Minimiser l'effet Manhattan (tombstoning)

Les amis, 

Cet article est un extrait de la brochure d'Indium Corporation : The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects.

Introduction

Les problèmes relatifs aux cartes de circuits imprimés (PCB) peuvent représenter un défi, mais tous ces problèmes ne sont pas aussi prématurément mortels pour votre PCB que l'effet tombstoning (ou effet Manhattan). L'effet Manhattan est causé par des forces de tension de surface inégales créées pendant la fusion de la crème à souder sur les côtés opposés d'un composant passif. Ces forces inégales font que le composant passif se redresse d'un côté et rompt le contact avec le circuit, ce qui donne un résultat ressemblant étrangement à une pierre tombale dans un cimetière (voir Figure 1).

Figure 1 : Effet Manhattan sur des composants de condensateur

Mécanisme du tombstoning

Différents facteurs contribuent au tombstoning. Le tombstoning est presque toujours le résultat de forces de mouillage inégales sur les terminaisons du composant. Lorsqu'une extrémité "mouille" avant l'autre, la force de mouillage de la soudure, à présent déséquilibrée, "tire" le composant et le redresse, ce qui le fait tenir debout. On rencontre également le tombstoning suite à un chauffage inégal de l'assemblage de la PCB. Lorsque le circuit imprimé passe dans le four à refusion, le côté avant du composant passif est souvent chauffé en premier (voir côté gauche du passif Figure 2). Ce chauffage inégal fait que le dépôt de crème à souder le plus proche de la source de chaleur (côté gauche de la figure 2) fond en premier. Au fur et à mesure que cette soudure fond, sa tension de surface fait que le passif se redresse, comme on peut le voir sur les figures 1 et 2.

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Figure 2 : L'effet tombstoning en détail.

Alliage de soudure

Une approche pour minimiser le tombstoning consiste à utiliser un alliage de soudure devenant très "pâteux" ou "plastique" à mesure qu'il fond. La plage plastique est la plage de température au-dessus de laquelle la soudure est fondue et solide. Pour une soudure eutectique, comme la soudure Sn63/Pb37, il n'y a pas de plage plastique, car la soudure est complètement solide à un peu moins de 183 °C et complètement liquide à un peu plus de 183 °C. Les alliages SnPbAg, tels que Sn62 ou Indalloy^®100, ont été largement utilisés pour éliminer les problèmes de tombstoning dans les assemblages au plomb en raison de leur plage plastique plus étendue. 

Dans les soudures sans Pb, SAC3510 (Sn/3,5Ag/1Cu) a une plage plastique étroite, alors que SAC305 a une plage plus large. Par conséquent, on s'attendrait à ce que SAC305 marche mieux en termes de minimisation de l'effet tombstoning, et c'est bien le cas. La figure 3 montre les résultats des expériences pour déterminer le taux de tombstoning. Notez que le taux de tombstoning du SAC3510 est plus de six fois celui du SAC305. Puisque SAC305 est l'un des alliages sans Pb les plus courants, la fréquence de l'effet tombstoning a grandement diminué dans l'ère sans Pb.

Figure 3 : Comparaison des taux de tombstoning pour les alliages autres que SAC305. Les barres vertes représentent des alliages sans plomb, les noires des alliages contenant du plomb.

Conception de la carte

Il est extrêmement important pour les ingénieurs en fabrication de travailler en étroite collaboration avec les ingénieurs en conception afin d'éliminer les défis et les défauts dans la fabrication des PCB. Le tombstoning est un défaut pour lequel une conception appropriée pourrait éliminer le problème. Si la carte est conçue avec un dissipateur thermique (une couche de cuivre, par exemple) sous ou près d'un côté d'un composant passif, et si l'autre côté est plus éloigné, le dissipateur thermique pourrait affecter l'équilibre thermique de l'assemblage. La crème à souder sur le côté sans dissipateur thermique pourrait passer à l'état liquidus en premier, ce qui pourrait causer un effet tombstoning.

Conception du pochoir

Minimiser la quantité de crème à souder imprimée sur les pastilles de la PCB réduira également le tombstoning. Il est particulièrement utile de réduire la quantité de soudure imprimée directement derrière les extrémités du passif, ce qui éliminera presque toutes les forces de tombstoning. La figure 4 présente un modèle de pochoir typique permettant d'atteindre cet objectif. Dans certaines expériences, cette conception a complètement éliminé l'effet tombstoning.

Figure 4 : Une conception de pochoir pour minimiser le tombstoning dans les passifs 0402.

Impression

Le processus d'impression et l'efficacité du transfert sont des éléments clés de nombreux défauts en fin de ligne, dont le tombstoning. Si un côté d'un composant passif est plus chargé en crème à souder que l'autre, le composant pourrait se retrouver dans une position où il n'entre en contact qu'avec le dépôt le plus haut. Ceci entraînerait très probablement un défaut de type tombstoning. L'utilisation d'un équipement d'inspection de crème à souder (SPI) peut contribuer à garantir que les dépôts de crème à souder sont conformes aux spécifications et qu'un dépôt n'est pas plus haut qu'un autre. L'optimisation de la taille et de la forme de l'ouverture aidera également à minimiser la variation du volume de crème à souder entre les pastilles.

Placement

Une force de placement et/ou une hauteur Z incorrecte peuvent souvent être à l'origine d'un effet tombstoning. Il est important de s'assurer que la pression de placement et la hauteur Z sont adaptées à l'assemblage et optimisées avant la production. Il est aussi possible que les pièces soient obliques lors de leur placement. Bien que la soudure ait tendance à s'aligner d'elle-même, les composants incorrectement placés et hors alignement peuvent provoquer un effet tombstoning.

Refusion

Une approche pour minimiser l’effet tombstoning consiste à diminuer l'apport total de chaleur pendant la refusion en augmentant progressivement la pente. Cependant, cette condition peut être difficile à réaliser dans un four à refusion. Une autre option consiste à utiliser un profil de refusion de type trempage pour atteindre l'équilibre thermique entre les deux dépôts de crème à souder de sorte que les deux dépôts entrent dans la phase liquidus en même temps.

En plus d'éviter les soudures sans plage plastique, une atmosphère d'azote dans le four à refusion tend à accentuer le tombstoning car l'azote augmente les vitesses de mouillage et permet aux forces de tension de surface d'apparaître plus rapidement. À moins qu'il n'y ait de fins dépôts de crème à souder ou des assemblages de type empilement de boîtiers sur la carte, il n'y a probablement aucune raison d'utiliser de l'azote, car la plupart des crèmes à souder modernes de haut niveau peuvent fonctionner correctement dans une atmosphère de refusion à l'air.

Conclusions

L'effet tombstoning peut être minimisé en suivant les directives énoncées dans cet article. Un moyen fiable de minimiser l'effet tombstoning est d'utiliser un alliage de soudure ayant une large plage plastique, comme l'Indalloy®100 (avec plomb) ou le SAC305 (sans plomb). Il est également important de maintenir un dialogue ouvert avec les concepteurs de la carte pour minimiser les dissipateurs thermiques près ou sous un côté des composants passifs. Utilisez un profil de température de soudage par refusion qui passe lentement du solidus au liquidus, ou minimisez le décalage thermique avec un trempage. Utilisez un équipement d'inspection de crème à souder pour garantir que les dépôts de soudure sont de hauteurs similaires et conformes aux spécifications, et imprimez un dépôt de soudure de petite taille, en particulier aux deux extrémités du composant passif. Assurez-vous que la pression de placement et la hauteur Z sont appropriées et que les pièces ne sont pas placées en oblique. Évitez d'utiliser de l'azote dans le four à refusion ; avec une bonne crème à souder, ce n'est pas nécessaire et ça accentue l'effet tombstoning.

Merci,

Dr Ron