Comment comprendre le profil de refusion du SMT ?

Comment comprendre le profil de refusion du SMT ?

L'invention et le perfectionnement de la technologie de montage en surface (SMT) ont contribué à l'essor de l'industrie électronique. La refusion est l'une des technologies les plus importantes de la SMT.
Le site profil de refusion de l'assemblage d'une carte de circuit imprimé comprend quatre blocs principaux : préchauffage, trempage, refusion et refroidissement. Qui seront présentés en détail dans le passage suivant.

Table des matières
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    Zone de préchauffage

    Dans le profil de refusion, la zone de préchauffage fait généralement référence à la zone où la température du PCBA s'élève de la température ambiante à environ 150~170°C. Dans cette zone, la température doit être augmentée lentement (également connue sous le nom d'augmentation de température en une seule fois) pour faciliter la quantité de pâte à souder et la vapeur d'eau peut être volatilisée à temps pour éviter les éclaboussures et affecter la qualité de la soudure ultérieure, car la température d'activation de la plupart des flux se situe autour de 150°C.

    Les pièces électroniques qui ont été collées sur le PCB, en particulier les pièces de grande taille telles que les BGA et les connecteurs d'E/S, doivent également être chauffées lentement pour se préparer à la température élevée qui suivra. Si la vitesse de chauffage dans cette section est trop rapide, les différences excessives de températures internes et externes des pièces et le CTE des différents matériaux entraîneront une déformation des pièces, et la répartition du cuivre sur le PCB n'est souvent pas conçue de manière uniforme en raison des exigences du circuit.

    zone de préchauffage

    Une vitesse de chauffage trop rapide détériore également la vitesse d'absorption de la chaleur des différentes zones de la carte, ce qui entraîne des différences de contraintes thermiques, une déformation de la carte et d'autres problèmes. Par conséquent, la vitesse d'augmentation de la température dans la zone de préchauffage du profil de refusion est généralement contrôlée entre 1,5°C et 3°C/sec, et certaines pâtes à braser sans plomb augmentent la vitesse d'augmentation de la température à 5°C/sec.

    Bien que l'augmentation rapide de la température aide le flux à atteindre rapidement la température de ramollissement et lui permette de se répandre rapidement et de couvrir la plus grande surface du joint de soudure, elle permet également à une partie de l'activateur d'être incorporée dans le liquide de l'alliage réel.

    Cependant, si la température augmente trop rapidement, l'effet de la contrainte thermique peut provoquer des microfissures dans les condensateurs en céramique, des déformations causées par un chauffage inégal du circuit imprimé, des vides ou des dommages aux puces électroniques, et le solvant de la pâte à braser se volatilise, d'où le risque d'effondrement de la pâte à braser.

    Une rampe de température plus lente permet à une plus grande quantité de solvant de se volatiliser ou de gaz de s'échapper, et elle rapproche également le flux du joint de soudure, réduisant ainsi la possibilité d'étalement et d'effondrement. Toutefois, si la température du profil de refusion augmente trop lentement, la pâte à braser sera sur-oxydée et l'activité du flux sera réduite.

    En outre, il existe plusieurs phénomènes indésirables dans le profil de refusion qui sont liés à la vitesse de réchauffement de la zone de préchauffage, comme suit

    Collapse

    Dans le profil de refusion, ce phénomène se produit principalement au stade de la pâte, avant la fusion de la pâte à braser. La viscosité de la pâte à braser diminue lorsque la température augmente, car l'augmentation de la température fait vibrer plus violemment les molécules du matériau sous l'effet de la chaleur. En outre, le solvant n'a pas eu le temps de s'évaporer correctement en raison de l'augmentation rapide de la température dans le profil de refusion, ce qui entraîne la diminution de la viscosité. 

    l'augmentation de la température fera que le solvant se volatilise

    En fait, l'augmentation de la température entraîne la volatilisation du solvant et augmente la viscosité, mais la volatilisation du solvant est proportionnelle au temps et à la température, c'est-à-dire que pour une certaine augmentation de la température, plus le temps est long, plus le solvant se volatilise. Par conséquent, la viscosité de la pâte à braser avec une montée en température lente sera plus élevée que celle de la pâte à braser avec une montée en température rapide, et la pâte à braser sera moins susceptible de s'effondrer.

    Perles en étain

    Dans le profil de refusion, lorsque le flux se volatilise rapidement en gaz, qui s'échappera rapidement. Parfois, l'étain élevé éclaboussures à la ceinture extérieure, et dans les petits composants de puce sous le corps de la petite fente fera sortir la séparation de la pâte à souder. Parce qu'il n'y a pas de patin de soudure sous les pièces de soudure arrière, ce qui peut attirer la pâte à braser fondue. Combinée au poids de l'extrusion du corps de la pièce, la pâte à braser fondue séparée va sortir de sous le corps de la pièce et former de petites perles d'étain sur son bord.

    Billes de soudure

    Billes de soudure

    Dans le profil de refusion, lorsque la température augmente trop rapidement, le gaz solvant s'évapore rapidement de la pâte à braser et provoque des éclaboussures de la pâte à braser. Le ralentissement de la vitesse de chauffage peut contrôler efficacement la génération de billes de soudure. Mais un chauffage trop lent entraînera également une oxydation excessive et réduira l'activité du flux.

    Phénomène de siphon de lampe

    Ce phénomène dans le profil de refusion est qu'après que la soudure mouille la broche, la soudure remonte de la zone du joint de soudure le long de la broche, de sorte que le joint de soudure a une soudure insuffisante ou vide. La raison possible est que la pâte à braser est en phase de fusion et que la température des pieds du composant est plus élevée que celle de la plaquette du PCB. 

    Elle peut être améliorée en augmentant la température au bas du PCB ou en prolongeant le temps pendant lequel la pâte à braser est proche du point de fusion. Il est préférable d'atteindre l'équilibre de température entre les pieds du composant et la plage de soudure avant que la soudure ne soit mouillée. Une fois que la soudure a été mouillée sur la pastille, la forme de la soudure est difficile à modifier et n'est plus affectée par la vitesse d'élévation de la température.

    Mauvais mouillage

    En plus de l'oxydation, un mauvais mouillage dans le profil de refusion est généralement causé par une oxydation excessive de la poudre d'étain au cours de l'opération. Processus de soudage des PCBqui peut être améliorée en réduisant la chaleur excessive absorbée par la pâte à braser pendant le préchauffage.

    Le temps idéal du profil de refusion doit être aussi court que possible. Si d'autres facteurs empêchent de raccourcir le temps de chauffage, il est recommandé d'adopter une température linéaire entre la température ambiante et le point de fusion de la pâte à braser, afin de réduire la possibilité d'oxydation de la poudre d'étain pendant la refusion.

    poudre d'étain

    Tête dans l'oreiller

    La cause principale de la fausse soudure dans le profil de refusion peut être causée par un phénomène de siphon de mèche ou de non-mouillage. Lorsque le phénomène de siphonage de la mèche se produit, la soudure fondue se déplace vers la position de température supérieure, ce qui entraîne une fausse soudure. S'il s'agit d'un problème de non-mouillage, également connu sous le nom de tête dans l'oreiller En effet, ce phénomène est dû au fait que la bille de soudure du BGA a été immergée dans la soudure, mais n'a pas formé un véritable composé intermétallique (IMC) ou un mouillage. Ce problème peut généralement être résolu en réduisant l'oxydation.

    Vides

    La raison principale est que le solvant ou l'humidité du flux est rapidement oxydé et ne s'échappe pas immédiatement avant la solidification de la soudure.

    Zone de trempage

    zone de trempage

    Dans le profil de refusion, cette zone est appelée zone endothermique, et certaines personnes l'appellent "zone à température constante" ou "zone active", et la température de cette zone à température presque constante est généralement maintenue à 150 ± 10 °C, la température de la pâte à braser sans plomb est maintenue à environ 170°C+/-10°C. La température de montée en température se situe généralement entre 150 et 190°C. Cette zone de profil de refusion est à la veille de la fusion de la pâte à braser, et les volatiles présents dans la pâte à braser seront davantage éliminés. 

    L'activateur a été activé et élimine efficacement les oxydes sur la surface de soudure. L'objectif principal de ce profil de refusion est de réaliser différentes tailles et différentes textures. La température des composants peut atteindre une température constante avant d'entrer dans la zone de refusion, de sorte que la différence de température de la surface de la carte △T est proche de la valeur minimale.

    La forme du profil de refusion dans cette zone de température est proche de l'horizontale, et c'est aussi une fenêtre pour évaluer le processus du four de refusion. Le choix d'un four qui peut maintenir un profil de refusion actif plat améliorera l'effet de soudure, car il n'est pas facile en raison de la différence de temps causée par les différents temps de fusion, il y aura moins de problème de contraintes différentes aux deux extrémités de la pièce.

    La zone à température constante se situe généralement entre les 2ème et 3ème zones du four, et le temps est maintenu pendant environ 60-120s. Si le temps est trop long, la colophane sera volatilisée de manière excessive, et le problème d'oxydation excessive de la pâte à braser sera causé, et l'activité et la fonction de protection seront perdues pendant le brasage par refusion. En conséquence, des problèmes tels que la soudure virtuelle, les résidus de soudure noircis et les joints de soudure ternes sont causés après la soudure.

    Si la température dans cette zone augmente trop rapidement, la colophane (flux) de la pâte à braser se dilate et se volatilise rapidement. Dans des circonstances normales, la colophane doit s'échapper lentement de l'espace entre les pâtes à souder. Lorsque la colophane se volatilise trop rapidement, des problèmes de qualité tels que la porosité, l'étain grillé et les perles d'étain se produisent.

    Zone de refusion

    Zone de refusion

    La zone de refusion est la zone où la température du profil de refusion est la plus élevée de toute la section, et elle est généralement appelée " temps au-dessus des liquides ". À ce moment, l'étain de la soudure va "réagir chimiquement" avec le cuivre (Cu) ou le nickel (Ni) de la plaquette pour former un composé intermétallique Cu5Sn6 ou Ni3Sn4. 

    Prenons l'exemple du traitement de surface de l'OSP (Organic Protective Film), lorsque la pâte à souder fond, elle mouille rapidement la couche de cuivre, les atomes d'étain et de cuivre pénètrent les uns dans les autres à l'interface, et la structure de l'alliage Sn-Cu initial est un bon composé intermétallique (IMC) Cu6Sn5, une étape critique dans le four de refusion, car les gradients de température à travers l'assemblage doivent être minimisés.

    L'épaisseur de l'IMC est acceptable à 1-5μm, mais un IMC trop épais n'est pas bon, et il est généralement recommandé de le contrôler à 1-3μm comme le meilleur. La TAL doit rester dans les paramètres spécifiés par le fabricant de la pâte à souder. La température maximale du produit est également atteinte à ce stade. Si le temps est trop long, l'IMC deviendra plus épais et cassant, et le sol à base de cuivre peut continuer à générer du mauvais IMC Cu3Sn. Le panneau avec traitement de surface ENIG générera de l'IMC Ni3Sn4 au stade initial, mais il générera également très peu de composé Cu6Sn5.

    Il faut veiller à ne pas dépasser la température maximale et la vitesse de chauffage de tout composant sensible à la température sur le PCB. Par exemple, un condensateur au tantale sans plomb typique a une température maximale de 260°C pendant un maximum de 10 secondes. Idéalement, toutes les soudures de l'assemblage devraient atteindre la même température maximale au même moment et à la même vitesse afin de garantir que toutes les pièces subissent le même environnement dans le four.

    La température de pointe du profil de refusion dépend généralement de la température du point de fusion de la soudure et de la température que les pièces assemblées peuvent supporter. En général, la température de pointe doit être supérieure d'environ 25~30°C au point de fusion normal de la pâte à braser afin de mener à bien l'opération de soudage. Si elle est inférieure à cette température, il est très probable qu'elle entraîne les inconvénients de la soudure à froid et du mauvais mouillage. Le temps de la zone de refusion (TAL) est généralement recommandé entre 30s et 60s, et quelques fabricants exigeront plus de 45s et moins de 90s.

    Zone de refroidissement

    Après la zone de refusion, le produit refroidit et solidifie les joints de soudure, prêts pour les processus d'assemblage suivants. Le contrôle de la vitesse de refroidissement est également essentiel.

    joints de soudure

    On pense généralement que la zone de refroidissement du profil de refusion doit être refroidie rapidement pour solidifier la soudure. Le refroidissement rapide permet également d'obtenir une structure cristalline plus fine, d'améliorer la résistance des joints de soudure, de rendre les joints de soudure brillants, et la surface est continue et en forme de ménisque, mais l'inconvénient est qu'il est plus facile de former des trous car certains gaz n'ont pas le temps de s'échapper.

    Au contraire, un refroidissement lent dans un profil de refusion au-dessus du point de fusion conduira facilement à une génération excessive de composés intermétalliques (IMC) et à des grains cristallins plus gros, ce qui réduira la résistance à la fatigue. Tout en accélérant la vitesse de refroidissement, il convient de prêter attention à la résistance au choc des pièces. 

    La vitesse de refroidissement maximale en profil de refusion autorisée par un condensateur général est d'environ 4°C/sec. Une vitesse de refroidissement excessive est susceptible de provoquer des tensions et des fissures. Il peut également provoquer un décollement entre le plot et le PCB ou entre le plot et le joint de soudure. En général, la vitesse de refroidissement recommandée dans le profil de refusion est comprise entre 2 et 5°C/s.

    FAQ

    Le profil de refusion de l'assemblage de cartes de circuits imprimés comprend quatre blocs principaux : préchauffage, trempage, refusion et refroidissement.
    La zone de préchauffage fait généralement référence à la zone où la température du PCBA augmente à partir de la température ambiante d'environ 150~170°C.

    On pense généralement que la zone de refroidissement du profil de refusion doit être refroidie rapidement pour solidifier la soudure. Le refroidissement rapide permet également d'obtenir une structure cristalline plus fine, d'améliorer la résistance des joints de soudure, de rendre les joints de soudure brillants, et la surface est continue et en forme de ménisque, mais l'inconvénient est qu'il est plus facile de former des trous car certains gaz n'ont pas le temps de s'échapper.

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