Comparaison entre le soudage à la vague et le soudage par refusion

Alors que l'électronique contemporaine adopte un poids léger, une efficacité croissante et une vitesse élevée, chaque maillon du processus de fabrication est également conforme à cette philosophie, y compris l'assemblage de cartes de circuits imprimés (PCB). La soudure a joué un rôle essentiel dans la détermination du succès des produits électroniques, puisque les connexions électriques découlent d'une soudure précise. Par rapport au soudage manuel, le soudage automatique a été largement sélectionné en raison de ses mérites de haute précision et de sa vitesse, ainsi que des exigences de volume important et de rentabilité élevée. En tant que principales technologies de soudage pour l'assemblage, le soudage à la vague et le soudage par refusion ont été les plus largement appliqués à l'assemblage de haute qualité ; cependant, les différences entre les deux technologies continuent d'en confondre beaucoup, et le moment où chacune doit être utilisée est également vague.

Avant de comparer formellement le soudage à la vague et le soudage par refusion, il est essentiel de comprendre les différences entre le soudage, le soudage et le brasage (Figure 1). En bref, le soudage fait référence au processus dans lequel deux métaux similaires sont fondus pour être liés ensemble. Le brasage fait référence au processus dans lequel deux pièces de métal sont liées ensemble en chauffant et en faisant fondre une charge, ou un alliage, à haute température. La soudure est en fait une brasure à basse température, et sa charge est appelée soudure.

En ce qui concerne l'assemblage de PCB, la soudure est appliquée à travers une pâte à souder. La soudure avec une pâte à souder contenant des substances dangereuses telles que le plomb, le mercure, etc. est appelée soudure au plomb, tandis que la soudure avec une pâte à souder sans substances dangereuses est appelée soudure sans plomb. La soudure au plomb ou sans plomb doit être choisie en fonction des exigences spécifiques des produits pour lesquels les PCB assemblés seront conçus pour fonctionner.

Comme son nom l'indique, la soudure à la vague est utilisée pour combiner des PCB et des pièces à travers une "vague" liquide formée à la suite de l'agitation du moteur. Le liquide est en fait de l'étain dissous. Elle est réalisée dans une machine à souder à la vague (Figure 2).

Le processus de brasage à la vague est composé de quatre étapes : pulvérisation de flux, préchauffage, brasage à la vague et refroidissement.

Pulvérisation de flux. La propreté des surfaces métalliques est l'élément de base garantissant les performances de soudage, en fonction des fonctions du flux de soudure. Le flux de soudure joue un rôle crucial dans la bonne mise en œuvre de la soudure. Les principales fonctions du flux de soudure comprennent l'élimination de l'oxyde de la surface métallique des cartes et des broches des composants ; protéger les cartes de circuits imprimés de l'oxydation secondaire pendant le processus thermique ; réduire la tension superficielle de la pâte à souder ; et transmettant la chaleur.

Préchauffage. Dans une palette le long d'une chaîne similaire à un tapis roulant, les circuits imprimés traversent un tunnel thermique pour effectuer le préchauffage et activer le flux.

Soudure à la vague. À mesure que la température augmente constamment, la pâte à souder devient liquide avec une vague formée à partir des panneaux de bord qui se déplacent au-dessus. Les composants peuvent être solidement collés sur les cartes.

Refroidissement. Profil de soudure à la vague conforme à une courbe de température. Lorsque la température atteint le pic dans l'étape de soudage à la vague, elle est réduite, ce qui s'appelle une zone de refroidissement. Après avoir été refroidie à température ambiante, la carte sera assemblée avec succès.

Lorsque les cartes de circuits imprimés sont placées sur une palette prêtes à subir le soudage à la vague, le temps et la température sont étroitement associés aux performances de soudage. En ce qui concerne le temps et la température, une machine à souder à la vague professionnelle est nécessaire, tandis que l'expertise et l'expérience de l'assembleur de circuits imprimés sont rarement faciles à obtenir car elles dépendent de l'application de technologies de pointe et de l'orientation commerciale.

Si la température est trop basse, le flux ne fondra pas correctement, ce qui réduira la capacité de réagir et de dissoudre l'oxyde et la saleté à la surface du métal. De plus, l'alliage ne sera pas généré par le flux et le métal si la température n'est pas suffisamment élevée. D'autres facteurs tels que la vitesse de la bande porteuse, le temps de contact des ondes, etc. doivent être pris en considération.

De manière générale, même si le même équipement de soudage à la vague est utilisé, différents assembleurs offrent une efficacité de fabrication différente en raison des méthodes de fonctionnement et de l'étendue des connaissances sur le fonctionnement de la machine.

La soudure par refusion colle de manière permanente les composants qui sont d'abord temporairement collés à leurs pastilles sur les cartes de circuits imprimés à l'aide d'une pâte à souder qui sera fondue par l'air chaud ou une autre conduction de rayonnement thermique. La soudure par refusion est mise en œuvre dans une machine appelée four de soudure par refusion (Figure 3). Comme sa définition l'implique, les composants électriques sont temporairement attachés aux plages de contact avant le soudage à l'aide de pâte à souder.

Ce processus contient principalement deux étapes. Tout d'abord, la pâte à souder est placée avec précision sur chaque pastille à travers un gabarit de pâte à souder. Ensuite, les composants sont placés sur des patins par une machine pick-and-place. La vraie soudure par refusion ne commencera pas tant que ces préparations n'auront pas été faites.

Préchauffage. Cette étape a deux objectifs lors du soudage par refusion. Tout d'abord, il permet aux cartes d'être assemblées pour atteindre systématiquement la température requise pour se conformer pleinement au profilage thermique. Deuxièmement, il est responsable de l'expulsion des solvants volatils contenus dans la pâte à braser. Sinon, la qualité de la soudure sera compromise.

Trempage thermique. Semblable à la soudure à la vague, la soudure par refusion dépend également du flux contenu dans la pâte à souder. En conséquence, la température doit atteindre un niveau auquel le flux peut être activé, sinon le flux ne joue pas son rôle dans le processus de brasage.

Soudage par refusion. Cette phase se produit lorsque le pic de température est atteint, permettant à la pâte à braser d'être fondue et refondue. Le contrôle de la température joue un rôle crucial dans le processus de soudage par refusion. Une température trop basse empêche la pâte à souder de refluer suffisamment; une température trop élevée peut endommager les composants ou les cartes de la technologie de montage en surface (SMT). Par exemple, un boîtier BGA (ball grid array) contient plusieurs billes de soudure qui seront fondues lors de la soudure par refusion. Si la température de soudure n'atteint pas le niveau optimal, ces boules peuvent être fondues de manière inégale et la soudure BGA peut souffrir en raison de la reprise.

Refroidissement. La température baissera peu de temps après que la température maximale sera atteinte. Pâte à souder des fils de refroidissement pour solidifier, fixation permanente des pièces sur les plages de contact sur les cartes.

La soudure par refusion peut être appliquée à la fois dans l'assemblage SMT et dans la technologie à trou traversant (THT), mais est principalement utilisée dans le premier. En ce qui concerne l'application de la soudure par refusion sur l'assemblage THT, on s'appuie généralement sur le pin-in-paste (PIP). Tout d'abord, la pâte à souder remplit les trous sur les cartes. Ensuite, les broches des composants sont branchées dans les trous, avec de la pâte à souder sortant de l'autre côté de la carte. Enfin, la soudure par refusion est mise en œuvre pour compléter la soudure.

La différence entre le soudage à la vague et le soudage par refusion ne peut jamais être ignorée car de nombreux utilisateurs ne savent pas lequel choisir lors de l'achat de services d'assemblage de PCB. Une modification au niveau des soudures a tendance à provoquer des changements dans l'ensemble du processus de fabrication de l'assemblage. Ces changements incluent l'efficacité de la fabrication, le coût, le délai de mise sur le marché, les gains, etc.

La figure 4 illustre la différence entre les étapes du processus de brasage. La différence essentielle entre la soudure à la vague et la soudure par refusion réside dans la pulvérisation de flux - la soudure à la vague contient cette étape, contrairement à la soudure par refusion. Le flux permet l'élimination du dioxyde et la réduction de la tension superficielle du matériau à souder. Le flux ne fonctionne que lorsqu'il est activé, ce qui nécessite un respect rigoureux du contrôle de la température et du temps. Étant donné que le flux est contenu dans la pâte à braser lors du soudage par refusion, la teneur en flux doit être correctement arrangée et atteinte.

Les défauts de soudure semblent inévitables. Il est impossible de déterminer quelle technologie de brasage crée plus de défauts que l'autre, car le processus diffère à chaque fois. Malgré l'inévitabilité des défauts de soudure, leur fréquence peut être réduite lorsque les assembleurs se conforment aux réglementations professionnelles de fabrication d'assemblage et sont pleinement conscients des caractéristiques et des performances de tous les équipements le long de la chaîne de fabrication. En outre, le personnel d'ingénierie doit être qualifié et régulièrement formé afin de suivre le rythme des progrès des technologies modernes.

De manière générale, la soudure par refusion fonctionne mieux pour l'assemblage SMT, tandis que la vague fonctionne mieux pour l'assemblage THT ou DIP. Néanmoins, une carte de circuit imprimé ne contient presque jamais de CMS purs (dispositifs à montage en surface) ou de composants traversants. En termes d'assemblage mixte, le SMT est normalement d'abord effectué, puis le THT ou le DIP est effectué, car la température requise pour le soudage par refusion est bien supérieure à celle requise pour le soudage à la vague. Si la séquence de deux assemblages est inversée, il est possible que de la pâte à braser solide soit refondue, avec des composants bien soudés souffrant de défauts ou même tombant de la carte.

Cet article a été rédigé par Dora Yang, ingénieur technique chez PCBCart, Hangzhou, Chine. Pour plus d'informations, cliquez ici .

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de février 2018 de Tech Briefs Magazine.

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