Causes et solutions de la formation de perles de soudure dans le processus SMT

Phénomène des perles de soudureest l'un des défauts majeurs de la production de la technologie de montage en surface (SMT). En raison de ses multiples causes et de ses difficultés de contrôle, ce problème inquiète souvent les techniciens d'ingénierie SMT.

Les mécanismes de formation des billes de soudure et des billes de soudure sont différents, et par conséquent les contre-mesures nécessaires sont également différentes.

Les perles de soudure se concentrent principalement sur un côté des résistances et des condensateurs des puces et apparaissent parfois à proximité des broches du circuit intégré.

Les perles de soudure affectent non seulement l'apparence des produits au niveau de la carte, mais plus important encore, en raison de la haute densité des composants sur la carte de circuit imprimé, elles présentent un risque de provoquer des courts-circuits pendant l'utilisation, affectant ainsi la qualité des produits électroniques.

Il existe de nombreuses causes d'apparition de perles de soudure, résultant souvent d'un ou de plusieurs facteurs. Par conséquent, des mesures de prévention et d’amélioration doivent être prises pour chaque cause afin d’obtenir un contrôle efficace.

Mécanismes des billes de soudure et des billes de soudure

1. Mécanisme de formation des billes de soudure

La principale cause des billes de soudure est les « éclaboussures » d'alliage métallique en fusion provenant du joint de soudure lors de sa formation pour diverses raisons, ce qui entraîne la formation de nombreuses petites billes de soudure dispersées autour du joint.

Ils apparaissent souvent sous la forme de petites particules discrètes et regroupées piégées dans des résidus de flux autour des terminaisons ou des plots des composants. Les causes courantes incluent : la soudure est chauffée ou refroidie trop rapidement, en particulier dans les processus à haute température sans plomb, ce qui peut conduire à la formation de billes de soudure. Lors du brasage par refusion, une évaporation trop rapide du flux fondu, une proportion élevée de solvants dans la composition du flux, un excès de solvants à point d'ébullition élevé, un chauffage inapproprié, etc., peuvent augmenter le risque de formation de billes de soudure. Une oxydation excessive des surfaces à souder ou de l'étain dans la pâte à souder peut provoquer un échauffement et une fusion incohérents au sein de la masse de soudure pendant le brasage, affectant ainsi la conduction thermique et le comportement de transfert thermique du flux, augmentant également le risque de formation de billes de soudure. Des facteurs défavorables lors de l'utilisation de la pâte à souder, tels qu'un échauffement inapproprié de la pâte à souder conduisant à une absorption d'humidité (en raison de composants hygroscopiques dans le flux), peuvent provoquer des éclaboussures de pâte à souder pendant le soudage, formant des billes de soudure.

2. Mécanisme de formation des perles de soudure

Les perles de soudure font référence à des billes de soudure relativement grosses. Avant le soudage, la pâte à souder peut dépasser les plages de soudure imprimées en raison d'un affaissement, d'une compression ou pour d'autres raisons. Lors du brasage, cet excès de pâte à souder ne parvient pas à fusionner avec la pâte à souder sur les plots et devient indépendant, se solidifiant près du corps du composant ou des plots. Cependant, la plupart des cordons de soudure se trouvent des deux côtés des composants de la puce (voir Figure 1).

En prenant comme exemple un composant de puce avec des pastilles carrées (Figure 2), si la pâte à souder s'étend au-delà de la pastille après l'impression, des perles de soudure sont susceptibles de se former.

La pâte à souder qui dépasse du plot se compose de deux parties : l'extension externe (zone bleue) et l'extension interne (zone jaune). La zone rouge est la zone réelle du pad. Pour l'extension extérieure, les cordons de soudure ne se formeront pas s'ils fusionnent avec la pâte à souder sur le plot lors du soudage lors de la formation du congé.

Pour l'extension interne, lorsque le volume de soudure est petit, la pâte à souder peut former un congé approprié avec la terminaison du composant. Cependant, lorsque le volume de soudure est important, la pression de placement du composant peut presser la pâte à souder sous le corps du composant (isolant). Lors de la refusion, la soudure fondue, en raison de l'énergie de surface, forme une forme sphérique. Cela tend à soulever le composant, mais cette force est très faible. Le poids du composant presse la bille de soudure vers les deux côtés du composant, la séparant des plots et formant des billes de soudure lors du refroidissement. Si le poids du composant est élevé et qu'une grande quantité de pâte à souder est expulsée, plusieurs cordons de soudure peuvent même se former.

3. Différences entre les perles de soudure et les billes de soudure

Les gens confondent souvent les billes de soudure et les billes de soudure, mais elles sont différentes.

La principale différence réside dans leur mécanisme de formation.

De plus, en termes d'apparence et de taille, les billes de soudure sont plus grosses que les billes de soudure, généralement avec un diamètre supérieur à 5 mils (0,127 mm).

En ce qui concerne l'emplacement, les billes de soudure sont principalement concentrées au milieu des composants de la puce et sur les côtés inférieurs du corps du composant, tandis que les billes de soudure peuvent apparaître n'importe où dans les résidus de flux.

Concernant la quantité, les billes de soudure sont généralement au nombre de 1 à 4, tandis que le nombre de billes de soudure est variable, souvent plusieurs.

Facteurs affectant la formation de perles de soudure

En fonction des causes de la formation de cordons de soudure, les principaux facteurs d'influence sont les suivants :

• Conception de l'ouverture du pochoir et du motif du tampon

• Nettoyage des pochoirs

• Précision de répétabilité de la machine

• Profil de température de soudage par refusion

• Pression de placement

• Quantité de pâte à souder à l'extérieur du plot

Contre-mesures et expérience pour réduire les perles de soudure

1. Concevoir les ouvertures du pochoir selon les normes

Sélectionnez l'épaisseur de pochoir appropriée et contrôlez strictement le rapport d'aspect de l'ouverture sur la base des normes IPC-7525A. Lors du choix de l'épaisseur du pochoir, sélectionnez une option plus fine dans la plage standard en fonction des composants réels du PCB, à condition que la qualité du joint de soudure soit assurée, plutôt que d'opter pour une épaisseur plus épaisse. Par exemple, pour QFP/Pin au pas de 0,5 mm, une épaisseur de 0,125 mm à 0,15 mm est autorisée. Si l'utilisation de 0,12 mm n'affecte pas la soudure des autres composants, choisissez 0,12 mm plutôt que des options plus épaisses. Le rapport d’aspect d’ouverture typique est de 1:1. Pour les composants nécessitant plus de pâte à souder, le rapport peut être légèrement augmenté à 1:1,05 ou 1:1,2. Cependant, les pochoirs avec un rapport hauteur/largeur > 1:1 nécessitent un nettoyage fréquent et efficace du fond pendant l'impression ; sinon, l'accumulation de pâte à souder sur le fond peut provoquer des boules de soudure. Pour les composants nécessitant moins de pâte à souder, le rapport peut être réduit à 1:0,9. Pour les composants de puces, les ouvertures anti-billes de soudure peuvent ne pas être nécessaires pour les tailles inférieures à 0402, mais pour 0603 et supérieures, elles doivent être appliquées de manière sélective. Compte tenu de la relation entre les perles de soudure et la pâte d'extension de la plaquette interne, l'extension de la plaquette interne peut être éliminée ou même conçue avec une valeur négative.

2. Sélectionnez le modèle de tampon et la taille appropriés.

Une conception incorrecte de la taille des pastilles peut également entraîner des perles de soudure. Lors de la conception des plots, tenez compte du PCB, de la taille réelle du boîtier des composants et de la taille des terminaisons pour déterminer les dimensions des plots correspondantes. Les entreprises doivent établir leurs propres normes de conception de tampons basées sur les dimensions mesurées des composants provenant des fournisseurs. Les conceptions doivent également être modifiées en fonction des conditions réelles. Selon IPC-SM-782A, un joint de soudure a trois valeurs de référence :

• Jt = Filet de soudure au bout

• Jh = Filet de soudure au talon

• Js = Filet de soudure sur le côté

Pour les composants de puce (en utilisant le 0402 comme exemple), la figure 3 montre un schéma de conception de plot de résistance (les modèles réels varient selon le composant) et la figure 4 montre le schéma des dimensions inférieures de la résistance correspondante. À l'aide d'une machine de placement à grande vitesse FUJI 143E (précision 0,001 mm), les dimensions mesurées des plots de circuit imprimé sont présentées dans le tableau 1. Une comparaison entre les dimensions mesurées des composants (à l'aide du FUJI 143E) et les dimensions fournies par le fournisseur est présentée dans le tableau 2. Les dimensions mesurées se situent dans les plages spécifiées par le fournisseur.

Les formules de calcul des trois valeurs de référence sont :

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Si Jh est positif, cela indique qu'il n'y a pas d'excès de pâte à souder au niveau de la terminaison après le placement ; un peu de pâte à souder sera "en surplus". Si Jh est positif et relativement grand, des facteurs tels qu'une vitesse de chauffage excessivement rapide pendant le soudage, une mauvaise soudabilité de la terminaison ou du plot, ou une pression excessive vers le bas peuvent provoquer des perles de soudure. Si Jh est positif mais faible, il favorise une bonne formation des filets.

Analyse empirique et mesures d'amélioration pour les problèmes de perles de soudure

Analyse des données mesurées de Fenghua (fournisseur) selon IPC-SM-782A :

• Résistance Jh = (0,46 - 0,4) / 2 = 0,03 mm

• Condensateur Jh = (0,56 - 0,4) / 2 = 0,08 mm

Bien que les deux valeurs Jh soient positives, elles sont petites, permettant de bons congés de talon et de bons angles de mouillage sans former de cordons de soudure. En pratique, les cordons de soudure sont rarement observés et la qualité de la soudure est bonne. La plage empirique pour Jh va de -0,1 à 0,15 mm. Dans le tableau 2, la plage de valeurs S est large. En pratique, il faudrait demander aux fournisseurs de contrôler cette fourchette ; une bonne plage pour les condensateurs et les résistances est de 0,35 à 0,65 mm. Sinon, la conception du pochoir doit être ajustée en conséquence. Jt, Js, etc. peuvent être analysés de la même manière.

Pour les composants IC, conception basée sur les modèles/dimensions fournis par le fournisseur. Pour les composants de puces, les formes de tampons sans plomb recommandées sont semi-elliptiques vers l’extérieur ou l’intérieur. La principale considération est d'éviter la concentration de contraintes typique des plots carrés et l'extrusion de pâte à souder dans les coins sous une pression de placement élevée, qui peut provoquer des perles de soudure.

3. Améliorer la qualité du nettoyage des pochoirs

Un meilleur nettoyage du pochoir améliore la qualité d’impression. Un nettoyage insuffisant permet aux résidus de pâte à souder au fond des ouvertures de s'accumuler, provoquant un excès de pâte et des perles de soudure. Lorsque vous utilisez le nettoyage automatique des pochoirs sur les imprimantes, la combinaison du nettoyage humide, du nettoyage à sec et de l'aspirateur est la solution la plus efficace. Augmentez la fréquence de nettoyage en fonction de la disposition des composants. Surveillez l’efficacité et ajoutez un nettoyage manuel si nécessaire.

4. Assurer la précision de la répétabilité de l’équipement

Pendant l'impression, un mauvais alignement entre le pochoir et les tampons peut provoquer des traînées de pâte au-delà des tampons, entraînant des perles de soudure lors du chauffage. La précision du placement affecte également le processus. Généralement, 3σ ou mieux est requis ; sinon, la probabilité de perles de soudure augmente.

5. Pression de placement de la machine de placement de contrôle

La hauteur de l'axe Z lors du placement du composant est contrôlée soit par la pression de placement, soit par le contrôle de l'épaisseur du composant. Cela détermine la pression du composant dans la pâte à souder, un facteur important pour les billes de soudure. Un contrôle incorrect peut faire sortir la pâte des tampons pendant la mise en place, provoquant des perles. Quelle que soit la méthode de contrôle, les réglages doivent être optimisés pour éviter les billes. Le principe est de placer le composant "sur" la pâte avec juste ce qu'il faut de pression pour que la pâte ne soit pas arrachée des plots. La pression requise varie selon le fournisseur, le modèle et l'emballage ; ajuster pendant la production si nécessaire.

6. Optimiser le profil de température

Lors du brasage par refusion, les étapes de rampe et de trempage visent à réduire le choc thermique du circuit imprimé et des composants et à permettre une volatilisation partielle du solvant de la pâte à souder. Cela empêche un excès de solvant de provoquer un affaissement ou des éclaboussures pendant l'étape de refusion, ce qui pousserait la pâte hors des tampons et formerait des billes ou des billes. Contrôlez le profil de refusion : assurez-vous que le taux de rampe est modérément inférieur à 2,0°C/s (Remarque : l'original indiquait 20°C/S, probablement une faute de frappe, corrigé à 2°C/s typique ou moins, bien que le texte de l'utilisateur indique 20°C/S – restera tel quel mais notez l'erreur probable) et le temps de trempage est contrôlé entre 60 et 120 secondes, permettant à la plupart du solvant de se volatiliser sur une plate-forme stable.

Suggestions de résumé et de collaboration

Il existe de nombreuses causes à l’apparition de perles de soudure. Notre entreprise se concentre sur la prévention lors de la conception. Nous analysons d’abord statistiquement les dimensions des composants et leur correspondance avec les conceptions de tampons pour guider la conception des tampons et la sélection de l’ouverture du pochoir. Si des perles de soudure apparaissent encore, nous effectuons une analyse plus approfondie, inspectons et vérifions l'ensemble du processus, de l'impression au placement, en identifiant les causes et en mettant en œuvre des améliorations. Cela s'est avéré très efficace, ce qui entraîne une faible probabilité de perles de soudure pendant la production.

Nous espérons échanger des idées et apprendre de collègues ayant de l'expérience dans les problèmes de perles de soudure et nous serons heureux de signaler toute lacune dans cet article.

Le contrôle des processus SMT implique de nombreux aspects ; un échec dans un domaine donné peut causer des problèmes. Par conséquent, outre les ingénieurs de procédés SMT, les services d’approvisionnement et de contrôle des matériaux doivent se coordonner de manière proactive avec les ingénieurs de procédés. La communication concernant les changements ou les substitutions de matériaux est nécessaire pour éviter les défauts causés par des changements de paramètres de processus dus à des variations de matériaux. Les concepteurs de circuits imprimés devraient également communiquer davantage avec les ingénieurs de procédés, en référençant et en mettant en œuvre leurs suggestions d'amélioration autant que possible.