Professionnels du secteur des secteur des circuits imprimés (PCB) ne connaissent que trop bien les défauts de soudure courants tels que le « tombstoning » et le « head-in-pillow ». Ces défauts présentent des risques importants pour les performances tant des composants concernés que des cartes elles-mêmes.
Au cours de mes échanges avec les clients, j’ai remarqué que la terminologie relative à ces types de défauts prête souvent à confusion. Les gens ont souvent tendance à regrouper les deux dans une seule et même catégorie générale. Il m’est même arrivé d’entendre des clients parler de « tête dans l'oreiller » comme des « tombstoning ». Cela crée une confusion, car ces défauts ont des causes différentes et font l'objet de recommandations de dépannage distinctes.
Ces deux types de défauts sont liés à un manque de contact et de soudure entre deux surfaces de l'ensemble, ce qui conduit à cette interprétation erronée. Cet article présentera clairement les caractéristiques de chacun d'entre eux afin de vous fournir une base solide pour diagnostiquer vos défauts de manière efficace et précise.
Qu'est-ce que le « tombstoning » ?
Le « tombstoning » est sans doute l'un des défauts les plus visibles dans la fabrication des circuits imprimés. Lorsque vous observez ce défaut, vous voyez un composant se dressant verticalement sur sa base, ressemblant à une pierre tombale dans un cimetière.
Ce phénomène, qui se produit principalement sur les petits composants passifs, est principalement dû à un mouillage inégal des pastilles de soudure. Si une pastille est mouillée avant l'autre, la tension superficielle de la pastille mouillée exerce une traction sur le composant. Cette force le fait se soulever, empêchant ainsi la formation d'un joint de soudure complet sur la pastille opposée.
(Remarque : les figures 4.1 et 4.2 de l'ouvrage *The Printed Circuit Assembler’s Guide to Solder Defects* illustrent bien ce phénomène.)
Dépannage du « tombstoning »
Nous recourons à diverses méthodes de dépannage pour remédier au phénomène de « tombstoning ». La conception des pastilles est l’un des premiers aspects que nous examinons lors d’une analyse. Si les pastilles des composants concernés présentent des tailles ou des formes différentes, cela peut contribuer à une tension superficielle inégale exercée sur le composant. Nous recommandons souvent de veiller à ce que les pastilles aient une taille et une forme similaires afin de minimiser ces forces opposées.
La modification du processus de refusion peut également contribuer à réduire la fréquence du phénomène de « tombstoning ». L'introduction d'un profil en épaulement ou d'une brève phase de maintien à température peut permettre de s'assurer que les deux pastilles associées au composant concerné soient mouillées simultanément.
Qu'est-ce que « Head-in-Pillow » ?
Contrairement aux défauts de type « tombstoning », les défauts de type « head-in-pillow » sont particulièrement difficiles à détecter à l'œil nu. Ils nécessitent souvent une inspection aux rayons X ou une coupe transversale pour en localiser précisément l'emplacement.
Ce défaut, qui touche principalement les BGA, apparaît lorsque la bille de soudure du BGA ne parvient pas à se lier au dépôt de pâte à souder présent sur le circuit imprimé. Le gauchissement du BGA en est la principale cause. Lors de la refusion, le BGA chauffe et se déforme, ce qui peut entraîner une séparation entre les billes de soudure du BGA et les dépôts de pâte à souder.
Une fois le processus de refusion terminé et le BGA refroidi, le degré de déformation diminue. Les billes de soudure et les dépôts de pâte à souder finissent par entrer à nouveau en contact. Cependant, même si la soudure a fondu pendant la refusion, les surfaces à souder présentent souvent un degré d’oxydation trop important au moment de leur réunion. Cela empêche la soudure de se lier et de former un joint de soudure suffisant. Il en résulte un espace entre la bille de soudure et le dépôt de pâte à souder, qui rappelle l’image d’une personne posant sa tête sur un oreiller.
(Remarque : la figure 3.1 de l’ouvrage *The Printed Circuit Assembler’s Guide to Solder Defects* constitue une bonne référence à ce sujet.)
Dépannage de « Head-in-Pillow »
Les recommandations de dépannage visant à limiter les défauts de type « head-in-pillow » consistent principalement à réduire la distance entre les billes de soudure du BGA et les dépôts de pâte à souder sur le circuit imprimé.
- Efficacité d'impression : le fait d'obtenir une efficacité de transfert optimale lors de l'impression permet d'éviter qu'un écart important ne se forme entre les billes de soudure et la pâte à souder avant la refusion.
- Optimisation de la refusion : une autre approche consiste à optimiser le profil de refusion afin de minimiser le gauchissement des BGA. Pour ce faire, il suffit de réduire la température et le temps passé au-dessus du point de liquidus (TAL) afin d'éviter que le composant ne soit soumis à une chaleur excessive pendant l'étape de refusion.
- Choix des matériaux : Par ailleurs, certaines pâtes à souder, telles que l’Indium10.8HF d’Indium Corporation®, ont été mises au point avec des caractéristiques permettant de réduire la fréquence des défauts de type « head-in-pillow ».
Même s'il est difficile à détecter, ce défaut de type « tête dans l'oreiller » peut être corrigé en apportant des modifications spécifiques au procédé et aux matériaux.
Conclusion
Les défauts dits « head-in-pillow » et « tombstoning » sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais il s'agit de deux phénomènes très différents sur les circuits imprimés, qui nécessitent des étapes de dépannage distinctes. Alors que le « tombstoning » se produit généralement au niveau de petits composants soumis à des forces de mouillage inégales, le « head-in-pillow » survient principalement au niveau des BGA qui subissent un gauchissement pendant le processus de refusion.
Comprendre les différences entre ces deux catégories de défauts permet de fluidifier la communication entre le client et le fabricant. En veillant à ce que les deux parties soient sur la même longueur d’onde, vous pouvez résoudre ces problèmes avec succès dans les meilleurs délais. Si vous souhaitez en savoir plus, consultez le guide d’Indium Corporation intitulé « The Green Light Guide to Eliminating Printed Circuit Assembly Soldering and Manufacturing Defects » au format numérique ou d'en acheter un exemplaire sur Amazon.
