Guide des problèmes de soudure à la vague pour les PCB

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Qu'est-ce que la soudure à la vague ?

La soudure à la vague est un type de processus de soudure utilisé lors de la fabrication en masse de cartes de circuits imprimés, ou PCB. Le processus de soudure à la vague permet aux fabricants de souder rapidement et de manière fiable de grandes cartes de circuits imprimés. Le processus tire son nom de la vague de soudure sur laquelle chaque carte est passée. L'utilisation d'une vague de soudure plutôt que de points de soudure individuels produit des joints de soudure qui sont mécaniquement et électriquement fiables.

Le processus de soudure à la vague est efficace à la fois pour la méthode conventionnelle d'assemblage de circuits imprimés traversants et pour la nouvelle méthode de montage en surface.

Alors, qu'y a-t-il dans une machine à souder à la vague et comment fonctionne le processus ?

À la base, une machine à souder à la vague standard commence par un composant :un réservoir de soudure chauffé qui est maintenu à la température requise pour le processus de soudure spécifique en cours. À l'intérieur du réservoir, le technicien met en place une vague de soudure, puis passe chaque PCB à travers le réservoir, de sorte que le haut de la vague de soudure entre juste en contact avec le bas du PCB.

Les concepteurs doivent être conscients de deux problèmes majeurs lorsqu'il s'agit de concevoir des cartes de circuits imprimés qui vont être soudées à la vague.

• Espacement des pads : Si les pastilles à souder sont trop rapprochées, de la soudure liquide peut s'écouler entre elles. Il en résulte un court-circuit non seulement des deux pastilles connectées, mais éventuellement de l'ensemble du circuit imprimé.

• Réserve de soudure : Avoir une couche de résistance à la soudure sur la carte de circuit imprimé n'est plus aussi problématique qu'avant, car une couche de résistance à la soudure est dans le plan comme pratique courante. Néanmoins, revérifier qu'un masque de soudure ou une couche de réserve de soudure fait partie du plan de votre PCB est toujours une bonne chose à faire et aide à prévenir les accidents malheureux.

Une fois que la carte à souder a été vérifiée pour l'espacement des pastilles et une couche de réserve de soudure, il est temps d'appliquer le flux. Le flux aide à garantir que les zones de la carte qui doivent être soudées sont propres et exemptes d'oxydation. Il existe deux manières différentes d'appliquer le flux, selon les circonstances.

• Flux de pulvérisation, qui peut être appliqué sous forme de fine brume et suivi d'un jet d'air comprimé pour éliminer tout excès.
• Flux de mousse, qui est appliqué sur le panneau à partir d'un réservoir de flux régulier. Un cylindre en plastique avec de minuscules trous est immergé dans le réservoir de flux. Une fois le cylindre bel et bien immergé, une cheminée métallique peut être installée au-dessus de celui-ci. L'air peut ensuite être forcé à travers le cylindre pour faire monter la mousse à travers la cheminée. Le fond du circuit imprimé peut ensuite être recouvert de ce flux de mousse.

Une fois que vous avez traité le dessous de la planche avec du flux, il est temps de préchauffer la planche. En raison de la façon dont la soudure est appliquée dans le cadre du processus de soudure à la vague, les cartes de circuits imprimés qui ont été soudées à la vague sont soumises à d'énormes quantités de chaleur - bien plus que si elles avaient été soudées manuellement. Sans préchauffage, les circuits imprimés peuvent présenter différents types de défauts de soudure, tous dus à un choc thermique.

Pour aider à minimiser les risques de choc thermique, les cartes qui doivent être soudées à la vague doivent être chauffées lentement à la température requise.

Quels sont certains des défauts qui peuvent arriver aux cartes soudées à la vague si elles ne sont pas préchauffées ?

Défauts de soudure à la vague et solutions

Ce n'est pas parce qu'il y a des machines impliquées dans le processus de soudure à la vague qu'il est moins sujet aux erreurs que de souder chaque joint à la main. Que vous utilisiez une cuve à souder ou un fer à repasser, vous devez traiter la soudure comme une science précise, en contrôlant soigneusement où et quoi vous soudez.

Sinon, vous rencontrerez l'un des nombreux défauts de soudure comme ceux répertoriés ci-dessous :

1. Remplissage de trou insuffisant

Un remplissage insuffisant des trous est un problème qui se produit sur les cartes de circuits imprimés avec des trous pré-percés pour les composants à monter sur la carte. Essentiellement, un remplissage insuffisant des trous se produit lorsqu'une quantité insuffisante de soudure a rempli les trous percés pour les composants, ce qui signifie que la soudure ne collera pas à la carte de circuit imprimé une fois refroidie. Plusieurs raisons expliquent un remplissage insuffisant des trous :

• Le flux a été appliqué de manière incorrecte et n'a pas pénétré à travers la carte, ce qui signifie que la soudure n'a pas été activée et n'a pas pu lier correctement les composants.

• La température du côté supérieur de la carte n'est pas assez élevée pour faire fondre la soudure afin qu'elle puisse monter à travers les trous.

• Il n'y avait pas assez de planche dans la vague de soudure. Si une partie insuffisante de la carte entre en contact avec la vague, trop peu de soudure est poussée dans les trous traversants.

La meilleure façon de résoudre ces problèmes est d'exécuter une autre série de vérifications de pré-soudure. Vérifiez le type de flux que vous utilisez et assurez-vous qu'il y a un volume suffisant pour couvrir l'ensemble du PCB. Cette étape aidera également à résoudre le deuxième problème :un préchauffage insuffisant.

Étant donné que la soudure s'écoule vers la chaleur, la soudure ne s'écoulera pas aussi bien si les trous traversants de votre PCB ne sont pas à la bonne température. Bien que la "bonne" température dépende des normes d'exploitation de votre entreprise, la règle générale se situe entre 300 et 340 degrés Fahrenheit, soit environ 150 à 170 degrés Celsius.

L'ensemble doit atteindre cette température avant la planche entre en contact avec la vague. Si vous n'êtes pas sûr que vos trous traversants atteignent la bonne température, prenez un profil du processus de soudure à la vague - il devrait ressembler exactement ou très similaire aux processus de refusion de votre carte.

Pendant que vous dressez un profil du processus de soudure à la vague, vous pouvez également vérifier la hauteur de votre carte, c'est-à-dire la quantité de carte exposée à la vague à un moment donné. Essayez d'avoir au moins la moitié de l'épaisseur de la carte dans la vague de soudure à tout moment, ce qui permettra à la pression hydrostatique de la vague de pousser la soudure dans le trou traversant.

2. Composants soulevés

Les composants soulevés, également connus sous le nom de pierres tombales, sont des composants qui se sont élevés de la carte pendant le processus de soudure. Il existe plusieurs causes courantes de pierres tombales, notamment :

• Des longueurs de câble incorrectes, ce qui peut entraîner le soulèvement des composants de la carte lorsqu'ils entrent dans le bain de soudure.
• Tentative d'effectuer une soudure à la vague sur un circuit imprimé flexible, qui se pliera tandis que le reste des composants restera à plat, ce qui les fera décoller de la carte.
• Utiliser des composants avec des exigences variables pour le type de soudure et la température.

Pour corriger les longueurs de câble incorrectes, examinez les câbles que vous utilisez. Si vos fils sont trop longs, frapper le bain de soudure peut les pousser hors du trou traversant. Pour résoudre ce problème, vous pouvez augmenter le temps d'immersion dans l'onde, ce qui devrait réduire la demande thermique sur les câbles et leur permettre de se stabiliser.

Pour corriger la flexion du PCB ou d'autres problèmes liés à la flexion, revérifiez le type de PCB que vous utilisez et quelles sont ses tolérances thermiques. La flexion de la carte est courante sur les gros connecteurs et sur les gros boîtiers ou prises IC. Les PCB qui fléchissent dès le départ, comme le plastique, ne doivent pas être soudés à la vague, car la vague de soudure peut faire plier le plastique et soulever les composants de la carte.

Enfin, une fois que vous avez vérifié les tolérances thermiques de votre carte, vérifiez les tolérances thermiques de tous vos composants. Les composants qui ont des exigences de température ou des températures de soudabilité au plomb différentes peuvent également se soulever au contact de la vague, car certains composants se soudent, tandis que l'excès de chaleur en repousse d'autres. Assurez-vous que tous les composants que vous utilisez ont les mêmes exigences, ce qui devrait aider à prévenir ce genre de problèmes.

3. Soudure excessive

Une soudure excessive est le résultat d'une accumulation de soudure sur votre carte lors du passage dans un réservoir de soudure à la vague. Bien que cela finisse toujours par établir une connexion électrique entre la carte et le composant en question, il sera difficile pour vous ou pour quiconque regarde la carte de dire exactement ce qui se passe à l'intérieur de la soudure elle-même.

Il peut y avoir plusieurs raisons pour lesquelles vous pourriez avoir trop de soudure sur vos connexions :

• Avoir les mêmes types de composants orientés dans des directions différentes
• Utilisation de longueurs de câble incorrectes lors de vos processus de conception
• Faire fonctionner votre tapis roulant trop vite

La première cause est une solution assez simple. Assurez-vous que tous vos composants d'un seul type - par exemple, toutes vos batteries - sont orientés de la même manière lorsqu'ils entrent dans le réservoir à vagues. Ainsi, si un composant est orienté "à l'opposé" du réservoir lorsqu'il entre, tous les autres composants de ce type doivent également être orientés dans cette direction.

La fixation des protubérances de fil - qui sont causées par des longueurs de fil incorrectes dans le processus de conception - peut également aider à prévenir une soudure excessive. Si le fil est trop long, la soudure peut s'accumuler dessus et devenir excessive. Pour résoudre ce problème, décidez d'une longueur de câble qui ne s'étend pas trop loin au-delà des surfaces de vos coussinets. Par exemple, la NASA utilise une longueur de fil de 2,29 mm, juste assez longue pour dépasser la pastille pour la soudure.

Si vos composants sont tous orientés de la même manière et que vos longueurs de soudure sont précises, vous devrez peut-être ralentir votre tapis roulant. Une bande transporteuse qui va trop vite peut finir par déverser vague après vague de soudure sur les composants de votre carte lorsqu'ils traversent le réservoir de soudure. La solution la plus simple à ce problème consiste à discuter avec votre chef de projet des vitesses de bande transporteuse acceptables.

4. Balle de soudure

La formation de boules de soudure peut se produire lorsque de petits morceaux de soudure se rattachent au PCB - en particulier près des fils - au cours du processus de soudure à la vague. Les causes courantes de bouletage de la soudure peuvent inclure :

• La température de la soudure dans le réservoir est trop élevée.
• La soudure retombe dans la vague à mesure qu'elle se sépare de la carte, ce qui peut entraîner l'éclaboussure de cet excès de soudure sur la carte.
• Les gaz libérés par le flux chauffé peuvent faire recracher la soudure liquide sur la carte.

La meilleure façon de résoudre les problèmes généraux de billes de soudure réside dans la conception du PCB lui-même. Lorsque vient le temps de choisir le masque de soudure que vous utilisez dans la conception de votre circuit imprimé, essayez d'en trouver un qui a le moins de chances de permettre à la soudure d'y adhérer en premier lieu. En choisissant le meilleur masque de soudure pour votre conception, vous pouvez contribuer à rendre la conception de votre carte plus robuste.

Les boules de soudure causées par les gaz du flux chauffé proviennent généralement d'un reflux excessif dans l'air autour de votre réservoir de soudure à la vague ou d'une baisse de l'azote présent dans l'environnement. Vérifiez la quantité d'air circulant dans le réservoir de soudure, ainsi que la quantité d'azote présente dans l'environnement de votre réservoir de soudure. Garder un œil attentif sur ces deux éléments aidera à atténuer les problèmes de billes de soudure causés par le rebond du flux chauffé.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles la soudure peut retomber dans la vague :s'il y a encore du matériau volatil dans le flux, quelle est la hauteur de la vague de soudure, etc. La meilleure façon d'obtenir une perle sur la racine du problème est de faire fonctionner votre vague de soudure avec une carte blanche au-dessus de la vague, mais sans aucun traitement de cartes. Exécutez le même test avec quelques planches de test passant par la vague et comparez les résultats.

5. Drapeaux de soudure

Les drapeaux de soudure sont de petites saillies de soudure qui sortent des extrémités de vos fils. Même s'ils vous permettront toujours d'établir une connexion électrique correcte avec les autres composants de la carte, ils indiquent à la fois une mauvaise application de flux et des problèmes d'évacuation de la soudure de votre carte.

Les causes courantes des drapeaux de soudure incluent :

• Drainage lent de la soudure de la machine à souder à la vague, laissant une quantité excessive de soudure sur le fil, qui "s'éteindra" d'un côté lors de la vidange.

• Des traînées de soudure ressemblant à des moustaches, généralement le résultat d'un flux mal appliqué.

• Un stockage incorrect de vos fils de soudure, qui peut provoquer une oxydation sur laquelle votre soudure ne pourra pas se fixer facilement.

Un drainage lent est généralement causé par un mauvais contrôle entre la séparation de la vague de soudure et la carte. Dans la plupart des cas, cela est dû au fait que le reflux de la vague de soudure n'est pas réglé correctement - assurez-vous que le vôtre est réglé pour une vague de style "lambda". Si le reflux de votre vague de soudure est correctement réglé, la soudure s'écoulera à la même vitesse et dans la même direction que la carte lorsqu'elle se séparera de la vague. Si vous en avez besoin, vous pouvez l'exécuter légèrement plus rapidement. Cependant, le faire fonctionner lentement, ou pas du tout, augmentera les drapeaux/pics de soudure.

L'oxydation peut être le résultat de câbles mal coupés ou stockés. Si vos prospects ne sont pas coupés en interne, vérifiez auprès de votre fournisseur pour savoir comment il a coupé ses prospects. Les extrémités nues peuvent provoquer l'oxydation de vos câbles, surtout s'ils sont stockés pendant une longue période. Si votre boutique coupe les prospects en interne, vous avez plus de contrôle sur la façon dont ils sont coupés et stockés, ainsi que sur la durée de leur stockage. Ces trois facteurs laissent le plomb ouvert à l'oxydation, ce qui le rend beaucoup plus difficile à mouiller avec de la soudure quand vient le temps de le faire passer à travers la vague.

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