans votre processus d'assemblage, permettant ainsi des alertes en temps réel en cas de problèmes tels que des bridages de soudure, une quantité insuffisante de pâte à souder ou un positionnement décalé.
• Analyse des causes profondes: Lorsqu'un défaut est détecté, remonter à sa source : s'agissait-il d'un excès de soudure, d'un profil thermique incorrect ou d'un décalage de positionnement ?
• Techniques de réparation et de retouche : Pour les défauts récupérables, des techniciens qualifiés peuvent utiliser des outils à air chaud ou des stations de refusion localisées — en enregistrant systématiquement toute intervention afin de suivre les origines des défauts et les taux de retouche.
• Boucle de rétroaction : Résoudre ces problèmes améliore non seulement le rendement immédiat, mais prévient également d'éventuelles occurrences futures.

Optimisation avancée : des matériaux à l'étalonnage du four

Évolutions dans le choix des matériaux et des pâtes

• Ingénierie de la pâte à souder : Choisir des pâtes adaptées aux exigences de votre assemblage en termes de résistance à l'affaissement, d'adhérence et de caractéristiques de refusion — particulièrement pour les assemblages de circuits imprimés à pas fin ou haute densité.
• Considérations relatives à l'absence de plomb : Ajuster soigneusement les profils de refusion pour les nouveaux alliages sans plomb à point de fusion plus élevé afin d'éviter défauts provenant d'une fusion insuffisante.

Technologie des fours et maintenance prédictive

• Fours intelligents : Les fours de refusion modernes intègrent des capteurs qui cartographient la température en temps réel, alertant en cas de dérive ou d'anomalies naissantes dans le profil thermique avant qu'elles ne provoquent des défauts de masse.
• Maintenance Prédictive : Utilisez l'apprentissage automatique et les données de CPM pour planifier le nettoyage des fours, le remplacement des ventilateurs et l'étalonnage avant l'apparition de défauts, voire automatiser les alertes en cas de rendement défectueux ou de taux de faux-accord croissants.

IoT et fabrication intelligente

• Intégrez les lignes de refusion à des systèmes MES à l'échelle de l'usine afin d'assurer une traçabilité complète, une surveillance environnementale et un signalement automatique des défauts.
• Associez les données de pose, d'impression, de refusion et d'inspection pour obtenir une vision globale de l'ensemble de votre ligne SMT.

Questions fréquemment posées

Q : Quelle est la principale différence entre le brasage par refusion et le brasage par vague ?

A : Le soudage par refusion fait fondre la pâte à souder uniquement là où les composants sont montés, ce qui permet de supporter des circuits à pas fin, double face et haute densité. Le soudage par vague fait passer le circuit au-dessus d'une vague de soudure fondue, ce qui convient mieux aux assemblages à trou métallisé et est moins efficace pour les travaux modernes de CMS à pas fin.

Q : Pourquoi les ponts de soudure et les billes de soudure apparaissent-ils encore même avec un contrôle automatisé ?

A : Même avec une automatisation, un excès de soudure, des pastilles de taille inégale, des masques sales ou une programmation imprécise du four peuvent provoquer ces problèmes courants si les causes racines ne sont pas corrigées.

Q : Comment puis-je être sûr que mon profil de refusion est correct ?

A : Optimisez-le à l'aide de profileurs thermiques, validez-le sur l'ensemble du circuit imprimé et effectuez des prélèvements sur plusieurs cartes. Ajustez votre profil pour chaque nouveau design, en particulier lorsque vous changez de pâte à souder ou de disposition majeure des composants.

Q : L'inspection automatisée de la pâte à souder élimine-t-elle tous les défauts liés à la pâte ?

A : L'inspection automatisée détecte la plupart des problèmes de volume et de forme de la pâte, mais doit être associée à une bonne maintenance du masque, au choix adéquat de la pâte et à des contrôles environnementaux pour obtenir les meilleurs résultats.

Q : Que dois-je faire si je constate régulièrement des soudures avec des vides ou incomplètes ?

A : Vérifiez la qualité de votre pâte à souder, l'étalonnage de votre four et recherchez d'éventuelles contaminations. Ajustez les durées de maintien et les taux de montée en température, et passez à des pâtes à faible formation de vides si nécessaire.

Conclusion : Maîtriser les défis et solutions du brasage par refusion

Maîtriser les défis et solutions du brasage par refusion est un processus continu. En comprenant les problèmes courants liés au refusion—tels que les ponts de soudure causés par un excès de soudure non maîtrisé, le chauffage inégal sur la carte (PCB) ou les pastilles présentant une quantité insuffisante de soudure pendant le refusion—les ingénieurs et fabricants peuvent mettre en œuvre des solutions efficaces, allant du choix de la pâte à souder à l'optimisation du profil de refusion.

Grâce à un contrôle rigoureux de la conception des pochoirs, de l'étalonnage des fours, de l'application de la pâte et d'inspections continues, votre équipe peut produire systématiquement des soudures de haute qualité, réduire au minimum les défauts et obtenir des assemblages de cartes électroniques fiables et de niveau mondial. L'analyse avancée et la fabrication intelligente renforcent encore davantage vos outils de réussite.