Meilleures pratiques de fabrication : Soudure à la vague
Au fil des ans, les meilleures pratiques ont évolué et continueront d'évoluer avec les changements d'environnement, les besoins et les défis des entreprises, et ce qui peut fonctionner pour une entreprise ne sera pas nécessairement le meilleur pour une autre. Un domaine commun parfois négligé par rapport au montage en surface est la soudure à la vague, qui peut souvent introduire des retouches et des reprises importantes si elle n'est pas gérée de manière appropriée.
Les recommandations suivantes sont basées sur l'expérience et les meilleures pratiques et ne sont pas censées être considérées comme des règles strictes, mais plutôt comme des lignes directrices - votre situation vous dictera quelles sont les pratiques les plus efficaces pour votre entreprise.
Cet article se concentrera sur les défauts communs des vagues et sur les meilleures pratiques pour à la fois traiter, prévoir et prévenir de manière proactive la réapparition de ces problèmes. Les éléments contributifs tels que la sélection/les considérations relatives aux composants, la conception, l'outillage et le processus seront abordés.
Le défaut de loin le plus courant de la vague est le pontage, c'est-à-dire la formation non désirée de soudure entre les conducteurs. Les facteurs contribuant aux défauts comprennent le composant, la conception, l'outillage et le processus.
Pont de soudure
Considérations sur les composants
Longueur du fil - La spécification de la longueur du fil du composant dans la conception par rapport à l'épaisseur du PCB fournit la saillie respective du fil dans la soudure pendant ce processus. S'assurer que la longueur du fil n'est ni trop courte (c'est-à-dire que la soudure ne peut pas atteindre la broche pour obtenir une action capacitive), ni trop longue (c'est-à-dire qu'elle fournit un chemin pour le webbing d'une broche à l'autre) peut prolonger le pontage de l'assemblage.
Lors de la spécification de la longueur du câble du composant, la meilleure pratique consiste à s'assurer que la longueur du câble est suffisante pour assurer le transfert de chaleur nécessaire au bon fonctionnement de l'effet de mèche, afin d'assurer un remplissage suffisant du canon, sans dépasser la saillie maximale spécifiée dans la norme IPC-A-610. Une bonne règle de base est que la longueur ne doit pas être supérieure à la distance entre les deux anneaux adjacents. En veillant à ce que cette règle soit respectée, la probabilité de formation de bandes est considérablement réduite, car la tension de surface attire la soudure vers la zone de cuivre la plus proche.
Dans les cas où la longueur du plomb est trop longue, il est recommandé de préparer les composants et de couper le plomb pour obtenir la longueur souhaitée.
Figure 1 : La hauteur des composants montés en surface sur la face inférieure peut entraîner des exigences de palettes plus épaisses et avoir un impact supplémentaire sur la capacité de la soudure à entrer et à sortir de la poche.
D'autres considérations liées aux composants eux-mêmes peuvent être la contamination des PCB, la contamination des composants, l'oxydation ou les problèmes de masque de soudure.
Considérations relatives à la conception
Orientation des composants - Particulièrement pertinent pour les connecteurs à nombre de broches plus important avec au moins 2 rangées ou plus où l'orientation du connecteur parallèlement à l'onde peut entraîner des pontages importants.
La meilleure pratique consiste à s'assurer que les connecteurs à grand nombre de broches sont orientés perpendiculairement à l'onde afin de minimiser le nombre de broches exposées à l'extrémité arrière du connecteur où un pontage est susceptible de se produire. Ceci est particulièrement vrai pour les pas fins. Dans les cas où l'orientation ne peut pas être prise en compte, d'autres méthodes telles que les voleurs de soudure (des pastilles non fonctionnelles ou des caractéristiques en cuivre placées sur le bord de fuite pour éloigner la soudure du dernier fil afin d'empêcher la formation de ponts) peuvent être conçues soit sur la carte, soit sur la palette de vague sélective pour minimiser la formation de ponts.
Considérations sur l'outillage
Certaines des meilleures pratiques dans la conception de la palette de soudure sélective incluent une orientation correcte du PCB dans la palette de vague sélective. Il est recommandé d'incliner la carte entre 15 et 30 degrés pour limiter le pontage de quelques broches en s'assurant que seules quelques broches se retrouvent en tant que broches traînantes. Cela est particulièrement utile lorsque des connecteurs à broches plus grandes sont conçus parallèlement à la direction de l'onde.
Des ouvertures de vague suffisamment grandes et des canaux d'écoulement de soudure sur le fond de la palette de vague permettent un écoulement de soudure et une application de flux suffisants, empêchant la formation de flaques ou de zones où la soudure est piégée, ce qui entraîne la formation de ponts. En général, les contraintes telles que le dégagement minimum entre le bord extérieur de l'anneau annulaire et un plot de montage en surface déterminent la taille de l'ouverture. La recommandation est de 0.100" pour cette distance pour une conception correcte.
La hauteur des composants montés en surface sur la face inférieure peut nécessiter des palettes plus épaisses et avoir un impact supplémentaire sur la capacité de la soudure à s'écouler dans et hors de la poche. Le rapport d'aspect est lié à la longueur/largeur de l'ouverture de soudure par rapport à la course verticale nécessaire pour que la soudure atteigne le fond du PCB. Le rapport minimum est de 1:1 pour la soudure au plomb, mais passe à 1:3 pour la soudure sans plomb. Autrement dit, si la longueur/largeur est de 0,150", la dimension verticale maximale est de 0,150", pour la soudure au plomb. Le non-respect de ce rapport d'aspect entravera l'écoulement correct et augmentera le risque de défauts liés à la vague.
En outre, l'orientation de la planche sur une palette de vagues sélectives à 15 degrés peut aider à atténuer le pontage à quelques épingles, généralement une solution hybride des techniques ci-dessus fournit la solution optimale.
Considérations relatives au processus
Le choix du flux approprié pour l'application ainsi que du profil thermique approprié peut avoir un impact significatif sur la formation du pont de soudure et le choix d'un flux approprié pour la masse thermique et le profil de chauffage requis peut avoir un impact significatif sur le rendement global.
En général, une teneur en solides plus élevée est plus robuste à des températures plus élevées et les flux à base d'eau ne sont pas aussi performants à des températures élevées et conviennent mieux aux cartes à faible température. S'assurer que la température de préchauffage et le temps de séjour de votre carte sont appropriés pour votre flux peut faire la différence entre un bon et un mauvais résultat. Brûler le flux avant la vague peut entraîner la formation de ponts.
Composants levés
Un autre défaut courant est celui des composants soulevés après l'onde, qui est plus prédominant sur les petits composants tels que les composants axiaux ou radiaux (mais tout aussi courant sur les connecteurs et autres composants) qui sont soulevés pendant le contact avec l'onde et sont soudés en place. La pratique la plus courante pour y remédier consiste à préformer les conducteurs des composants et/ou à les retenir sur les palettes.
Considérations sur les composants
S'assurer que les composants tels que les composants axiaux et radiaux sont correctement préparés peut éviter la plupart des situations de levage. Le formage ou le clinchage des fils qui maintiennent mécaniquement les composants en place sont de loin les plus courants. Comme pour le pontage, les fils trop longs peuvent également exagérer le soulèvement, ce qui agit comme un levier pour pousser le composant hors de sa position.
Considérations sur l'outillage
D'autres composants, tels que les connecteurs, qui ne peuvent pas être facilement maintenus en place, nécessitent des moyens de fixation supplémentaires, qui peuvent prendre la forme de colle ou de pinces dans le cadre de la soudure sélective.
Lorsque l'on envisage de recourir à des surbras pour le serrage, la masse thermique supplémentaire introduite par ces caractéristiques et doit être prise en compte dans le profil et peut éventuellement nécessiter un flux différent pour de meilleures performances.
Considérations relatives au processus
La hauteur des vagues et l'utilisation d'un flux lambda par rapport à un flux laminaire peuvent également contribuer à l'augmentation des occurrences de soulèvement des composants. La hauteur des vagues ne doit pas dépasser 50 % de l'épaisseur du circuit imprimé par rapport à la palette et l'utilisation d'écoulements turbulents doit être réduite au minimum.
D'autres considérations incluent les vibrations du convoyeur, l'angle, etc.
Soudure insuffisante
Un autre défaut le plus courant de la vague est l'insuffisance de soudure et peut être classé comme un remplissage incomplet du baril ou un mouillage circonférentiel incomplet.
La déshumidification ou la non-mouillification est un phénomène connexe, mais généralement plus lié à la contamination de la soudure, de la carte ou du composant. Aux fins de cet examen, nous supposerons que les composants sont en bon état avant le traitement. Les meilleures pratiques pour prévenir l'introduction de ces types de défauts comprennent un processus d'inspection à l'entrée bien établi combiné à un test de trempage des soudures conformément à la norme IPC-TM-650 pour les composants suspects contaminés ou oxydés.
Considérations relatives à la conception
Les considérations courantes en matière de conception sont la connexion directe des trous traversants plaqués à de grands plans de cuivre qui agissent comme un puits de chaleur pendant le brasage à la vague. Pour y remédier, la meilleure pratique consiste à prévoir un soulagement thermique dans ces zones afin de permettre un écoulement correct pendant le brasage. Les rayons thermiques fournissent une isolation et peuvent augmenter de manière significative la probabilité d'un bon joint.
Figure 2 : La connexion directe des trous métallisés aux grands plans de cuivre agit comme un dissipateur thermique pendant le soudage à la vague. La meilleure pratique consiste à fournir un soulagement thermique dans ces zones pour permettre un écoulement correct pendant le soudage.
Il faut également tenir compte des disparités entre le diamètre du fil du composant et le diamètre du trou de passage plaqué. Un trou traversant plaqué qui est soit trop grand, soit trop petit par rapport au fil peut également entraîner une insuffisance. Le rapport d'aspect recommandé est généralement de 0,6 plus grand que le fil du composant pour obtenir de bons résultats.
Considérations relatives au processus
En général, il s'agit du transfert de chaleur ou d'un flux insuffisant, car les deux peuvent avoir un impact tout aussi important sur le remplissage de la soudure. Le manque de pénétration ou la présence de flux en raison de profils trop chauds sont les causes fondamentales les plus courantes.
Des produits tels que les fluxomètres qui utilisent du papier acide et des PCB de conception spéciale avec des trous traversants plaqués à intervalles réguliers peuvent être utilisés pour garantir que la quantité de flux et la pénétration (c'est-à-dire la pression) appropriées sont appliquées pour une utilisation optimale.
Des examens réguliers ou mensuels, y compris des contrôles de lev ou de vagues, peuvent également fournir une indication sur le niveau des vagues, le profil de température et la performance globale du four. Il est recommandé de s'assurer que la dérive du processus liée à l'équipement ne contribue pas aux défauts.
Figure 3 : Un fluxmètre peut être utilisé pour s'assurer que la quantité de flux et la pénétration appropriées sont appliquées pour une utilisation optimale.
Vides de soudure
Les vides de soudure ou les dégagements gazeux (trous de soufflage et trous de broche) se produisent lorsqu'un joint de soudure présente un petit trou qui pénètre la surface de la connexion soudée. Cela est généralement dû à l'emprisonnement de l'humidité qui, au cours du processus de soudage, dégage des gaz du joint.
Considérations relatives au processus
Comme les composants, les cartes de circuits imprimés sont également sensibles à l'humidité, mais elles ne sont généralement pas traitées de la même manière que les composants sensibles à l'humidité. En règle générale, tous les PCB doivent être considérés comme MSL 3 et être gérés comme tout autre dispositif sensible à l'humidité.
Best Practice is to ensure PCBs are sealed and only opened just prior to use. Extended periods between thermal cycle operations like surface mount reflow and wave should be considered when reviewing exposure time. If a board is not soldered within 72 hours after the previous thermal cycle operation, it should be baked to remove excessive moisture in accordance with J-STD-033 or kept in a dry cabinet with a relative humidity <5% to minimize the risk of such occurrences.
Balles à souder
Les boules de soudure et les défauts d'éclaboussure se produisent généralement lorsqu'une petite sphère de soudure adhère au stratifié, à la résistance ou au conducteur après le brasage à la vague. Il en existe trois types : aléatoire, non aléatoire et éclaboussures, qui sont tous liés au processus.
Considérations relatives au processus
Pour les boules de soudure aléatoires, elles sont les plus faciles à traiter et sont généralement le résultat d'un flux excessif avant la vague, d'une hauteur de vague inégale. Si vous entendez un "grésillement" lorsque la carte passe sur la vague de soudure, c'est une bonne indication que le préchauffage est trop faible, que l'application de flux est trop élevée ou que la température de la vague est trop élevée.
Pour les billes de soudure non aléatoires qui apparaissent au même endroit ou sur la tige arrière, cela est le plus souvent dû à un flux insuffisant ou à des préchauffages trop élevés.
Pour le Splash back, cela est le plus souvent dû à une hauteur de vague trop élevée ou à une turbulence excessive dans la vague. 95 % des applications, si elles sont conçues de manière appropriée, peuvent être soudées avec un flux laminaire uniquement et il est recommandé d'aider à éviter ces situations.
La meilleure pratique consiste à utiliser des outils tels que le fluxomètre et Waverider pour vérifier le parallélisme et l'optimisation adéquate du flux afin de minimiser de telles occurrences.
Considérations sur l'outillage
Les zones de piégeage dans la palette à vagues peuvent également contribuer à la formation de billes de soudure. En examinant la conception des palettes pour le flux de soudure afin de s'assurer qu'il y a suffisamment de canaux d'écoulement ou d'évents pour permettre le dégazage pendant le soudage, on peut contribuer à minimiser les occurrences de billes de soudure et d'éclaboussures.
Glaçons, drapeaux et soudures excessives
Les icônes et les drapeaux (cornes) et l'excès de soudure se produisent lorsqu'une carte de circuit imprimé passe par un processus de soudure et recueille trop de soudure ou développe une saillie indésirable de soudure à partir du joint. Le processus est le plus souvent en cause.
Considérations relatives au processus
La raison la plus fréquente, et de loin, est que la température du pot de soudure à la vague est trop basse ou que le temps d'arrêt du pot de soudure est insuffisant. Les meilleures pratiques recommandent un temps d'arrêt de 3 à 5 secondes pour une bonne formation du joint. Des outils tels que les Oven-riders peuvent fournir une indication de la dérive de la température du pot de soudure, mais il est toujours recommandé de mesurer régulièrement la température du pot de soudure pour s'assurer qu'elle est correcte. Les lectures de température du pot de soudure à la vague sur la machine ne correspondent pas toujours à la réalité et doivent être contrôlées.
La meilleure façon de prévenir les défauts est d'appliquer les meilleures pratiques par le biais de révisions formalisées de la conception et de mettre en œuvre des contrôles de processus autour des paramètres clés de la vague tels que la température du pot de soudure, le préchauffage, la durée de vie, le parallélisme et l'optimisation du flux.
Des activités telles que la conception pour la fabrication (DFM) ou la conception pour l'assemblage (DFA) peuvent permettre de gagner un temps considérable dans l'application des règles de conception afin de s'assurer que les considérations relatives à la conception des PCB, les exigences thermiques, la compatibilité de fabrication et les contributeurs connexes sont identifiés tôt dans le cycle de conception où les changements peuvent être mis en œuvre à une fraction du coût.
Il est important de s'aligner très tôt sur les partenaires de fabrication stratégiques afin de fournir un retour d'information pertinent sur tous les aspects de la conception. En effet, les décisions de conception prises très tôt peuvent affecter la viabilité à long terme et le coût du produit sur l'ensemble de son cycle de vie.
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Brain Morrison, vice-président de l'ingénierie chez Vexos, est directement responsable du processus, des tests et du développement, axé sur les nouveaux clients et l'introduction de nouveaux produits. M. Morrison a contribué à l'élaboration de la feuille de route technologique de l'entreprise, des systèmes et des processus, de l'ingénierie de la valeur, de la gestion environnementale et des initiatives de fabrication visant à réduire les coûts, à offrir des solutions flexibles et à favoriser l'innovation en matière de fabrication.