Minimiser l’effet de grappe

Les amis, 

Cet article est un extrait sur l’effet de grappe, issu du guide d’Indium Corporation :The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects.

Introduction 

L’évolution des appareils électroniques personnels continue de générer le besoin de composants électriques actifs et passifs toujours plus petits. Cette tendance à la miniaturisation, associée à la demande d'assemblages sans plomb conformes à la directive RoHS, a créé de nouveaux défis, dont l'effet de grappe.

Alors que la taille d'un dépôt de crème à souder diminue, la surface relative des particules de soudure exposées augmente, et la quantité de flux disponible pour éliminer les oxydes en surface diminue. S'y ajoute la chaleur supplémentaire nécessaire pour refondre la plupart des soudures sans plomb, ce qui donne une formule propice à l’existence de l’effet de grappe. Au cours du processus de chauffage, alors que la viscosité du flux diminue et commence à se répandre vers le bas et vers l'extérieur, les particules de soudure sont exposées au sommet du dépôt de crème à souder. S'il n'y a pas de flux à proximité, ces particules de soudure peuvent s'oxyder lorsque la crème à souder entre dans la phase rampe ou trempage de la refusion. Ces oxydes entraveront la coalescence complète des particules dans un joint de soudure uniforme lorsque la soudure atteint le liquidus. Les particules non fondues ont souvent l'apparence d'une grappe de raisin, comme on peut le voir sur la figure 1.

Figure 1. L’effet de grappe

Impression au pochoir

Le rapport de surfaces (AR) est une donnée essentielle pour une impression au pochoir réussie. Il est défini comme la surface de l'ouverture du pochoir divisée par la surface des parois latérales de l'ouverture. La figure 2 montre un schéma pour des ouvertures carrées/rectangulaires et circulaires. Un simple calcul montre que l'AR se simplifie au diamètre (D) du cercle divisé par quatre fois l'épaisseur du pochoir (t), soit AR = D/4t. De façon assez surprenante, le résultat est le même pour les ouvertures carrées, D étant maintenant égal aux côtés du carré. Pour l'AR d'une ouverture rectangulaire, la formule est un peu plus compliquée : ab/2(a+b)t, où a et b sont les côtés du rectangle.

Figure 2. Schémas d'ouverture pour les ouvertures rectangulaires et circulaires.

Il est largement admis dans l'industrie que pour obtenir une bonne impression au pochoir, l'AR doit être supérieur à 0,66. L'expérience a montré que si l'AR < 0,66, l'efficacité du transfert pouvait être faible et irrégulière, bien que cela se soit amélioré avec les progrès de la technologie des crèmes à souder.

Efficacité du transfert

L'efficacité du transfert, une autre donnée importante de l'impression au pochoir, est définie par le volume du dépôt de crème à souder divisé par le volume de l'ouverture. Pour réaliser l'impression au pochoir d'éléments fins, il n'est pas rare de rechercher une crème à souder qui incorpore une poudre plus fine afin d'optimiser le processus d'impression. Cependant, à mesure que la taille des particules de poudre dans la crème à souder diminue, la quantité relative de surface exposée augmente. Avec cette augmentation de surface, une augmentation des oxydes de surface totaux se produit. Cette augmentation des oxydes de surface exige que les substances chimiques du flux travaillent encore plus dur pour éliminer les oxydes et protéger les surfaces de la poudre, du composant et des métallisations de la carte pendant tout le processus de refusion.

Sur un pochoir de 3 mil d'épaisseur, l’AR d'une ouverture carrée de 6 mil est le même que celui d'une ouverture circulaire de 6 mil : 0,50. Cependant, si on compare les deux, le volume du dépôt de pâte à souder carré est plus important (~ 108 mil cube) que celui du dépôt circulaire (85 mil cube). Le volume supplémentaire de crème à souder fourni par l'ouverture carrée peut contribuer à réduire l’effet de grappe. Une plus grande efficacité du transfert fournie par l'ouverture carrée est toutefois plus importante. La conception ouverture carrée offre une efficacité de transfert plus cohérente, réduisant davantage le potentiel d’effet de grappe car des dépôts irréguliers pourraient signifier moins de volume.

Pastilles SMD vs NSMD

Les résultats d'expériences sur le masquage de la soudure ont montré que l'effet de grappe est moins important pour les pastilles à masque de soudure défini (SMD). On pense que le masque de soudure fournit une barrière (barrage), limitant la propagation du flux pendant le processus de chauffage, et augmentant la disponibilité potentielle du flux pour éliminer les oxydes et protéger de toute nouvelle oxydation. Le masque de soudure peut également servir de barrière pour protéger les particules de poudre de crème à souder situées à proximité les unes des autres contre une oxydation ultérieure.

Soluble dans l’eau vs sans nettoyage

Les flux sans nettoyage sont généralement des formules à base de colophane/résine (ci-après dénommées uniquement résine). Les résines n’étant pas très solubles dans les solvants utilisés dans les flux solubles dans l’eau, elles sont généralement remplacées par des composés de grande taille moléculaire, tels que des polymères, dans les flux solubles dans l’eau. Le ou les activateurs contenus dans la chimie du flux éliminent les oxydes présents sur les surfaces d’assemblage, ainsi que les particules de poudre de crème à souder contenues dans la crème elle-même. Une oxydation/réoxydation supplémentaire se produit pendant l’étape de chauffage. Alors que les résines des flux sans nettoyage sont d’excellentes barrières à l’oxydation et protègent contre la réoxydation, l’absence de résines dans les composés chimiques hydrosolubles les rend insuffisantes en termes de résistance à l’oxydation.

Par conséquent, pour les mêmes profils de refusion (bien que les produits chimiques solubles dans l’eau soient généralement plus actifs) la moindre résistance à l’oxydation des composés chimiques solubles dans l’eau les rend plus sensibles dans les profils longs et/ou chauds, ce qui accroît le risque d’effet de grappe.

Rampe à crête vs trempage

Pendant de nombreuses années, le profil de refusion de type « trempage » était assez répandu. Cependant, au fil du temps, le profil de refusion préféré est devenu rampe à crête (RTP). Cette évolution s’explique par les températures de refusion plus élevées associées aux soudures sans plomb, ainsi que par la nécessité de réduire l’exposition totale à la chaleur des petits dépôts de crème, des composants sensibles à la température et des laminés de la carte. Un autre avantage du profil de trempage est son utilisation pour réduire la formation de vides. Néanmoins, il n’est pas aussi efficace avec les soudures sans plomb, en raison de la tension superficielle accrue des soudures sans plomb et de la température plus élevée utilisée pour les refondre.

Pour minimiser l’effet de grappe, il est préférable de réduire la durée dans le four, à condition d’utiliser la même durée au-dessus du liquidus (TAL) et la même température de crête. Voir figure 3. Le profil de trempage produit généralement plus d’effet de grappe qu’un profil RTP. L’effet de grappe est accentué lorsque la durée totale dans le four augmente. La diminution de la chaleur totale réduit considérablement l’effet de grappe. Une vitesse de rampe (de la température ambiante à celle de crête) de 1 °C/seconde est généralement recommandée, ce qui équivaut à environ 3 minutes et 40 secondes pour atteindre une température de crête de 245 °C.

Figure 3. Profils typiques de refusion sans Pb.

Conclusions

Pour réduire l’effet de grappe, il est essentiel d’assurer un processus d’impression et de refusion optimal. L’utilisation des directives fournies pour le rapport de surfaces et une bonne configuration du processus et de l’équipement garantiront une bonne efficacité du transfert. Bien que le rapport de surfaces pour les conceptions à ouverture circulaire et carrée puisse être égal, le potentiel d’effet de grappe augmente avec les conceptions à ouverture circulaire en raison de la diminution du volume de crème et de la baisse de l’efficacité du transfert.

Au niveau de la refusion, la diminution de l’apport thermique total réduira la probabilité de l’effet. Il est suggéré d’utiliser un profil de type RTP avec un coefficient de rampe d’environ 1 °C/seconde.

Les facteurs matériels influencent également le résultat. L’apparition de l’effet de grappe augmente à mesure que la taille des particules de crème à souder diminue et que la surface des oxydes de surface augmente. Les compositions de crème à souder solubles dans l’eau ne fournissent pas la barrière d’oxydation que les résines fournissent pour les compositions sans nettoyage et sont plus sujettes à l’effet de grappe.

Merci,

Dr Ron