Les gens,
Cet article est un extrait de l'ouvrage d'IndiumCorporation intitulé ThePrinted Circuits Assembers Guide to Solder Defects (Guide de l'assembleur de circuits imprimés sur les défauts de soudure).
Introduction
La croissance des appareils électroniques personnels continue de stimuler le besoin de composants électriques actifs et passifs de plus en plus petits. Cette tendance à la miniaturisation, associée à la demande d'assemblages sans plomb conformes à la directive RoHS, a créé de nouveaux défis, notamment l'effet de grappage.
Lorsqu'un dépôt de pâte à braser diminue en taille, la surface relative des particules de brasure exposées augmente et la quantité de flux disponible pour éliminer les oxydes de surface diminue. À cela s'ajoute la chaleur supplémentaire nécessaire pour refondre la plupart des soudures sans plomb, ce qui donne une formule propice à l'apparition du phénomène de grappage. Au cours du processus de chauffage, lorsque la viscosité du flux diminue et commence à se répandre vers le bas et vers l'extérieur, les particules de soudure sont exposées au sommet du dépôt de pâte à braser. S'il n'y a pas de flux à proximité, ces particules de soudure peuvent s'oxyder lorsque la pâte à braser entre dans la phase de rampe ou de trempage de la refusion. Ces oxydes empêchent la coalescence complète des particules en un joint de brasure uniforme lorsque la brasure est liquide. Les particules non refondues ont souvent l'apparence d'une grappe de raisin, comme le montre la figure 1.
Figure 1. L'effet de grappillage.
Impression au pochoir
Le rapport de surface (AR) est un paramètre essentiel pour la réussite de l'impression au pochoir. Il est défini comme la surface de l'ouverture du pochoir divisée par la surface des parois latérales de l'ouverture. La figure 2 présente un schéma pour les ouvertures carrées/rectangulaires et circulaires. Un simple calcul montre que l'AR est simplifié au diamètre (D) du cercle divisé par quatre fois l'épaisseur du pochoir (t) ou AR=D/4t. De manière assez surprenante, le résultat est le même pour les ouvertures carrées, D étant désormais égal aux côtés du carré. Pour l'AR d'une ouverture rectangulaire, la formule est un peu plus compliquée : ab/2(a+b)t, où a et b sont les côtés du rectangle.
Figure 2. Schémas d'ouvertures rectangulaires et circulaires.
It is widely accepted in the industry that in order to get good stencil printing, the AR must be greater than 0.66. Experience has shown that if the AR <0.66, the transfer efficiency could be low and erratic, although this has gotten better with advances in solder paste technology.
Efficacité du transfert
L'efficacité de transfert, une autre mesure importante de l'impression au pochoir, est définie comme le volume du dépôt de pâte à braser divisé par le volume de l'ouverture. Pour permettre l'impression de pochoirs aux caractéristiques fines, il n'est pas rare de rechercher une pâte à braser qui incorpore une poudre plus fine afin d'optimiser le processus d'impression. Toutefois, à mesure que la taille des particules de poudre dans la pâte à braser diminue, la surface exposée augmente. Cette augmentation de la surface s'accompagne d'une augmentation de la quantité totale d'oxydes de surface. Cette augmentation des oxydes de surface exige des produits chimiques de flux qu'ils travaillent encore plus dur pour éliminer les oxydes et protéger les surfaces de la poudre, des composants et des métallisations de la carte pendant tout le processus de refusion.
Sur un pochoir de 3 millimètres d'épaisseur, l'AR pour une ouverture carrée de 6 millimètres est le même que l'AR pour une ouverture circulaire de 6 millimètres : 0.50. Cependant, si l'on compare les deux, le volume du dépôt de pâte à braser carré est plus important (~108 mil cubes) que le dépôt circulaire (85 mils cubes). Le volume supplémentaire de pâte à braser fourni par l'ouverture carrée peut contribuer à réduire le grappage. L'efficacité de transfert accrue offerte par l'ouverture carrée est toutefois plus importante. L'ouverture carrée offre une efficacité de transfert plus constante, ce qui réduit encore le risque de grappillage, car des dépôts incohérents peuvent signifier une réduction du volume.
Coussinets SMD vs. NSMD
Les résultats des expériences de masquage de la soudure ont montré que l'effet de grappage est moins important pour les plaquettes à masque de soudure défini (SMD). On pense que le masque de soudure constitue une barrière (barrage) qui limite la propagation du flux pendant le processus de chauffage et augmente la disponibilité potentielle du flux pour éliminer les oxydes et protéger contre une oxydation ultérieure. Le masque de soudure peut également servir de barrière pour protéger de l'oxydation les particules de poudre de pâte à braser situées à proximité.
Soluble dans l'eau ou non nettoyable
Les flux chimiques sans nettoyage sont généralement des formules à base de colophane/résine (ci-après dénommées uniquement "résine"). Les résines n'étant pas très solubles dans les solvants utilisés dans les flux chimiques solubles dans l'eau, elles sont généralement remplacées par des composés moléculaires de grande taille, tels que des polymères, dans les flux solubles dans l'eau. Le(s) activateur(s) contenu(s) dans la chimie du flux élimine(nt) les oxydes présents sur les surfaces d'assemblage, ainsi que les particules de poudre de pâte à braser contenues dans la pâte à braser elle-même. Une oxydation/ré-oxydation supplémentaire se produit au cours de la phase de chauffage. Alors que les résines contenues dans les flux non nettoyants sont d'excellentes barrières à l'oxydation et protègent contre la réoxydation, l'absence de résines dans les produits chimiques solubles dans l'eau fait qu'ils n'offrent pas une résistance suffisante à l'oxydation.
Par conséquent, pour les mêmes profils de refusion - bien que les produits chimiques solubles dans l'eau soient généralement plus actifs - la résistance à l'oxydation plus faible des produits chimiques solubles dans l'eau les rend plus sensibles dans les profils longs et/ou chauds, ce qui augmente le risque de défauts de grappage.
Rampe d'accès à la crête vs. trempage
Pendant de nombreuses années, le profil de refusion de type "trempage" était très répandu. Au fil du temps, cependant, l'accent a été mis sur le profil de refusion de type rampe-crête (RTP) en tant que profil de refusion préféré. Ce changement s'explique par les températures de refusion plus élevées associées aux soudures sans plomb, ainsi que par la nécessité de réduire l'exposition totale à la chaleur des petits dépôts de pâte, des composants sensibles à la température et du stratifié de la carte. Un autre avantage du profil de trempage est qu'il permet de réduire la formation de vides. Cependant, il n'est pas aussi efficace avec les soudures sans Pb, en raison de la tension superficielle accrue des soudures sans Pb et de la température plus élevée utilisée pour les refondre.
Pour minimiser le grappillage, il est préférable de réduire la durée d'étuvage, à condition d'utiliser la même durée au-dessus du liquide (TAL) et la même température de pointe (voir figure 3). Le profil de trempage produit généralement plus de grappillage qu'un profil RTP. L'effet de grappillage est exacerbé lorsque la durée totale de l'étuve augmente. La diminution de la chaleur totale réduit considérablement l'effet de grappage. Une vitesse de rampe (de la température ambiante à la température maximale) de 1°C/seconde est généralement recommandée, ce qui équivaut à environ 3 minutes et 40 secondes pour atteindre une température maximale de 245°C.
Figure 3 : Profils typiques de refusion sans plomb.
Conclusions
Pour réduire l'effet de grappage, il est essentiel de garantir un processus d'impression et de refusion optimal. L'utilisation des lignes directrices fournies pour le rapport de surface et une bonne configuration du processus/de l'équipement garantiront une bonne efficacité du transfert. Bien que le rapport de surface pour les ouvertures circulaires et carrées soit identique, le risque de grappillage augmente avec les ouvertures circulaires en raison de la diminution du volume de pâte et de l'efficacité du transfert.
Du point de vue de la refusion, la diminution de l'apport total de chaleur réduira la probabilité de l'effet. Il est conseillé d'utiliser un profil de type RTP avec un taux de rampe d'environ 1°C/seconde.
Les facteurs matériels influencent également le résultat. L'observation de l'effet de grappage augmente à mesure que la taille des particules de pâte à braser diminue et que la surface des oxydes augmente. Les pâtes à braser solubles dans l'eau n'offrent pas la barrière d'oxydation que les résines offrent pour les pâtes à braser non nettoyées et sont plus sujettes à l'effet de grappage.
Santé,
Dr. Ron
