Comment éviter le phénomène de « tombstoning » lors du soudage par refusion ?

Allons droit au but : le désactivation du brasage par refusion est l'un des maux de tête les plus ennuyeux et les plus coûteux que nous rencontrons en tant que fournisseur de brasage par refusion. Vous êtes à mi-parcours, vous effectuez une vérification rapide de la carte après la refusion et, boum, votre petite résistance à puce se dresse comme une petite pierre tombale, une extrémité soudée à plat et l'autre planant dans les airs. Ce petit défaut ne fait pas que perdre du temps et des pièces ; cela peut faire dérailler un lot de production entier, réduire vos marges et amener vos clients à se demander si vous maîtrisez votre processus. Au fil des années, nous avons résolu des centaines de ces problèmes pour les petits magasins et les grands équipementiers, alors aujourd'hui, je vous explique exactement comment éviter les chutes, pas de peluches, juste des choses réelles et exploitables que nous avons testées dans notre propre installation.

Tout d’abord, mettons-nous sur la même longueur d’onde sur ce qui cause réellement le tombstoning, car vous ne pouvez pas réparer quelque chose si vous ne connaissez pas sa racine. Tout se résume à une tension superficielle inégale due à la soudure fondue. Ces minuscules composants à puce (comme les résistances 0402 ou 0201, très populaires de nos jours) ont des plages de soudure à chaque extrémité. Lorsque la soudure fond, les deux extrémités tirent avec une force différente : un côté a un peu plus de soudure, ou la soudure fond un tout petit peu plus tôt, ce qui tire le composant vers le haut. Ajoutez un petit désalignement des composants ou des températures de four bancales, et vous obtenez une pierre tombale avant de pouvoir dire « profil de refusion ».

Parlons maintenant des correctifs, en commençant par les éléments faciles à résoudre avant même d'allumer le four. La précision du choix et du placement n’est pas négociable ici. Si votre composant est décalé de 0,1 mm ou plus sur un pad, c'est la moitié de la bataille contre le tombstone. Nous avons vu des magasins réduire les coûts en utilisant des machines manuelles ou en démolissant de vieilles machines, et c'est là que les problèmes commencent. Il est essentiel d'investir dans un équipement automatisé solide : jetez un œil à ces robots de sélection et de placement automatisés de bureau qui éliminent les approximations liées à l'alignement parfait de petites pièces à chaque fois. Plus d'erreur humaine, plus de joints de soudure déséquilibrés. Ce n'est pas seulement pour les grandes courses ; même les petits travaux en lots bénéficient d'un placement cohérent des pièces, c'est pourquoi tant de nos clients ne jurent que par cet équipement pour réduire les défauts de base à presque zéro.

Ensuite : votre configuration de pochoir et de pâte à souder. C’est là que 80 % des tombes sont tuées dans l’œuf, croyez-le ou non. L'épaisseur du pochoir et la taille de l'ouverture doivent être adaptées aux composants que vous utilisez. Si vous mettez trop de pâte à souder sur une pastille, ce côté tire plus fort une fois fondu et crée une pierre tombale. Pour les pièces ultra-petites comme les 0201, nous recommandons généralement une épaisseur de pochoir de 0,1 mm, pas plus épaisse : les pochoirs plus épais déversent trop de pâte. De plus, la forme des ouvertures est importante : n'utilisez pas une ouverture carrée pour un bloc de composants rectangulaire ; utilisez une ouverture légèrement formée qui correspond parfaitement à la taille du tampon, afin de ne pas surimprimer sur un seul côté. Nous disons toujours aux clients de tester d'abord les impressions au pochoir avec une planche à découper, de compter la quantité de pâte par tampon et de l'ajuster jusqu'à ce qu'elle soit égale avant de passer à la production complète. Étape simple, mais elle élimine de nombreux problèmes évitables.

Vient ensuite le plus important : votre profil de refusion. C’est là que de nombreux magasins se trompent, augmentant la température trop rapidement ou chauffant de manière inégale dans tous les domaines. Le tombstoning se produit le plus souvent lorsqu'une extrémité du composant atteint la température du liquidus (la soudure du point fond) bien avant l'autre. Cette soudure à fusion précoce tire la pièce vers le haut avant que le deuxième côté ne soit prêt à coller. Alors, quelle est la solution ici ? Une montée en puissance lente et contrôlée dans la zone de préchauffage, suivie d'une période de trempage douce et d'une température maximale constante sur toutes les parties de la planche. Si votre four actuel présente des points chauds sur un bord ou des coins froids, il est temps de le mettre à niveau. Pour les volumes moyens à élevés, notre four de refusion à double convoyeur à huit zones HW-R816Z pour SMT change la donne. Les deux zones vous permettent d'ajuster la température indépendamment sur l'ensemble du convoyeur, afin d'éliminer les points chauds et de garantir que chaque plot de soudure chauffe uniformément, quel que soit son emplacement sur la carte. Nous avons utilisé ce four pour réduire les taux de base de 2,5 % à moins de 0,1 % pour un client aux prises avec des défauts constants. Si votre budget est plus serré, le soudage par refusion à quatre zones HW-R406 est toujours solide : assurez-vous simplement de le calibrer chaque mois pour maintenir l'équilibre des zones, sans raccourcis.

Attendez, revenons également aux composants et à la conception des cartes, car c'est une autre pièce du puzzle. Certains composants sont bien plus sujets au tombstone que d’autres : des résistances ultra fines et petites ou des condensateurs de faible masse. Si la conception de votre carte rapproche plusieurs de ces petites pièces, la chaleur des pièces adjacentes peut également les faire fondre de manière inégale. Notre conseil ici est de laisser un peu d'espace entre les composants (au moins 0,5 mm pour les pièces 0201) afin que chacun reçoive une chaleur constante et d'éviter de regrouper trop de pièces de faible masse dans une même zone. Assurez-vous également que vos plots de soudure sont correctement dimensionnés : ni trop grands, ni trop petits. Si une pastille est surdimensionnée, vous obtiendrez plus de soudure qui peut tirer de manière inégale ; trop petit et vous pourriez de toute façon avoir des articulations faibles.

Ne dormez pas non plus sur la maintenance. L’ancien équipement est un coupable caché des chutes. Si votre machine de transfert a une buse usée qui ne saisit pas le composant directement, vous placez les pièces de travers à chaque fois. Si les éléments chauffants de votre four à refusion meurent ou si le convoyeur est mal aligné, vous n'obtenez pas une chaleur uniforme. Nous disons à tous nos clients de planifier des contrôles mensuels sur leurs machines de fabrication CMS : nettoyer le pochoir, calibrer les zones du four, remplacer les buses de prélèvement et de placement lorsqu'elles présentent des signes d'usure. Même un entretien de base contribue grandement à éliminer les défauts. Par exemple, l'unité de soudage par refusion à tiroir HW-R3036 est facile à nettoyer et à entretenir, ce qui en fait un excellent choix pour les petits magasins qui ne disposent pas d'un technicien de maintenance à temps plein. Pas de démontage compliqué, il suffit d'essuyer les chambres de chauffe et le tour est joué tous les mois.

Parlons d'un exemple réel pour rendre cela concret. Le trimestre dernier, un client nous a contacté pour nous dire qu'il présentait 1,8 % de défauts de base sur un lot de PCB de montres intelligentes. Ils utilisaient un four à 4 zones, effectuant un cycle de refusion de 6 minutes et un prélèvement et un placement manuels. Nous avons parcouru leur configuration, avons d'abord remarqué que leur pochoir avait une épaisseur de 0,15 mm (beaucoup trop pour les pièces 0201) et qu'ils avaient une rampe de 10 secondes entre la température ambiante et le préchauffage - super rapide, ce qui faisait chauffer en premier un côté de chaque pièce. Nous avons échangé un pochoir de 0,1 mm, ajusté leur profil de refusion à un cycle de 15 minutes avec un trempage de 2 minutes à 150°C avant d'atteindre le pic, et leur avons suggéré de passer à une configuration de prélèvement et de placement automatisée au lieu d'une configuration manuelle. Le résultat ? Leur taux de base est tombé à 0,2 % presque immédiatement. Ils sont passés à notre HW-R816Z plus tard ce mois-là pour des tirages encore plus importants, et n'ont pas eu de défaut de base depuis. C'est exactement le genre de victoire pour laquelle nous vivons.

Attendez, encore un petit conseil : si vous vous retrouvez avec une pierre tombale à mi-parcours, ne vous contentez pas de tirer sur la planche et de la lancer. Inspectez pourquoi cela s'est produit : la pâte manquait-elle sur un tampon ? Le composant a-t-il bougé pendant le placement ? De cette façon, vous pourrez résoudre le problème avant qu’il ne s’aggrave. Utilisez également de la soudure sans plomb si c'est votre norme, mais assurez-vous que votre profil est ajusté pour le sans plomb (le liquidus est plus élevé, vous avez donc besoin d'un trempage plus long) car la soudure sans plomb a une tension superficielle plus élevée, ce qui peut en fait rendre la chute plus probable si elle n'est pas traitée correctement. Ne vous contentez pas de copier un profil dirigé et de mettre un terme à cela.

Terminons cela avec les éléments qui relient tout cela. Le tombstoning n’est pas un « défaut mystérieux » qu’il faut simplement accepter. Il s'agit d'une combinaison de petits problèmes réparables : mauvais placement, mauvaise pâte de pochoir, chaleur de refusion inégale et maintenance ignorée. La bonne nouvelle est qu'il existe des outils solides pour vous aider, que vous choisissiez un robot de bureau pour de petites séries, que vous investissiez dans un four de refusion multizone pour un volume élevé ou que vous mettiez simplement votre calendrier de maintenance sur la bonne voie. Si vous en avez assez de perdre du temps et de l'argent sur des défauts de base, nous sommes là pour vous aider à définir votre processus. Nous pouvons parcourir votre configuration actuelle, suggérer le bon équipement ou modifier votre profil pour réduire considérablement ces taux de défauts. Contactez-nous pour discuter de vos besoins, sans pression, sans jargon commercial déroutant. Nous sommes à vos côtés pour rendre votre processus de refusion plus fluide, moins stressant et bien plus rentable.

Références
1.IPC-A-610, Acceptabilité des assemblages électroniques, IPC Association Connecting Electronics Industries
2. Directives relatives au processus de soudage par refusion, Surface Mount Technology Association (SMTA)
3. Tombstoning de composants : causes et atténuation, Journal of Surface Mount Technology, Vol. 28, n° 2, 2015
4. Meilleures pratiques de conception de pochoirs SMT, North American Surface Mount Association (NASMA)