Un profil de refusion sans plomb est l'historique de température mesuré aux joints de soudure, aux composants et au PCB pendant le passage de l'assemblage dans le four. Le but n'est pas de reproduire une courbe générique, mais d'obtenir une fenêtre de procédé répétable qui active le flux, fait fondre tous les joints prévus, respecte les limites des composants et des matériaux, puis refroidit la carte sans contraintes thermiques inutiles.
Ce guide explique comment établir cette fenêtre pour un nouveau produit. Les plages chiffrées ci-dessous sont des points de départ pratiques, pas des spécifications de production. La fiche technique actuelle de la pâte, le composant le moins tolérant, les limites du matériau du PCB et les mesures sur le produit réel restent prioritaires.
La classification de refusion n'est pas une recette de production#
IPC/JEDEC J-STD-020 définit les conditions de classification de sensibilité à l'humidité et à la refusion des composants CMS non hermétiques. Ces conditions établissent ce qu'un composant supporte pendant la classification ; elles ne demandent pas de porter toutes les cartes de production à cette température maximale. Texas Instruments recommande explicitement de garder le pic de production sous la température de classification et de choisir le profil réel selon la pâte et les limites de tous les composants.
IPC-7530 traite pour sa part du profilage thermique des procédés de brasage en masse. Ensemble, les deux documents rappellent une distinction essentielle : la tenue du composant fixe un plafond, tandis que la pâte, la formation du joint et le comportement thermique de l'assemblage déterminent la fenêtre utile en dessous.
Les données qui définissent la fenêtre de procédé#
Rassemblez les informations suivantes avant de modifier les réglages du four :
- Alliage et pâte : liquidus de l'alliage, activation du flux, rampe recommandée, palier, temps au-dessus du liquidus et plage de pic.
- Limites des composants : température de classification du boîtier, durées admissibles, niveau de sensibilité à l'humidité et restrictions propres au fournisseur.
- Construction du PCB : nombre de couches, répartition du cuivre, épaisseur, stratifié, finition et grands plans thermiques.
- Géométrie de l'assemblage : petits passifs, gros BGA, blindages, connecteurs, dissipateurs et composants de masses thermiques très différentes.
- Sérigraphie et placement : ouvertures du pochoir, volume de pâte, alignement des composants et géométrie des pastilles. Un profil ne peut pas corriger un dépôt de pâte fondamentalement défectueux.
- Capacités du four : nombre et longueur des zones, vitesse du convoyeur, circulation d'air, équilibre d'extraction et atmosphère d'air ou d'azote.
Examinez simultanément la conception du pochoir CMS et la nomenclature de la PCB. Un dépôt de pâte modifié ou des substitutions de composants passées inaperçues expliquent souvent pourquoi une recette auparavant stable ne fonctionne plus.
Étapes typiques d'un profil sans plomb#
| Étape | Plage initiale indicative | Objectif principal |
|---|---|---|
| Rampe de préchauffage | Environ 0,5–2°C/s | Chauffer l'assemblage sans choc thermique excessif ni projections de flux. |
| Palier d'homogénéisation | Environ 150–200°C pendant 60–120 s | Réduire les écarts de température et laisser l'activité du flux se développer. |
| Temps au-dessus du liquidus | Souvent 45–90 s au-dessus du liquidus de l'alliage | Achever le mouillage et la formation des intermétalliques. |
| Pic | Couramment 235–250°C pour les procédés SAC | Apporter une marge suffisante au-dessus du liquidus tout en protégeant les composants et la carte. |
| Refroidissement | Maîtrisé, dans les limites de la pâte et des composants | Solidifier les joints de façon régulière sans contraintes thermiques évitables. |
Kester indique une plage de fusion de 217–219°C pour le SAC305. Environ 217°C constitue donc une référence courante pour le temps au-dessus du liquidus, mais la valeur exacte doit correspondre à l'alliage réellement déposé. Un alliage basse température ou une réparation mélangeant plusieurs alliages exige une autre fenêtre.
Préchauffage et rampe
La rampe initiale chauffe la carte, les composants, la pâte et les substances volatiles emprisonnées. Une montée trop rapide peut accentuer les projections, les billes de soudure, les contraintes de boîtier ou le gauchissement. Une montée trop lente peut consommer l'activité utile du flux avant la refusion. Mesurez la rampe sur le produit, pas uniquement à partir des consignes des zones du four.
Palier d'homogénéisation
Un palier peut réduire l'écart entre les zones de faible et de forte masse thermique. Il peut aussi limiter l'effet Manhattan d'origine thermique, mais la géométrie des plages, le volume de pâte, le placement et la symétrie du mouillage restent déterminants. Un palier inutilement long ou chaud peut épuiser le flux ou accroître l'oxydation : il doit être justifié par des mesures.
Refusion, pic et temps au-dessus du liquidus
Le joint ciblé le plus froid doit rester assez longtemps au-dessus du liquidus pour être correctement mouillé. Simultanément, le composant, la pastille et la zone de stratifié les plus chauds doivent rester sous leur limite admissible. La vitesse et les réglages acceptables sont ceux qui satisfont les deux conditions avec une marge raisonnable.
Un apport d'énergie insuffisant peut provoquer un mouillage incomplet, des joints granuleux, des défauts head-in-pillow ou des connexions ouvertes. Un pic ou une durée excessifs peuvent endommager les composants, décolorer le stratifié, épaissir les intermétalliques, dégrader les résidus de flux ou favoriser le gauchissement. Une température supérieure n'est pas automatiquement plus sûre.
Refroidissement
Le refroidissement fait partie du profil ; ce n'est pas un temps mort après le brasage. TI cite une pente maximale de 6°C/s depuis le pic vers le liquidus dans le contexte de classification J-STD-020. La cible de production doit suivre les recommandations de pâte et de composants et rester dans la plage maîtrisable du four. Un refroidissement très brutal sollicite boîtiers et cartes ; trop lent, il modifie la microstructure du joint et prolonge l'exposition à la chaleur.
Rampe continue vers le pic ou profil avec palier ?#
Un profil ramp-to-peak augmente la température de manière plus continue jusqu'à la refusion. Il peut préserver l'activité du flux et raccourcir l'exposition lorsque l'assemblage chauffe uniformément. Un profil avec palier maintient la température ou la fait progresser lentement dans une plage définie avant la refusion, ce qui peut améliorer l'homogénéité d'une carte présentant un grand delta T.
Aucune forme n'est universellement supérieure. Partez de la fenêtre privilégiée par le fournisseur de pâte, mesurez la carte réelle et retenez la forme qui maintient le joint le plus froid et la zone sensible la plus chaude dans leurs limites. Ne choisissez pas un profil seulement parce qu'il convenait à un autre assemblage.
Comment mesurer le profil de l'assemblage réel#
- Choisir une carte représentative. Utiliser l'empilage, le cuivre, la finition, les composants, la pâte et les supports ou palettes prévus.
- Repérer les zones potentiellement chaudes et froides. Inclure un petit passif près du bord, un joint central relié au plan de masse, un gros BGA ou connecteur et le boîtier le plus sensible à la température.
- Fixer solidement des thermocouples fins. Mesurer si possible à l'interface de soudure. Pour valider une limite de boîtier, respecter l'emplacement prescrit par le fabricant ; TI décrit pour ses composants un thermocouple fin fixé au centre de la face supérieure.
- Utiliser un enregistreur de profil étalonné. Faire passer la carte dans le four, enregistrer les courbes réelles et comparer chaque voie aux limites de la pâte et des composants.
- Modifier une seule variable maîtrisée à la fois. La vitesse change le temps passé dans toutes les zones. Les températures de zone modifient une partie de la courbe, mais peuvent interagir via la circulation d'air et l'inertie thermique de la carte.
- Répéter et confirmer. Un seul passage acceptable ne démontre pas la répétabilité. Confirmer la recette sur plusieurs assemblages et conserver le profil dans le dossier de fabrication.
Maîtriser le delta T de la carte#
Le delta T est l'écart entre les points surveillés le plus chaud et le plus froid à un instant pertinent du cycle. Les grands plans de cuivre, blindages, connecteurs massifs et BGA centraux peuvent chauffer plus lentement que de petits composants exposés. Si le joint froid atteint tout juste la fenêtre de pâte alors qu'un petit boîtier approche sa limite, la marge de fabrication est faible.
Les réponses possibles comprennent un équilibrage thermique plus progressif, une autre vitesse, des modifications ciblées de zones, une meilleure circulation d'air, une nouvelle conception du support ou une évolution de l'assemblage et du routage. Dès la revue de conception, une répartition équilibrée du cuivre et des freins thermiques adaptés peuvent fiabiliser le procédé d'assemblage des PCB avant même de définir la recette du four.
Diagnostiquer les défauts courants de refusion#
| Symptôme | Vérifications liées au profil | Autres vérifications |
|---|---|---|
| Mauvais mouillage ou connexions ouvertes | Pic du joint froid, temps au-dessus du liquidus, activation du flux et exposition à l'oxydation | État de finition, contamination, âge de la pâte et volume déposé |
| Billes ou perles de soudure | Rampe initiale, dégagement des solvants et durée du palier | Ouvertures, affaissement de pâte, géométrie du vernis et pression de placement |
| Effet Manhattan | Déséquilibre thermique entre extrémités et instant du mouillage | Géométrie des pastilles, symétrie de pâte, placement et terminaisons |
| Head-in-pillow | Pic, temps au-dessus du liquidus et gauchissement du boîtier ou de la carte pendant la refusion | Transfert de pâte, oxydation des billes, coplanarité et support |
| Vides dans les joints | Rampe et palier, temps disponible pour l'évacuation des volatils | Ouvertures, chimie de pâte, conception des pastilles et configuration des vias |
| Décoloration ou dommages | Pic, maintien ou passages répétés excessifs | Qualification des composants, tenue du stratifié et gestion de l'humidité |
Ce tableau sert de carte de diagnostic, pas de preuve de la cause racine. Les défauts de refusion résultent généralement d'interactions entre conception, matériaux, sérigraphie, placement et historique thermique.
Humidité, azote et passages répétés#
Un bon profil ne remet pas à zéro le temps d'exposition admissible des composants hors emballage sec. Les composants sensibles à l'humidité doivent être stockés, suivis et, si nécessaire, étuvés selon J-STD-033 et les instructions du fabricant. Chauffer un boîtier trop longtemps exposé peut provoquer délamination ou fissures, même si la courbe respecte par ailleurs les limites.
L'azote peut réduire l'oxydation et élargir la marge de mouillage de certains assemblages, sans remplacer des surfaces propres, un flux adapté ou un profil maîtrisé. Qualifiez le procédé dans l'atmosphère réellement prévue en production. Pensez aussi au double face : les composants de la première face peuvent subir un deuxième cycle, auquel les réparations sélectives ajoutent encore de la chaleur.
Liste de contrôle avant production#
- Figer l'alliage, la référence de pâte et les règles de stockage et de manipulation.
- Confirmer les limites de pic, durée, MSL et refusions répétées des composants.
- Définir une courbe de départ à partir de la fiche technique actuelle de la pâte.
- Instrumenter des points chauds et froids représentatifs sur l'assemblage réel.
- Enregistrer rampe, palier, franchissement du liquidus, TAL, pic, refroidissement et delta T.
- Inspecter les premières pièces avec des critères d'acceptation adaptés au produit.
- Effectuer les essais fonctionnels et, si le risque le justifie, radiographier ou microsectionner les joints cachés.
- Figer la recette approuvée avec les détails du four, de la ligne, du convoyeur, de l'atmosphère et de l'enregistreur.
- Refaire le profil après toute modification significative de pâte, nomenclature, fournisseur, routage, empilage, support, maintenance du four ou transfert de ligne.
Références officielles#
- Tableau des révisions IPC pour les versions actuelles d'IPC-7530 et de J-STD-020.
- Texas Instruments : profil de refusion des cartes clients pour le brasage sans plomb.
- Texas Instruments : profil de refusion pour brasage sans plomb.
- Kester : données techniques de l'alliage SAC305.
Questions fréquentes#
Quelle est la température de pic habituelle sans plomb ?
De nombreux procédés SAC sont développés à partir de 235–250°C, mais il n'existe pas de cible universelle. Utilisez la fenêtre de la pâte et restez sous chaque limite de composant et de matériau avec une marge mesurée.
Quelle est la température de liquidus du SAC305 ?
Kester donne une plage de fusion de 217–219°C. Vérifiez la spécification de l'alliage et de la pâte exactement utilisés.
Combien de temps rester au-dessus du liquidus ?
Environ 45–90 secondes constituent une plage de départ courante pour certaines pâtes sans plomb. La valeur approuvée doit néanmoins découler de la fiche technique et des résultats mesurés aux joints.
Où placer les thermocouples ?
Sur les joints prévus chauds et froids, les zones à forte masse thermique et les boîtiers sensibles. Fixez-les fermement avec le minimum de masse ajoutée et suivez les consignes du fournisseur pour vérifier une limite de boîtier.
Les réglages de refusion peuvent-ils corriger l'effet Manhattan ?
Ils peuvent réduire un déséquilibre thermique, mais la géométrie des pastilles, la répartition du cuivre, le volume de pâte, le placement et le mouillage des terminaisons interviennent aussi. Diagnostiquez tous les facteurs avant de modifier la recette.
Quand faut-il refaire le profil d'un assemblage ?
Après des changements importants de PCB, composants, pâte, fournisseur, support, four, convoyeur, atmosphère ou ligne, et lorsque les tendances montrent que la marge existante a évolué.