Soudage à la vague ou par refusion :une comparaison complète pour l'assemblage de circuits imprimés

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 des circuits imprimés (PCB). La soudure a joué un rôle essentiel dans le succès des produits électroniques, puisque les connexions électriques découlent d’une soudure précise. Par rapport au brasage manuel, le brasage automatique a été largement choisi en raison de ses avantages de haute précision et de rapidité, ainsi que des exigences de grand volume et de rentabilité élevée. En tant que principales technologies de brasage pour l'assemblage, le brasage à la vague et le brasage par refusion ont été les plus largement appliqués à un assemblage de haute qualité ; cependant, les différences entre les deux technologies continuent d'en dérouter beaucoup, et le moment où chacune doit être utilisée reste également vague.

Figure 1. Les différences entre le brasage, le soudage et le brasage.

Avant de procéder à une comparaison formelle entre le brasage à la vague et le brasage par refusion, il est absolument nécessaire de comprendre les différences entre le brasage, 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 un brasage à basse température, et sa charge est appelée soudure.

Lorsqu'il s'agit d'assemblage de PCB, la soudure est appliquée à l'aide de pâte à souder. Le brasage avec de la pâte à souder contenant des substances dangereuses telles que le plomb, le mercure, etc. est appelé brasage au plomb, tandis que le brasage avec de la pâte à souder sans substances dangereuses est appelé brasage 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.

Soudage à la vague

Comme son nom l'indique, le brasage à la vague est utilisé pour combiner des PCB et des pièces via 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.

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

2. Préchauffage. Dans une palette le long d'une chaîne semblable à une bande transporteuse, les circuits imprimés traversent un tunnel thermique pour effectuer le préchauffage et activer le flux.

3. Soudage à la vague. À mesure que la température augmente constamment, la pâte à souder devient liquide et une vague se forme à partir des panneaux de bord qui se déplacent au-dessus. Les composants peuvent être solidement liés sur les cartes.

4. Refroidissement. Le profil de brasage à la vague se conforme à une courbe de température. Lorsque la température atteint son maximum lors de l’étape de brasage à la vague, elle diminue, c’est ce qu’on appelle une zone de refroidissement. Après avoir été refroidie à température ambiante, la carte sera assemblée avec succès.

Figure 2. Un exemple de machine à souder à la vague.

Lorsque les circuits imprimés sont placés sur une palette prêts à être soudés 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 de soudage à la vague professionnelle est nécessaire, tandis que l'expertise et l'expérience de l'assembleur de PCB sont rarement faciles à obtenir car elles dépendent de l'application de technologies de pointe et de l'orientation commerciale.

Si la température est réglée trop basse, le flux ne fondra pas correctement, réduisant ainsi 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 du porteur de la bande, le temps de contact avec l'onde, etc. doivent être pris en considération.

De manière générale, même si le même équipement de brasage 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 la façon de faire fonctionner la machine.

Soudure par refusion

Le brasage par refusion colle de manière permanente les composants qui sont d'abord temporairement collés à leurs plots sur les circuits imprimés à l'aide de pâte à souder qui sera fondue par air chaud ou autre conduction de rayonnement thermique. Le brasage par refusion est mis en œuvre dans une machine appelée four de soudage par refusion (Figure 3). Comme sa définition l'indique, les composants électriques sont temporairement fixés aux plages de contact avant d'être soudés à l'aide de pâte à souder.

Ce processus comprend principalement deux étapes. Tout d’abord, la pâte à souder est placée avec précision sur chaque pastille à l’aide d’un pochoir à pâte à souder. Ensuite, les composants sont placés sur des plots par une machine pick and place. La véritable soudure par refusion ne commencera pas tant que ces préparations n'auront pas été effectuées.

• Préchauffage. Cette étape sert à deux fins lors du brasage par refusion. Premièrement, il permet aux panneaux d'être assemblés pour atteindre systématiquement la température requise afin de se conformer pleinement au profilage thermique. Deuxièmement, il est chargé d’expulser les solvants volatils contenus dans la pâte à souder. Sinon, la qualité de la soudure sera compromise.

• Trempage thermique. Semblable au brasage à la vague, le brasage 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 soudage.

• Soudure par refusion. Cette phase se produit lorsque la température maximale est atteinte, permettant à la pâte à braser de fondre et de refusionner. Le contrôle de la température joue un rôle crucial dans le processus de brasage 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 technologie de montage en surface (SMT). Par exemple, un boîtier BGA (Ball Grid Array) contient plusieurs billes de soudure qui fondront lors du brasage par refusion. Si la température de soudure n'atteint pas le niveau optimal, ces billes peuvent fondre de manière inégale et la soudure BGA peut en souffrir en raison des retouches.

• Refroidissement. La température baissera peu de temps après que la température maximale soit atteinte. Le refroidissement conduit la pâte à souder pour solidifier, fixant de manière permanente les pièces sur les plages de contact des cartes.

Figure 3. Le brasage par refusion est effectué dans un four de soudage par refusion.

Le brasage par refusion peut être appliqué à la fois aux assemblages CMS et à technologie traversante (THT), mais il est principalement utilisé dans le premier. Lorsqu'il s'agit d'appliquer le brasage par refusion sur un assemblage THT, on s'appuie généralement sur le pin-in-paste (PIP). Tout d’abord, la pâte à souder remplit les trous des cartes. Ensuite, les broches des composants sont branchées dans les trous, un peu de pâte à souder sortant de l'autre côté de la carte. Enfin, une soudure par refusion est mise en œuvre pour terminer la soudure.

Soudage à la vague ou brasage par refusion

La différence entre le brasage à la vague et le brasage par refusion ne peut jamais être ignorée, car de nombreux utilisateurs n'ont aucune idée lequel choisir lors de l'achat de services d'assemblage de PCB. Une modification au niveau de la soudure a tendance à entraîner des changements dans l'ensemble du processus de fabrication de l'assemblage. Ces changements incluent l'efficacité de la fabrication, les coûts, les délais de mise sur le marché, les gains, etc.

La figure 4 illustre la différence entre les étapes du processus de soudage. La différence essentielle entre le brasage à la vague et le brasage par refusion réside dans la pulvérisation de flux :le brasage à la vague contient cette étape, contrairement au brasage 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 brasage par refusion, la teneur en flux doit être adaptée et atteinte de manière appropriée.

Figure 4. Les différences entre les étapes du processus de brasage à la vague et de brasage par refusion.

Les défauts de soudure semblent inévitables. Il est impossible de déterminer quelle technologie de soudage crée plus de défauts qu’une autre, car le processus diffère à chaque fois. Malgré le caractère inévitable des défauts de soudure, leur fréquence peut être réduite lorsque les assembleurs se conforment aux réglementations professionnelles en matière de fabrication d'assemblages et sont pleinement conscients des caractéristiques et des performances de tous les équipements tout au long de la chaîne de fabrication. De plus, le personnel d'ingénierie doit être qualifié et régulièrement formé afin de suivre le rythme des progrès des technologies modernes.

De manière générale, le brasage par refusion fonctionne mieux pour l'assemblage SMT, tandis que le soudage à la vague fonctionne mieux pour l'assemblage THT ou DIP. Néanmoins, un 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 réalisé en premier, puis le THT ou le DIP, car la température requise pour le brasage par refusion est beaucoup plus élevée que celle requise pour le brasage à la vague. Si la séquence de deux assemblages est inversée, la pâte à souder solide risque de fondre à nouveau, 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 .