Profils de Soudage par Refusion : SAC305, Sans Plomb et Eutectique

Le soudage par refusion fait fondre la pâte à souder pour former des joints permanents entre les composants montés en surface et les pads du PCB. Le profil thermique — la courbe temps-température que la carte suit à travers le four à refusion — est la variable de procédé la plus importante. Un profil incorrect provoque des joints froids, du tombstoning, des fissures de composants ou l’ébullition de l’électrolyte ; tous ces défauts passent l’inspection visuelle mais tombent en panne sur le terrain. La vérification du profil est un élément clé de l’inspection qualité pour tout projet d’assemblage PCB.

Vue d’ensemble

Un four à refusion à convoyeur comporte 6 à 14 zones de température. La carte traverse chaque zone à une vitesse contrôlée, suivant un profil de température montante puis descendante. Le profil doit chauffer suffisamment la carte pour faire fondre complètement la soudure et mouiller les surfaces, tout en restant en dessous des limites de dommage de chaque composant. Pour les assemblages mixtes (broches traversantes soudées à la vague dans une carte avec des composants SMD déjà soudés par refusion), le profil de refusion ne doit pas non plus refaire fondre les joints du procédé précédent.

Deux systèmes de soudure dominants dans la production en Chine :

• SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) : sans plomb, conforme RoHS, liquidus 217°C
• Sn63Pb37 : eutectique, liquidus 183°C — encore utilisé pour les applications industrielles, militaires et certaines applications haute fiabilité exemptées de RoHS

Paramètres Clés

Détail du Profil Zone par Zone

Zones 1–3 : Préchauffage (25°C → 150°C) Objectif : élever progressivement la température de la carte pour éviter les chocs thermiques, qui fissurent les condensateurs céramiques multicouches (MLCC). La vitesse de montée ne doit pas dépasser 3°C/sec (SAC305) ou 2°C/sec (eutectique). À ce stade, l’humidité résiduelle sur la carte ou dans les boîtiers des composants est chassée. Si l’humidité n’est pas éliminée avant la zone de trempe, elle se vaporise dans la pâte à souder, créant des vides.

Zones 3–5 : Trempe/Activation (150–200°C pour SAC305) Le flux de la pâte à souder s’active et nettoie les surfaces des pads et des composants (élimination des oxydes). La pâte doit rester dans cette zone suffisamment longtemps pour une activation complète — 60 à 120 secondes. Trop court : mauvais mouillage sur les pads oxydés. Trop long : le flux brûle avant la refusion, causant également un mauvais mouillage. Pendant la trempe, la température de la carte s’uniformise sur le panneau — critique pour les cartes avec de grandes différences de masse thermique entre les zones.

Zones 5–7 : Refusion (au-dessus du liquidus, 217–250°C pour SAC305) La soudure fond, mouille le pad et la terminaison du composant, et forme le joint. Un temps au-dessus du liquidus (TAL) de 30 à 90 secondes permet un mouillage complet sans surchauffe des composants. La température de pic est mesurée au point le plus froid de la carte (sous la masse thermique la plus lourde, comme un connecteur d’alimentation ou un grand pad de dissipateur). De nombreuses usines mesurent le pic à l’emplacement de thermocouple le plus accessible — exiger que le thermocouple soit placé sous le composant présentant le plus grand défi thermique.

Zone de refroidissement : Pic → 100°C Refroidissement rapide mais contrôlé (<4°C/sec). Trop lent : la couche intermétallique s’épaissit, réduisant la résistance mécanique du joint dans le temps. Trop rapide : choc thermique, ou la structure du joint de soudure n’a pas suffisamment de temps pour s’organiser — peut produire des joints granuleux et fragiles. Une atmosphère azote (si utilisée) empêche la ré-oxydation pendant le refroidissement.

Alternatives Basse Température

SnBiAg (ex. Sn42/Bi57/Ag1) : Liquidus ~138°C, profil de pic 150–165°C. Utilisé pour les composants sensibles à la chaleur qui ne peuvent pas supporter les pics SAC305 à 250°C — certains QFN à puce mince, certains modules d’affichage, composants avec connecteurs plastique certifiés jusqu’à 180°C. Des températures de pic plus basses réduisent le gauchissement du PCB dans les cartes grand format. Compromis : résistance à la traction et à la fatigue thermique inférieures à SAC305. Non recommandé pour les applications à fortes vibrations ou à cycles thermiques.

Niveaux de Sensibilité à l’Humidité J-STD-020 (MSL)

Les composants absorbent l’humidité lors du stockage. Si des composants saturés en humidité entrent dans le four à refusion, l’eau se vaporise et se dilate à l’intérieur du boîtier plus vite qu’elle ne peut s’échapper, provoquant un délaminage interne (« popcorning ») — souvent invisible extérieurement mais dévastateur pour la fiabilité. J-STD-020 classe les composants selon la rapidité à laquelle ils absorbent l’humidité jusqu’à des niveaux dangereux :

Les BGA et QFN sont fréquemment MSL 3 ou supérieur. S’ils ont été stockés à l’air libre pendant plus de 168 heures (ou si l’usine ne peut pas confirmer les conditions de stockage), ils doivent être cuits avant la refusion : 125°C pendant 8 à 24 heures selon l’épaisseur du boîtier et le niveau MSL, conformément à J-STD-033.

Demandez à l’usine : « Comment suivez-vous le MSL pour les composants ? Enregistrez-vous l’ouverture des bobines ? » S’ils n’ont pas de procédure, vous êtes exposés à un risque.

Refusion sous Atmosphère Azote

Remplacer l’air par de l’azote (O₂ <100 ppm) à l’intérieur du four empêche l’oxydation de la soudure et des pads pendant la refusion. Avantages : meilleur mouillage, taux de défauts plus faibles sur les composants à pas fin, possibilité d’utiliser un flux no-clean avec un minimum de résidus. Coût : ajoute 0,10–0,30 $/carte pour la consommation d’azote. Requis pour : certains procédés no-clean sans plomb sur des BGA à pas de 0,3 mm ; recommandé pour les assemblages haute fiabilité de classe 3.

Ce qu’il Faut Spécifier lors d’une Commande en Chine

• Alliage de soudure : SAC305, Sn63Pb37, ou alliage basse température spécifique — préciser lequel et référencer la désignation d’alliage J-STD-006
• Procédure de gestion MSL : exiger des usines qu’elles documentent les niveaux MSL des composants et l’historique de cuisson ; en faire un élément de la liste de contrôle d’audit d’usine
• Caractérisation du profil sur votre carte : exiger un journal thermocouple de la première série de production placé à l’emplacement thermique le plus défavorable, et non un profil sauvegardé générique
• Atmosphère azote : spécifier « oui » ou « non » — si non spécifié, la plupart des usines utilisent l’air par défaut
• Inspection de premier article (FAI) : exiger qu’une carte du premier panneau soit radiographiée et coupée en coupe transversale pour vérifier la qualité des joints avant d’approuver la production en série

Contrôles Qualité

La vérification définitive : profil enregistré par thermocouple pour votre carte spécifique, avec le thermocouple fixé sous la face du composant à masse thermique la plus importante. Comparer la température de pic mesurée, le TAL et les vitesses de montée par rapport au tableau de spécifications ci-dessus. Demander cela dans le cadre de la documentation d’inspection du premier article.

La microscopie en coupe transversale sur les joints BGA révèle : l’épaisseur de la couche intermétallique (idéalement 1–3 µm), le pourcentage de vides et la géométrie du joint. Pour la production, le contrôle AXI par rayons X confirme la formation du joint sur chaque carte.

Problèmes Courants

Joints froids sur SAC305 : Température de pic insuffisante ou TAL trop court. SAC305 requiert un pic plus élevé que l’eutectique — les usines faisant passer la pâte SAC305 à travers un profil réglé pour la soudure eutectique produiront des joints froids qui peuvent fonctionner correctement électriquement (résistance de contact) mais défaillir thermo-mécaniquement sous vibration ou cycle thermique.

Condensateurs MLCC fissurés : Vitesse de montée dépassant 3°C/sec en préchauffage, ou carte tombée dans un support froid immédiatement après la refusion. Les MLCC (notamment les 0402 et 0201 X7R/X5R) sont fragiles ; le gradient thermique à travers leur corps provoque des contraintes mécaniques. Les microfissures passent souvent les tests électriques à température ambiante mais défaillent à température élevée ou après une contrainte mécanique.

Défaillance des condensateurs électrolytiques : Température de pic dépassant la valeur nominale du composant (généralement 260°C pendant 10 secondes selon J-STD-020). L’électrolyte bout, faisant s’éventer le condensateur. Plus courant sur les cartes haute densité où le flux d’air dans le four est inégal et où des points chauds se forment. Vérifier les caractéristiques de température des composants par rapport au profil four le plus défavorable.

Ressources Associées

• Procédé d’Assemblage SMT — flux complet de la ligne SMT
• Critères d’Acceptation IPC-A-610 — classification de la qualité des joints
• Règles DFM — règles de conception influençant le comportement du profil thermique
• Liste de Contrôle d’Audit d’Usine
• Services d’Inspection Qualité
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• Guide d’Achat PCB Assembly Chine