Effect de tomstoning : la mort d'un circuit imprimé assemblé
Mercredi 30 novembre 2011 par Eric Bastow [voir biographie]
L’effet de tombstoning (également connu sous le nom d’effet de Manhattan, effet de pont-levis ou effet de Stonehenge) est décrit (selon le sens le plus simple et le plus courant) comme se produisant lorsqu’une extrémité d’un dispositif passif, comme une résistance ou un condensateur, sort du brasage et rompt le contact avec le circuit. Mais cela ne se limite pas aux dispositifs passifs. Les autres dispositifs montés à la surface peuvent subir l’effet de tombstoning aussi (voir l’image d’un effet de tombstoning d’une diode, en haut). L’effet de tombstoning est un défaut « fatal » car il produit un circuit ouvert.
L’effet de tombstoning, encore une fois, est devenu un problème central, principalement du fait de deux points essentiels :
- la transition au sans plomb (températures de reflux plus élevées et problèmes de liquide connexes)
- la miniaturisation (les 0201 et les 01005)
Plusieurs facteurs contribuent à l’effet de tombstoning. Celui que nous rencontrons habituellement (en tant que fournisseur de pâte de brasage) est un réchauffement inégal de l’assemblage du circuit imprimé, qui fait qu’un dépôt de pâte fond et s’humidifie avant l’autre, pour chaque composant (tel que cela est décrit ci-dessus). En essayant d’obtenir une température de reflux plus élevée tel que cela est exigée par les nouveaux alliages sans plomb, cela peut exacerber le degré thermique le plus élevé sur l'assemblage du circuit imprimé (et d’une extrémité d’un composant à l’autre).
On peut habituellement facilement remédier aux degrés thermiques par des réglages mineurs du profil de reflux.
- L’utilisateur du four à reflux peut ralentir la vitesse d'augmentation. Une vitesse d’augmentation plus lente permet un réchauffement plus uniforme de l’assemblage du circuit imprimé.
- Une autre technique consiste à utiliser une « humidification » juste en dessous de la température de fusion (solide) de l'alliage. Par exemple, pour un profil de SAC305 (solide à 217°C), on peut mettre en place une « humidification de 205 à 210°C pendant 30 à 120 secondes. Cela permet aux parties les plus froides de la carte à circuit imprimé de « rattraper » les parties les plus chaudes. Une fois que l’équilibre thermique a été atteint, on peut faire augmenter la température jusqu’au pic approprié (c.-à-d. 245°C). Cette technique (décrite dans le profil de reflux indiqué à droite) permet à tous les dépôts de pâte de brasage de fondre et d’humidifier les extrémités du composant à peu près en même temps, réduisant ainsi l’effet de tombstoning.
Les différentes chimies de liquide, et les différents types peuvent aussi avoir une conséquence sur l’effet de tombstoning. Il est souvent souhaitable d’avoir une pâte de brasage qui s’humidifie bien même sur des composants anciens et oxydés. Un effet secondaire négatif possible d’une pâte de brasage à humidification excellente est l’effet de tombstoning. Lorsque la pâte s’humidifie « de façon agressive » aux extrémités du composant entraînant une force d’humidification importante et même la plus infime disparité (température, propreté, zone du liquide, etc.) d’une extrémité ou d’un coussinet à l’autre peut provoquer un effet de tombstoning du composant.
La vitesse et la force d’humidification ont également un lien direct avec la vitesse à laquelle le brasage fond. Il devrait être évident que l’humidification ne se produit que lorsque le brasage est à l’état liquide et non quand il est solide. Pour cette raison, les alliages de brasage qui ne sont pas eutectiques (alliages qui commencent à fondre à une température mais sont totalement liquide jusqu'à une température supérieure) peuvent produire moins d'effet de tombstoning qu’un alliage eutectique (point de fusion clairement défini), toutes autres choses étant égales. Sn63 (63Sn 37Pb) est un alliage eutectique et une transition propre du solide vers le liquide à 183°C. Sn60 (60Sn 40Pb) n’est pas eutectique et commence à fondre à 183°C mais n’est pas totalement liquide en dessous de 191°C. Dans le cas d’un alliage « non eutectique » comme le Sn60, entre 183°c et 191°C, le solide et le liquide coexistent. Dans ce but, certains fabricants de pâte de brasage ont élaboré des alliages qui fondent progressivement (qui sont expressément non eutectique) afin de lutter contre l’effet de tombstoning.
La conception et la disposition du coussinet peuvent aussi avoir une conséquence sur l’effet de tombstoning. Habituellement les coussinets se trouvent sous les extrémités ou ont de larges zones de coussinets sous les extrémités qui peuvent contribuer à l’effet de tombstoning. A gauche se trouve une image de la coupe transversale d’un composant passif soudé. Remarquez comment le fillet de brasage atteint le haut de l’extrémité. Les dépôts de pâte de brasage qui s’étendent au delà du composant entraînent une grande force d’humidification et de levier qui doit être appliquée aux extrémités et en haut du composant. La force d’humidification, si elle n’est pas appliquée de façon égale aux deux extrémités, peut entraîner un effet de tombstoning du composant.
De la même façon que le positionnement du dépôt de la pâte de brasage (conception du coussinet), le volume de brasage peut aussi avoir un impact sur l’effet de tombstoning. C’est très simple. Plus de brasage équivaut à une plus grande force d’humidification et vice versa. A droite se trouve une image qui montre une quantité très réduite de volume de pâte (non conseillé à ce degré). Si on peut imaginer que ce composant a vraiment été soudé sur les coussinets, on peut voir comment cela sera presque impossible pour le composant de subir un effet de tombstoning. Il n’y a simplement pas assez de brasage pour humidifier la totalité de l’extrémité. Les volumes de dépôt de brasage qui restreignent le brasage au niveau de son humidification jusqu’en haut du composant réduisent grandement la force d’humidification et de levier que le brasage peut appliquer au composant. En fonction de la catégorie d'exécution que l’on veut atteindre, il peut ne pas être pratique de réduire le volume de brasage. La catégorie de produit peut nécessiter des extrémités entièrement humidifiées.
Il est aussi crucial que le dépôt de pâte de brasage et le composant reposent fermement sur les coussinets. Tout décalage pourra affecter la façon dont le brasage humidifie les extrémités et pourra entraîner un effet de tombstoning.
La miniaturisation, telle qu’elle se caractérise par des composants passifs plus petits et plus légers, comme les 0201 et les 01005, crée un conflit concernant l'effet de tombstoning. Les questions d’emplacement de dépôt de pâte de brasage (voir image à droite), de positionnement des composants et de volume de pâte de brasage sont difficiles à maîtriser étant donné l’échelle minuscule générale du scénario. Par ailleurs, les composants les plus petits sont par nature plus légers et donc plus facile à pousser vers l’extrémité.
Contrôler l’effet de tombstoning est une question essentielle de l’assemblage SMT. Mais, en comprenant ce qui entraîne l’effet de tombstoning, on peut le contrôler.
CONTACTEZ-MOI pour discuter de l’effet de tombstoning:
Eric Bastow : Ingénieur sénior en assistance technique
Téléphone : +1.315.853.4900
E-mail : ebastow@indium.com
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