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Un ingénieur en électronique employé dans une entreprise de matériel médical a récemment été confronté à un taux de défaut de 12% sur un lot de boîtiers QFN au pas de 0,4 mm récemment fabriqué ; littéralement une carte sur trois présentait des ponts de soudure entre les pastilles adjacentes. Avec des retards potentiels dans l'approbation réglementaire et le coût du retraitement de chaque carte défectueuse approchant $18, l'équipe avait un besoin urgent d'action corrective. Dans cette situation, l'ingénieur a été confronté au défi majeur de l'assemblage de circuits imprimés à haute densité et des ponts de soudure, qui représentent 38% de toutes les défaillances dans l'assemblage SMT, comme l'a montré l'étude de IPC-A-610 Les données relatives aux violations des droits de propriété intellectuelle, avec des conséquences considérables sur les délais réglementaires et sur le coût des retouches.
Les ponts de soudure peuvent se produire lorsque la soudure en fusion établit par erreur une connexion électrique entre deux ou plusieurs conducteurs qui devraient être isolés l'un de l'autre. La marge d'erreur est nettement plus faible dans les assemblages à haute densité, de sorte qu'un seul pont de soudure formé entraînera des assemblages fonctionnellement défectueux avec les faiblesses opérationnelles qui en résultent, allant des défauts de mise à la terre à la diaphonie involontaire des signaux. Par conséquent, la prévention des ponts de soudure est un objectif de qualité essentiel dans l'environnement d'assemblage d'aujourd'hui.
Améliorez la conception des pochoirs de pâte à braser grâce à des rapports d'ouverture déjà testés
C'est au stade de la conception du pochoir que l'on peut le mieux prévenir les défauts de pontage de soudure. Certains ingénieurs ne réalisent pas qu'il existe une relation importante entre le rapport de la surface d'ouverture et la capacité à libérer la pâte à braser. Par exemple, le rapport de surface de l'ouverture est calculé en divisant la surface de l'ouverture par la surface des parois de l'ouverture. Le rapport de surface de l'ouverture doit être supérieur à 0,66 pour que la pâte à braser se transfère correctement sur le PCB (Printed Circuit Board). Pour transférer la pâte à braser sur des composants à pas fin, vous devrez généralement utiliser des pochoirs en acier inoxydable électroformés ou découpés au laser avec une tolérance de ±12,5 µm.
” Par exemple, si vous avez un composant avec un pas de 0,4 mm et que ce composant est conçu avec un tampon de dimensions 0,2 mm x 0,6 mm, vous devez concevoir une ouverture de pochoir d'environ 90% à 95% de la taille de l'ouverture du tampon dans chaque direction, ce qui équivaut à une ouverture de 0,18 mm x 0,57 mm.“
Lorsque vous choisissez l'épaisseur de votre pochoir, celle-ci est généralement déterminée par le pas ; par exemple, les pochoirs utilisés pour l'assemblage de composants avec un pas de 0,5 mm donneront généralement de meilleurs résultats avec une épaisseur de 100 à 125 µm, tandis que les pochoirs utilisés pour l'assemblage de composants avec un pas de 0,4 mm donneront généralement de meilleurs résultats avec une épaisseur d'ouverture comprise entre 75 et 100 µm.
L'électropolissage des parois des ouvertures de vos pochoirs réduira la rugosité de la surface des parois à un Ra < 0,4µm. Cela améliorera considérablement la capacité de la pâte à braser à se détacher du pochoir. Des données de production contrôlées indiquent que les pochoirs qui ont été polis par électrolyse entraîneront une réduction de 34% des défauts de pontage de la soudure par rapport aux pochoirs qui ont été gravés chimiquement lorsqu'ils sont utilisés pour assembler des composants passifs 0201 et des BGA à pas fin. La norme IPC/WHMA-7525B fournit des critères de conception d'ouverture détaillés et des formules pour aider à la conception d'ouvertures pour les différents types de boîtiers.
Recommandations des ingénieurs de PCBINQ
Pour un pas ≤0,5mm, spécifiez toujours une poudre de soudure de type 4 ou 5 et réduisez les ouvertures à 10-15% de moins que la pastille. N'utilisez jamais la même épaisseur de pochoir pour des conceptions à pas mixte - spécifiez des pochoirs en escalier ou des processus à double impression lorsque le pas des composants varie de plus de 0,3 mm sur la même carte.
Contrôle précis du profil de refusion avec de petites fenêtres de processus
La façon dont vous profilez la température de refusion affecte le comportement de mouillage de la brasure et la probabilité de formation d'un pont. Un profil sans plomb courant pour la SAC305 consiste à utiliser une température de refusion maximale comprise entre 245 et 255 °C, la zone critique pour la prévention de la formation de ponts se situant dans la phase de rampe à crête qui a lieu entre 217 °C et la température de refusion maximale.
Il existe des corrélations entre les risques de formation de ponts et le temps passé à l'état liquide. De nombreux ingénieurs ont signalé que des périodes prolongées au-dessus des niveaux de liquidité, en particulier plus de 60 secondes à des températures élevées, peuvent augmenter le risque de formation de ponts parce que la brasure continuera à s'écouler latéralement avant que les volatiles du flux ne soient complètement éliminés du joint de brasure.
La vitesse de chauffage dans la zone critique de 150ºC à la pointe est un facteur important pour obtenir une activation optimale du flux tout en limitant le flux latéral. L'idéal est de chauffer à une vitesse linéaire de 1 à 2 °C/seconde. Toute autre vitesse de chauffe entraîne soit des temps de mouillage plus longs, ce qui augmente le risque de pontage sur des pastilles très rapprochées, soit un risque accru de choc thermique et, par conséquent, une activation incomplète du flux, ce qui se traduit par un mauvais mouillage et un joint de soudure froid ou incomplet.
Le profilage doit tenir compte de la variation de la masse thermique de la carte. Une carte FR-4 de 1,6 mm avec 2 oz de cuivre nécessite un temps de trempage plus long d'environ 15-20% par rapport aux cartes de 1,0 mm avec 1 oz de cuivre pour obtenir un chauffage uniforme sur tous les composants. L'utilisation d'un minimum de neuf thermocouples - positionnés sur les petits éléments passifs, les composants à masse thermique importante et les coins de la carte - fournit suffisamment de données pour valider l'uniformité du profil. Les valeurs Delta-T doivent rester inférieures à 5°C pendant les pics afin d'éviter une surchauffe localisée qui exacerbe le pontage sur les dispositifs à pas fin.
Utiliser une atmosphère d'azote contrôlée pour réduire les effets de tension superficielle
Des études ont montré que les processus de refusion à l'azote utilisant des atmosphères dont le niveau d'oxygène est inférieur à 500 ppm réduisent considérablement les taux de défauts de pontage dans les assemblages de circuits imprimés à haute densité. L'avantage d'un processus de refusion à l'azote est dû à la réduction de l'oxydation de la brasure pendant la phase liquide. L'oxydation entraîne une augmentation correspondante de la tension superficielle de la brasure fondue par rapport à l'utilisation d'un environnement d'air pour la refusion. Par conséquent, la tension superficielle plus faible de la refusion à l'azote permet un “mouillage” plus agressif de la brasure sur les plaquettes et réduit simultanément la tendance de la brasure fondue à former des filaments continus entre des caractéristiques voisines.
Les données de production d'un fabricant sous contrat de cartes de circuits imprimés ont montré que les taux de défauts de pont des boîtiers BGA au pas de 0,8 mm sont passés de 4,21 TTP3T à 1,11 TTP3T après le passage de la refusion à l'air à la refusion à l'azote, toutes les autres variables du processus étant maintenues constantes. Une analyse économique de cette transition a montré que le coût supplémentaire de l'azote était de $0,18, compensé par une réduction de $2,40 due à la diminution des retouches, ce qui s'est traduit par une économie nette de $2,22 par unité produite sur un cycle de production de 50 000 unités.
L'optimisation de la concentration en oxygène a des plages idéales différentes en fonction de l'alliage utilisé. Par exemple, le SAC305 a une plage optimale de 100 à 300 ppm d'O₂ où il présente le plus d'avantages, alors que les alliages contenant moins d'argent comme le SAC105 ou le SAC0307 peuvent être utilisés avec succès jusqu'à 1 000 ppm. La surveillance continue de la quantité d'oxygène au cours du processus de brasage par le biais d'un contrôle en retour maintient la stabilité en contrôlant les environnements, ce qui évite les fluctuations dans le brasage d'un lot à l'autre. Pour les ingénieurs qui souhaitent obtenir des cartes de qualité, PCBInq propose une refusion à l'azote avec des niveaux d'oxygène contrôlés inférieurs à 100 ppm dans le cadre de l'assemblage à haute densité, ce qui est avantageux pour les projets médicaux et aérospatiaux où les tolérances de défaut exigées sont de l'ordre de la pièce par million.
Améliorer la rhéologie de la pâte à braser et la teneur en métal
Le type de pâte à braser utilisé peut avoir un effet sur la capacité à former des ponts. Cependant, de nombreux ingénieurs utilisent par défaut la pâte standard de type 3 sans vraiment évaluer les besoins spécifiques des schémas à haute densité ; cependant, lorsque les pas sont inférieurs à 0,5 mm, il existe des options plus performantes disponibles dans les types 4 et 5. En raison de la taille plus petite des particules, les types 4 et 5 permettent une meilleure libération du pochoir et une définition plus fine des caractéristiques pour les applications à pas plus fin.
Il convient également d'être prudent lors de la spécification de la teneur en métal. Dans la plupart des cas, les soudures standard sont composées d'environ 88 à 90 % de métal et en utilisant une teneur en métal plus faible de 86% à 88% pour les applications à pas fin, la viscosité de la soudure est réduite et la résistance à l'affaissement est améliorée. L'inconvénient est qu'un volume de soudure légèrement inférieur sera disponible pour créer un joint, mais dans la plupart des cas, cela est acceptable tant que la conception de l'ouverture compense cela par des calculs de volume appropriés.
Par exemple, pour une application typique au pas de 0,3 mm utilisant une brasure de type 5 avec une teneur en métal de 87% et un pochoir de 100 μm, environ 0,008 mm³ de pâte à braser sera déposé sur chaque plot. Ce volume devrait être suffisant pour fournir un joint de soudure fiable tout en évitant d'avoir un excès de soudure qui pourrait causer un pontage entre les pads.
Le type de flux chimique en pâte utilisé peut également avoir des effets sur la tendance à la formation de ponts. Par exemple, un flux sans nettoyage avec des halogénures de 0,05% à 0,2% fournira une activité adéquate pour souder des alliages sans plomb et laissera de faibles résidus qui ne retiendront pas de débris conducteurs après le reflux. Inversement, bien que les flux hydrosolubles présentent une activité plus élevée et offrent une meilleure possibilité de créer un bon joint de soudure, ils peuvent nécessiter un nettoyage approfondi pour éviter les résidus de flux entre les plages qui peuvent former des chemins de fuite possibles ou fournir des sites pour la formation d'une croissance dendritique.
| Paramètre de collage | Pas standard (≥0,65mm) | Pas fin (0,4-0,5mm) | Pas ultra-fin (≤0,4mm) |
|---|---|---|---|
| Type de poudre | Type 3 (25-45μm) | Type 4 (20-38μm) | Type 5 (15-25μm) |
| Contenu en métal | 88-90% | 86-88% | 85-87% |
| Épaisseur du pochoir | 125-150μm | 100-125μm | 75-100μm |
| Réduction de l'ouverture | 1:1 par rapport à la taille du tampon | Réduction 5-10% | Réduction 10-15% |
| Taux de défectuosité des ponts (typique) | <0,5% | 1.5-2.5% | 3.5-5.0% |
Inspection optique automatisée
Alors que les méthodes de prévention réduisent l'occurrence des ponts, le contrôle statistique des processus exige une détection quantitative et un retour d'information. La technologie moderne 3D inspection optique automatisée (AOI) utilisant la profilométrie à décalage de phase détectent les ponts de soudure avec une précision de 98,2% lorsqu'ils sont correctement calibrés pour les assemblages à haute densité. La spécification critique est la résolution latérale : les systèmes doivent résoudre des caractéristiques jusqu'à 10μm pour détecter de manière fiable les ponts entre des composants au pas de 0,4 mm.
D'après notre expérience de la mise en œuvre de l'AOI sur des lignes de production à pas fin, l'apprentissage de l'algorithme nécessite un minimum de 500 cartes connues et bonnes et de 200 cartes présentant des défauts documentés afin d'établir des seuils de détection fiables. Des taux de faux positifs supérieurs à 3% fatiguent l'opérateur et réduisent sa confiance dans le système, tandis que des taux de faux négatifs supérieurs à 1% permettent aux cartes défectueuses d'échapper à la détection. Pour atteindre ces objectifs, il faut une configuration d'éclairage soignée, qui nécessite généralement 8 à 12 réseaux de LED contrôlés indépendamment et positionnés à des angles compris entre 15 et 75° par rapport à la normale.
La valeur réelle émerge du retour d'information en boucle fermée : Les données AOI alimentent directement le réglage des paramètres de l'imprimante à pochoir, créant ainsi un processus d'autocorrection. Lorsque les défauts de pont se concentrent sur des types de composants ou des emplacements de cartes spécifiques, des alertes automatisées déclenchent des cycles de nettoyage du pochoir ou des révisions de la conception de l'ouverture. Un fabricant d'électronique automobile a réduit son taux de défauts de pont de 2,8% à 0,3% en six mois en mettant en œuvre cette approche axée sur les données, réalisant des économies cumulées de $340 000 en coûts de reprise sur un volume de production de 1,2 million de cartes par an.
Des fabricants comme PCBINQ ont intégré ces systèmes AOI avancés dans leurs processus d'assemblage standard, fournissant à leurs clients des rapports d'inspection détaillés comprenant des mesures de joints de soudure en 3D et une analyse statistique des tendances qui permet une optimisation proactive des processus plutôt qu'une gestion réactive des défauts.
Mettre en œuvre une stratégie holistique de prévention des ponts
Prévention des défauts de pont de soudure dans les assemblage de PCB à haute densité nécessite une optimisation simultanée dans les domaines de la conception, des matériaux, du processus et de l'inspection. Aucune méthode ne permet à elle seule d'éliminer les ponts : les taux de défaut les plus bas résultent de la mise en œuvre systématique des cinq approches. Les ingénieurs doivent donner la priorité à l'optimisation de la conception du pochoir, car cet élément fondamental influence tous les processus en aval. Ils doivent ensuite valider le profilage de refusion, puis ajouter les spécifications des matériaux, le contrôle de l'atmosphère et, enfin, le retour d'information basé sur l'inspection.
L'investissement dans l'infrastructure de prévention des ponts porte immédiatement ses fruits : la réduction des défauts de pont de 3%, typique de l'industrie, à 0,5% sur un volume annuel de 100 000 cartes permet d'économiser environ $250 000 rien qu'en coûts de reprise, en supposant un coût moyen de reprise de $10 par défaut. Si l'on tient compte de la réduction des rebuts, de l'amélioration du rendement et de la réduction de la durée des cycles de production, l'impact économique total dépasse souvent $500.000 par an pour les fabricants de volume moyen.
Pour l'introduction de nouveaux produits, allouez 15-20% de temps NPI spécifiquement à la validation de la prévention des ponts. Cela comprend l'itération de la conception du pochoir, le développement du profil avec des cartes de production réelles et la formation à l'algorithme AOI. L'investissement initial dans une validation approfondie permet d'éviter des modifications coûteuses en milieu de production et de respecter les délais de livraison.
