Principes de base du profil de refusion : Guide d'ingénierie, spécifications et liste de contrôle de dépannage

Comprendre les bases du profil de refusion est le facteur le plus critique pour le rendement d'assemblage en Technologie de Montage en Surface (CMS). Un profil de refusion n'est pas seulement un réglage de température ; c'est une recette thermique précise qui dicte comment un PCB chauffe, trempe, refond et refroidit pour former des joints de soudure fiables. Si le profil s'écarte même légèrement des spécifications du fabricant de pâte à souder ou des limites thermiques du composant, il en résulte souvent des défauts invisibles comme des joints de soudure froids, des défaillances "tête-dans-l'oreiller" ou du silicium endommagé.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous soulignons qu'un profil robuste prévient les reprises coûteuses et assure une fiabilité à long terme. Ce guide décompose les quatre zones essentielles, fournit une liste de contrôle des spécifications et propose un cadre de dépannage pour les ingénieurs optimisant leurs processus thermiques.

Réponse Rapide (30 secondes)

Un profil de refusion correct se compose de quatre zones distinctes : Préchauffage, Trempage, Refusion et Refroidissement. Chaque zone a des objectifs de temps et de température spécifiques basés sur l'alliage de soudure (généralement SAC305 ou SnPb) et la masse thermique de la carte.

Taux de montée: Maintenez l'augmentation initiale de la température entre 1°C/s et 3°C/s pour prévenir les chocs thermiques et la fissuration des composants.
Zone de trempage: Maintenez l'équilibre (généralement 150°C–200°C pendant 60–120 secondes) pour activer le flux et éliminer les substances volatiles avant la refusion.
Temps au-dessus du liquidus (TAL) : Assurez-vous que la soudure reste fondue pendant 45 à 90 secondes (selon l'alliage) pour former une liaison intermétallique appropriée sans brûler le FR4.
Température de pointe : Visez 235°C–250°C pour les processus sans plomb ; ne dépassez jamais les valeurs nominales maximales des composants (généralement 260°C).
Taux de refroidissement : Refroidissez rapidement (< 4°C/s) pour créer une structure à grain fin, mais pas si vite que cela provoque des déformations ou des fractures de contrainte.
Validation : Utilisez toujours un profileur thermique avec des thermocouples attachés au PCB réel, et non pas seulement aux capteurs d'air du four.

Quand les bases du profil de refusion s'appliquent (et quand elles ne s'appliquent pas)

Comprendre la portée des bases du profil de refusion garantit que vous appliquez ces règles aux processus de fabrication corrects.

Quand cela s'applique :

Assemblage SMT : Processus standard de montage en surface impliquant l'impression de pâte à souder et des machines de placement.
Soudure BGA/QFN : Les boîtiers complexes où les joints de soudure sont cachés sous le corps du composant nécessitent un profilage précis pour garantir une pénétration complète de la chaleur.
Évaluation de la pâte : Lors de la qualification d'une nouvelle marque ou alliage de pâte à souder, un profil spécifique doit être développé pour correspondre à la chimie de son flux.
Réduction des défauts : Lors du dépannage de problèmes tels que le tombstoning, les vides ou les billes de soudure, le profil est la première variable à auditer.
Assemblage double face : Gérer la hiérarchie thermique afin que les composants du côté inférieur ne tombent pas lors du deuxième passage.

Quand cela ne s'applique pas :

Soudage à la vague: Ce processus utilise une vague de soudure fondue et nécessite un profil thermique (préchauffage + temps de contact) complètement différent de celui des fours de refusion.
Soudage manuel: Le soudage manuel repose sur la température de la panne du fer et l'habileté de l'opérateur, et non sur un profil thermique convoyeur.
Connecteurs Press-Fit: Ceux-ci reposent sur des ajustements mécaniques par interférence plutôt que sur une liaison thermique, bien que la carte puisse subir une refusion pour d'autres composants.
Soudage sélectif: Bien qu'il implique de la chaleur, la nature localisée du soudage sélectif suit des règles de temps de maintien et de température différentes de celles d'une refusion complète au four.

Règles et spécifications

Le tableau suivant présente les paramètres critiques pour un profil de refusion standard sans plomb (SAC305). Ces valeurs servent de référence; toujours les recouper avec la fiche technique de votre pâte à souder spécifique.

Règle	Valeur/plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Pente de montée maximale (Ramp-Up)	1°C/s à 3°C/s	Prévient le choc thermique des condensateurs céramiques et minimise l'affaissement de la pâte à souder.	Mesurer la pente de l'ambiant au début du palier de trempage sur le graphique du profileur.	Fissuration des composants, formation de billes de soudure ou ponts de pâte.
Plage de température de trempage (Soak)	150°C à 200°C	Permet au flux de s'activer, élimine les oxydes et égalise la température de la carte (Delta T).	Vérifier la section la plus plate du graphique avant le pic.	Billes de soudure (si trop rapide) ou mauvais mouillage (si le flux s'épuise trop tôt).
Temps de trempage	60 à 120 secondes	Assure que l'ensemble de l'assemblage atteint l'équilibre afin que les petites et grandes pièces refusionnent simultanément.	Mesurer le temps écoulé entre les températures de début et de fin de trempage.	Effet "tombstone" (chauffage inégal) ou "graping" (flux desséché).
Temps au-dessus du liquidus (TAL)	45 à 90 secondes	Critique pour la formation de la couche de composé intermétallique (IMC).	Mesurer le temps total pendant lequel le thermocouple indique >217°C (pour SAC305).	Joints froids (trop court) ou délaminage/carbonisation de la carte (trop long).
Température de pointe	235°C à 250°C	Assure un mouillage complet et tient compte des variations de masse thermique sur le PCB.	Identifier le point le plus élevé sur le graphique thermique pour tous les canaux.	Non-mouillage/Joints ouverts (trop bas) ou dommages aux composants (trop élevé).
Taux de refroidissement	2°C/s à 4°C/s	Gèle rapidement la structure de la soudure pour former un joint solide à grain fin.	Mesurer la pente du pic jusqu'au point de solidification (<217°C).	Structure à gros grains (joints faibles) ou déformation de la carte (si trop rapide).
Delta T (ΔT) au pic	< 10°C	Indique l'uniformité thermique sur la carte (différence entre le point le plus chaud et le plus froid).	Comparer les températures de pointe du composant avec la masse la plus faible par rapport à la masse la plus élevée.	Certaines pièces surchauffent tandis que d'autres ne parviennent pas à refusionner.
Niveau d'Azote (N2)	< 1000 ppm O2 (Optionnel)	Réduit l'oxydation pendant la refusion, améliorant le mouillage pour les surfaces difficiles (OSP, NiPdAu).	Lecture du capteur d'oxygène sur le contrôleur du four de refusion.	Mauvais mouillage sur les pastilles oxydées ou augmentation des vides dans les BGA.
Vitesse du Convoyeur	Calculée en fonction de la longueur du four	Détermine la durée totale du profil ; vitesse plus rapide = temps plus court.	Vérifier que le réglage de la vitesse correspond à la recette (par exemple, 80 cm/min).	Le profil entier se décale ; les temps TAL et de trempage seront incorrects.
Expiration de la Pâte	< 8 heures sur le pochoir	La rhéologie de la pâte change avec le temps, affectant sa réponse au profil.	Vérifier l'étiquette du pot et le journal horaire de l'ouverture de la pâte.	Mauvaise définition d'impression entraînant des ponts ou un volume de soudure insuffisant.

Étapes de mise en œuvre

L'établissement d'un profil robuste nécessite une approche systématique. Suivre ces étapes garantit que les bases de votre profil de refusion sont traduites en un processus prêt pour la production.

Recueillir les Données et les Exigences
- Action : Recueillir la fiche technique de la pâte à souder spécifique utilisée et les valeurs thermiques maximales pour les composants les plus sensibles (par exemple, LED, connecteurs).
- Paramètre Clé : Rechercher le graphique "Fenêtre de Processus" dans la fiche technique de la pâte.
- Vérification d'Acceptation : Confirmer que la température maximale du composant est supérieure à la température minimale de refusion de la pâte.
Sélectionner et Fixer les Thermocouples

Action: Sélectionnez des thermocouples de type K. Fixez-les à une "carte dorée" (un PCB de production sacrificiel). Utilisez de la soudure haute température ou du ruban adhésif en aluminium pour fixer les capteurs aux joints de soudure des composants critiques (par exemple, grand BGA, petit condensateur, centre de la carte, bord de la carte).
Key Parameter: Diversité de l'emplacement des capteurs (masse élevée vs. masse faible).
Acceptance Check: Assurez-vous que les thermocouples sont en contact ferme avec le joint de soudure, et non flottants dans l'air.

Configurer les réglages initiaux du four
- Action: Saisissez les températures des zones et la vitesse du convoyeur dans le logiciel du four. Un point de départ courant est un profil "plat" où les zones augmentent progressivement.
- Key Parameter: Vitesse du convoyeur (souvent la variable principale pour le temps total).
- Acceptance Check: Les indicateurs du four montrent que toutes les zones ont atteint le point de consigne et se sont stabilisées.
Exécuter le profileur
- Action: Connectez l'enregistreur de données du profileur aux thermocouples. Envoyez la carte dorée à travers le four. Assurez-vous que l'enregistreur est isolé thermiquement.
- Key Parameter: Intervalle d'échantillonnage (0,5s ou 1,0s est standard).
- Acceptance Check: L'enregistreur de données enregistre avec succès la température en fonction du temps pour toute la durée du passage.
Analyser le graphique thermique
- Action: Téléchargez les données. Comparez les courbes résultantes avec le tableau "Règles et spécifications" ci-dessus. Regardez spécifiquement le TAL et la température de pointe.

Paramètre clé : Indice de fenêtre de processus (PWI). Un PWI < 100% signifie que le profil est conforme aux spécifications ; plus il est bas, mieux c'est.
Vérification d'acceptation : Tous les canaux (thermocouples) doivent se situer dans les limites de la fenêtre de processus.

Ajuster les températures des zones
- Action : Si le pic est trop bas, augmentez les températures de la zone de refusion. Si le temps de trempage (soak) est trop court, ralentissez le convoyeur ou ajustez les températures de la zone de trempage.
- Paramètre clé : Interaction thermique de zone à zone.
- Vérification d'acceptation : Réexécutez le profil après les ajustements pour vérifier la nouvelle courbe.
Vérifier le Delta T (Uniformité thermique)
- Action : Vérifiez la différence de température entre le thermocouple le plus chaud et le plus froid au moment du pic de refusion.
- Paramètre clé : ΔT < 10°C.
- Vérification d'acceptation : Si le ΔT est élevé, augmentez le temps de trempage pour permettre à la carte d'atteindre l'équilibre avant le pic de refusion.
Vérification du refroidissement
- Action : Examinez la pente de refroidissement. Assurez-vous que la carte sort du four en dessous de la température de solidification pour éviter les dommages de manipulation.
- Paramètre clé : Température de sortie < 60°C (sûr au toucher/à manipuler).
- Vérification d'acceptation : Les joints de soudure sont solides et brillants (ou satinés pour le sans plomb) immédiatement après la sortie.
Inspection post-refusion
- Action : Inspectez la carte "Golden Board" sous un microscope ou aux rayons X. Recherchez le mouillage, les vides et la forme du congé.
- Paramètre clé : Critères d'acceptation IPC-A-610.

Contrôle d'acceptation: Aucun défaut visible ; la radiographie montre un pourcentage de vides dans les limites.

Verrouillage de la recette finale
- Action: Enregistrer la recette du four avec un ID unique. Documenter la vitesse spécifique du convoyeur et les réglages des zones.
- Paramètre clé: Contrôle de version.
- Contrôle d'acceptation: La recette est verrouillée et accessible uniquement aux ingénieurs de processus autorisés.

Modes de défaillance et dépannage

Lorsque les bases du profil de refusion sont ignorées, des défauts spécifiques apparaissent. Ce guide de dépannage associe les symptômes aux causes thermiques.

Effet "tombstone" (Composant dressé)
- Causes: Chauffage inégal entre les deux pastilles d'un composant CMS. Un côté fond et tire avant l'autre.
- Vérifications: Vérifier le taux de montée en température à l'entrée de la zone de refusion. Vérifier un déséquilibre important du cuivre sur le routage du PCB.
- Solution: Ralentir le taux de montée en température juste avant le liquidus pour égaliser les températures.
- Prévention: Utiliser les directives DFM pour assurer un dégagement thermique sur les pastilles connectées aux plans de masse.
Billes de soudure (Petites sphères de soudure)
- Causes: La pâte "explose" en raison d'un dégazage rapide de l'humidité, ou le flux s'épuise trop tôt.
- Vérifications: Le taux de montée en température est-il > 3°C/s ? Le temps de trempage est-il trop long ?
- Solution: Réduire le taux de montée en température initial. S'assurer que le profil de trempage correspond au type de pâte (hydrosoluble vs. sans nettoyage).

Prévention : Stocker correctement la pâte et éviter une durée de vie excessive du pochoir.

Vides (Poches d'air à l'intérieur du joint)
- Causes : Volatils piégés dans la soudure car ils n'ont pas pu s'échapper avant la solidification.
- Vérifications : La température de pointe est-elle suffisamment élevée ? Le TAL est-il suffisamment long ?
- Solution : Augmenter légèrement le TAL pour permettre au gaz de s'échapper. Essayer un profil "soak" plutôt qu'un profil "ramp-to-spike".
- Prévention : Envisager des fours de refusion sous vide pour les applications critiques de haute puissance.
Joints de soudure froids (Terne, granuleux, mauvaise connexion)
- Causes : Chaleur insuffisante ; la soudure n'a pas complètement refondu ou mouillé le pad.
- Vérifications : Le thermocouple a-t-il atteint la température de pointe ? Le TAL était-il < 45s ?
- Solution : Augmenter la température de la zone de pointe ou ralentir la vitesse du convoyeur.
- Prévention : Vérifier que les ventilateurs de convection du four fonctionnent ; s'assurer que les composants lourds sont profilés.
Head-in-Pillow (HiP) sur les BGA
- Causes : La bille BGA se déforme et s'éloigne de la pâte pendant le "soak", la pâte s'oxyde, puis la bille retombe dans la pâte "séchée".
- Vérifications : Le temps de "soak" est-il trop long ? Le boîtier se déforme-t-il ?
- Solution : Utiliser un profil "ramp-to-spike" pour minimiser l'exposition totale à la chaleur et réduire l'épuisement du flux.
- Prévention : Utiliser une pâte à haute activité ou une refusion sous azote.
Déformation / Délaminage de la carte
- Causes : Chaleur excessive ou refroidissement inégal provoquant des contraintes dans le stratifié FR4.

Vérifications : La température de pointe est-elle > 250°C ? Le taux de refroidissement est-il > 4°C/s ?
Correction : Abaisser la température de pointe. Soutenir la carte avec un support central ou un porteur.
Prévention : Sélectionner des matériaux à Tg élevé pour les assemblages sans plomb.

Démouillage (La soudure se retire du pad)
- Causes : Oxydation du pad ou flux brûlé avant la refusion.
- Vérifications : Le profil est-il trop long ? La température de trempage est-elle trop élevée ?
- Correction : Raccourcir le profil. Vérifier les conditions de stockage du PCB (humidité/oxydation).
- Prévention : S'assurer que les pads sont propres ; vérifier la qualité de la finition de surface (ENIG vs. OSP).
Résidus de flux carbonisés
- Causes : Température trop élevée ou temps trop long, dégradant le véhicule du flux.
- Vérifications : Température de pointe et TAL.
- Correction : Abaisser la température de pointe.
- Prévention : Ceci est critique pour le processus de test de propreté du PCB ; le flux carbonisé est difficile à nettoyer et peut provoquer des fuites.

Décisions de conception

Tandis que l'ingénieur de processus contrôle le four, le concepteur de PCB contrôle la masse thermique. Les décisions prises lors de la conception ont un impact direct sur le succès des bases du profil de refusion.

Équilibre Thermique : Si une petite résistance 0402 est connectée à un grand plan de masse d'un côté et à une fine trace de l'autre, le côté masse agit comme un dissipateur thermique. Cela provoque la refusion en premier du "côté trace", tirant le composant à la verticale (effet "tombstoning"). Les concepteurs doivent utiliser des rayons de décharge thermique sur les pastilles de masse pour restreindre le flux de chaleur.
Densité des Composants : Placer de grands composants (comme des inductances ou des BGA) juste à côté de petits composants passifs crée un "ombrage thermique". Le grand corps bloque le flux d'air convectif, empêchant la petite pièce de chauffer correctement. Un espacement adéquat permet à l'air chaud de circuler librement.
Sélection des Matériaux : La refusion sans plomb atteint 250°C. Les matériaux FR4 standard peuvent se délaminer ou ramollir (diminuant la force de pelage). Pour les cartes à haute fiabilité, il est essentiel de sélectionner des matériaux avec une température de transition vitreuse (Tg) élevée.
Finition de Surface : Le choix de la finition (ENIG, HASL, OSP) affecte la vitesse de mouillage. L'OSP (Organic Solderability Preservative) se dégrade s'il est exposé à plusieurs cycles de chaleur, les profils de refusion double face doivent donc être gérés avec soin pour éviter d'oxyder la deuxième face avant qu'elle ne soit soudée.

FAQ

1. Quelle est la différence entre les profils "Ramp-to-Spike" et "Soak" ? Un profil de «trempage» présente un plateau distinct pour égaliser les températures, idéal pour les cartes complexes avec des masses thermiques variables. Un profil «rampe-vers-pic» (linéaire) monte continuellement, ce qui est préférable pour préserver l'activité du flux et réduire les défauts comme le Head-in-Pillow, mais nécessite une carte plus uniforme thermiquement.

2. À quelle fréquence dois-je effectuer une vérification de profil? Chez APTPCB, nous recommandons le profilage pour chaque nouvelle introduction de produit (NPI). Pour la production continue, vérifiez le profil une fois par équipe ou chaque fois que le four est redémarré pour vous assurer qu'aucune dérive ne s'est produite.

3. Puis-je utiliser le même profil pour la soudure SnPb et sans plomb? Non. Le SnPb (Étain-Plomb) fond à 183°C et atteint un pic autour de 215°C. La soudure sans plomb (SAC305) fond à 217°C et atteint un pic autour de 245°C. L'utilisation d'un profil sans plomb sur du SnPb surchauffera les composants; l'utilisation d'un profil SnPb sur de la soudure sans plomb entraînera des soudures froides.

4. Pourquoi l'azote (N2) est-il utilisé en refusion? L'azote déplace l'oxygène, empêchant l'oxydation sur les pastilles et la poudre de soudure pendant le processus de chauffage. Cela améliore le mouillage, réduit la formation de vides et laisse un joint plus brillant, mais ajoute un coût significatif au processus.

5. Comment le profil de refusion affecte-t-il le processus de revêtement conforme? Si le profil brûle le flux (carbonisation), le résidu devient dur et non conducteur mais peut empêcher le revêtement d'adhérer. De plus, les résidus de flux non réagis peuvent être hygroscopiques. Un profilage approprié garantit que le flux est entièrement activé et que les résidus sont inoffensifs ou facilement éliminables. 6. Qu'est-ce que l'"Indice de Fenêtre de Processus" (PWI)? Le PWI est une mesure statistique qui évalue la conformité d'un profil aux limites de spécification. Un PWI inférieur à 100 % signifie que le profil est conforme aux spécifications. Un nombre plus bas (par exemple, 60 %) indique un processus plus robuste, centré dans la fenêtre.

7. Pourquoi est-ce que je vois du "graping" sur les joints de soudure? Le graping ressemble à de la poudre de soudure non fondue sur la surface du joint. Cela se produit lorsque le flux sèche pendant une longue phase de trempage (soak) ou de rampe, laissant la poudre non protégée contre l'oxydation. Raccourcir le temps de trempage résout généralement ce problème.

8. Combien de thermocouples dois-je utiliser pour le profilage? Utilisez au moins 3, mais de préférence 5 à 7 pour les cartes complexes. Placez-les sur le point le plus froid (composant lourd), le point le plus chaud (bord/petit composant) et les zones sensibles (centre BGA) pour capturer la plage thermique complète (Delta T).

9. L'épaisseur de la carte modifie-t-elle les paramètres du profil? Oui. Un fond de panier épais (par exemple, 3 mm, 12 couches) a une masse thermique élevée et absorbe plus de chaleur. Il nécessite une vitesse de convoyeur plus lente ou des températures de zone plus élevées par rapport à une carte mince de 1 mm pour atteindre le même TAL.

10. Que se passe-t-il si la vitesse de refroidissement est trop lente? Un refroidissement lent permet à la structure granulaire de la soudure de devenir grande et grossière. Il en résulte un aspect terne et, plus important encore, un joint mécaniquement plus faible, sujet à la rupture par fatigue sous l'effet des vibrations.

11. Puis-je me fier aux capteurs de température internes du four? Non. Les capteurs du four mesurent la température de l'air dans le tunnel, pas la température du PCB. La température du PCB est en retard par rapport à la température de l'air en raison de la masse thermique. Vous devez profiler avec des thermocouples sur la carte.

12. Comment le refusion affecte-t-il les résultats des tests de propreté des PCB ? Si le profil de refusion est trop froid, les activateurs de flux peuvent ne pas se décomposer complètement, laissant des résidus actifs et corrosifs. S'il est trop chaud, les résidus cuisent. Ces deux scénarios peuvent entraîner des échecs lors des tests de Résistivité de l'Extrait de Solvant (ROSE) ou de Chromatographie Ionique (IC).

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Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
Liquidus	La température à laquelle l'alliage de soudure devient complètement liquide (217°C pour le SAC305).
Solidus	La température à laquelle l'alliage de soudure est complètement solide.
Eutectique	Une composition d'alliage où les températures de liquidus et de solidus sont identiques (par exemple, Sn63Pb37 fond/se solidifie instantanément à 183°C).
TAL (Temps Au-dessus du Liquidus)	La durée pendant laquelle le joint de soudure reste fondu. Critique pour la formation de CIM.
Zone de Trempage (Soak Zone)	La partie du profil où la température est maintenue relativement stable pour égaliser la chaleur sur l'ensemble du PCB.
Taux de Rampe	La vitesse à laquelle la température change, mesurée en degrés Celsius par seconde (°C/s).
Delta T (ΔT)	La différence de température maximale entre deux points quelconques du PCB à un moment donné.
Thermocouple	Un capteur composé de deux métaux dissemblables joints à une extrémité, utilisé pour mesurer la température. Le type K est standard pour la refusion.
Flux	Un agent chimique dans la pâte à souder qui élimine les oxydes et favorise le mouillage.
CIM (Composé Intermétallique)	La couche limite formée entre la soudure et le plot de cuivre ; essentielle pour la connexion électrique et mécanique.
Affaissement (Slump)	L'étalement de la pâte à souder avant la refusion, ce qui peut provoquer des ponts si le taux de rampe est trop lent ou si la viscosité est faible.
Four de Refusion	Une machine avec plusieurs zones de chauffage (convection ou IR) et un tapis roulant utilisée pour souder les composants SMT.

Conclusion

Maîtriser les bases du profil de refusion fait la différence entre un produit robuste et fiable et une ligne de production sujette à des défaillances intermittentes. En adhérant strictement à la structure à quatre zones — Préchauffage, Zone de maintien, Refusion et Refroidissement — et en validant votre processus avec un profilage en temps réel, vous vous assurez que chaque joint de soudure respecte les normes IPC.

Que vous prototypiez une conception BGA complexe ou que vous augmentiez la production, la recette thermique doit être précise. Chez APTPCB, nous appliquons ces normes de profilage rigoureuses à chaque projet d'assemblage que nous traitons. Si vous avez besoin d'aide avec le DFM ou si vous voulez vous assurer que votre prochaine fabrication est optimisée pour la production, notre équipe d'ingénieurs est prête à vous aider.

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