Bases du profil de refusion : temps de soak, pic et Delta-T

Obtenir un joint de brasage propre ne relève pas de la chance, mais d une bonne maîtrise thermique. En assemblage SMT, la différence entre un produit fiable et une panne terrain se joue souvent sur la compréhension des bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous considérons le profil de refusion comme la recette thermique que traverse la carte dans le four. C est lui qui détermine la vitesse de montée en température, la durée d activité du flux et la température maximale supportée par les composants. Un mauvais réglage se traduit rapidement par des joints froids, du tombstoning ou des composants dégradés.

Ce guide va des définitions fondamentales au dépannage avancé afin que vos conceptions passent proprement du prototype à la production de série avec APTPCB.

Points clés à retenir

Avant d entrer dans les métriques techniques, voici les notions essentielles à maîtriser pour piloter la qualité d assemblage.

L analogie de la recette : Un profil de refusion est une courbe température / temps. Il doit respecter à la fois les recommandations du fabricant de pâte à braser et les limites thermiques des composants.
Le rôle du temps de soak : Cette phase homogénéise la température sur toute la carte. Elle laisse aussi au flux le temps de s activer et d éliminer les oxydes avant la fusion du métal d apport.
La température de pic : C est la température maximale atteinte. Elle doit être assez élevée pour former un bon joint intermétallique, sans provoquer de délaminage des composants.
La criticité du Delta-T ($\Delta$T) : Cette valeur mesure l écart de température entre les points les plus chauds et les plus froids de la carte. Un Delta-T trop élevé provoque un brasage irrégulier.
La validation est obligatoire : Un profil ne se devine pas. Il faut un profileur thermique équipé de thermocouples fixés sur une vraie carte assemblée.
Le contrôle des vides : Un bon profilage est indispensable pour qfn reflow best practices to reduce voids et pour tenir la fiabilité dans le temps.

Ce que recouvrent réellement les bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T (portée et limites)

Pour aller plus loin, il faut définir précisément les zones d un profil thermique et comprendre comment elles interagissent entre elles.

Un profil de refusion SMT standard comprend quatre zones distinctes : préchauffage, soak, refusion au pic, puis refroidissement. Toutes comptent, mais la plupart des défauts se jouent dans l interaction entre la zone de soak, la zone de pic et le Delta-T qui en résulte.

La zone de soak

La zone de soak correspond au plateau de la courbe de température, généralement entre 150°C et 200°C en sans plomb. Sa fonction principale est l égalisation thermique. Sur une carte complexe, les grands plans de cuivre montent lentement en température alors que les petites résistances chauffent très vite. Le temps de soak permet donc aux zones froides de rattraper les zones chaudes avant la fusion, ce qui réduit le Delta-T. Il permet aussi aux solvants volatils de la pâte à braser de s évaporer progressivement.

La zone de pic (refusion)

C est la phase où le brasage se fait réellement. La température passe au-dessus du liquidus de l alliage. Pour une pâte SAC305 standard sans plomb, le point de fusion est autour de 217°C. Le pic visé se situe en général entre 235°C et 245°C. Le temps passé au-dessus de cette température est appelé TAL, pour Time Above Liquidus.

Delta-T ($\Delta$T)

Le Delta-T n est pas une zone mais un indicateur d uniformité. Il s agit de la différence entre le composant le plus froid, souvent un gros BGA ou un connecteur massif, et le composant le plus chaud, souvent un petit condensateur, à un instant donné. Réduire Delta-T permet à tous les joints de passer en refusion au même moment et limite le tombstoning ou les déformations.

Pour replacer ces phases dans l ensemble du flux d assemblage, consultez aussi notre guide sur l assemblage SMT et THT.

Bases du profil de refusion : les métriques qui comptent pour le temps de soak, le pic et Delta-T

Comprendre les termes est une première étape. Il faut ensuite les traduire en métriques concrètes pour juger la qualité du profil.

Les ingénieurs procédés s appuient sur ces valeurs pour vérifier qu un profil reste dans la fenêtre de fabrication. Sortir de ces plages est l une des principales causes de défauts d assemblage.

Métrique	Pourquoi elle compte	Plage typique (sans plomb)	Comment mesurer
Taux de montée en température	Contrôle la vitesse de chauffe de la carte. Trop rapide, il provoque choc thermique et projections de soudure.	1°C à 3°C par seconde	Profileur thermique avec calcul de pente
Temps de soak	Permet l activation du flux et l homogénéisation thermique. Trop long, il épuise le flux ; trop court, il laisse des zones froides.	60 à 120 secondes entre 150 et 200°C	Mesure de durée entre deux points de température
Température de pic	Garantit la mouillabilité et la formation de la couche intermétallique. Trop élevée, elle endommage les composants ; trop basse, elle crée des joints froids.	235°C à 250°C	Température maximale mesurée sur un thermocouple
Temps au-dessus du liquidus (TAL)	Influence la structure métallurgique du joint. Trop long, il rend la soudure plus fragile.	45 à 90 secondes	Durée au-dessus de 217°C
Delta-T ($\Delta$T)	Indique l homogénéité thermique. Un Delta-T trop élevé augmente le risque de refusion partielle.	< 10°C au pic	Écart entre les sondes max et min
Taux de refroidissement	Joue sur la structure du grain de soudure. Un refroidissement rapide donne un grain plus fin et plus robuste.	2°C à 4°C par seconde	Pente de la courbe de refroidissement

Comment choisir les bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T selon le scénario

Une fois les métriques connues, il faut les adapter à la carte réelle, car un même profil ne convient pas à toutes les configurations.

Le bon profil dépend fortement de la masse thermique du PCB et de la sensibilité des composants. Voici comment orienter le choix selon plusieurs contextes de fabrication.

Scénario 1 : électronique grand public simple

Type de profil : Ramp-to-Spike (RTS).
Pourquoi : Ces cartes ont une masse thermique assez homogène. Une montée linéaire est plus rapide et stresse moins la pâte.
Arbitrage : Plus de débit, mais moins de tolérance face aux écarts thermiques.

Scénario 2 : cartes industrielles ou serveurs à haute fiabilité

Type de profil : Ramp-Soak-Spike (RSS).
Pourquoi : Ces cartes mélangent souvent gros plans de cuivre, grands BGAs et petits passifs. Une vraie zone de soak est nécessaire pour réduire Delta-T.
Arbitrage : Cycle plus long, mais rendement nettement meilleur.

Scénario 3 : QFN et composants à terminaisons inférieures

Point de vigilance : qfn reflow best practices to reduce voids.
Réglage : Un temps de soak plus long permet aux gaz volatils de s échapper sous le boîtier avant que la soudure ne fasse l étanchéité.
Risque : Si la montée est trop rapide, les gaz restent piégés et créent des vides.

Scénario 4 : assemblage BGA à pas fin

Point de vigilance : bga voiding control: stencil, reflow, and x-ray criteria.
Réglage : Il faut contrôler très finement la température de pic et la TAL. La bille BGA et la pâte doivent fondre ensemble de façon homogène.
Validation : Une inspection radios est nécessaire pour vérifier mouillabilité et taux de vides.

Scénario 5 : circuits flexibles (FPC)

Point de vigilance : Sensibilité des matériaux.
Réglage : Les matériaux souples, comme le polyimide, ne réagissent pas comme le FR4 et exigent parfois un pallet de support. Le profil doit intégrer la masse thermique de ce support.
Lien : Découvrez aussi nos capacités Flex PCB.

Scénario 6 : assemblage double face

Point de vigilance : Tenue des composants.
Réglage : Le second passage, sur la face B, ne doit pas remonter suffisamment la température de la face A pour faire tomber les composants lourds. Le profil est souvent un peu plus froid ou s appuie sur un outillage différent.

Bases du profil de refusion : checkpoints de mise en oeuvre pour le temps de soak, le pic et Delta-T

Checkpoints de mise en oeuvre pour les bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T

Choisir un profil reste théorique. Le transposer correctement en atelier demande une procédure rigoureuse et séquencée.

Chez APTPCB, nous suivons un protocole strict pour faire correspondre le profil théorique au comportement réel de la carte.

Revue des données de pâte : Récupérez la fiche technique de la pâte utilisée, par exemple SAC305 ou SnPb. Relevez la température d activation et le point de fusion.
Audit composants : Identifiez le composant le plus sensible thermiquement, par exemple un connecteur plastique, et le composant à plus forte inertie, par exemple un blindage ou un gros BGA.
Pose des thermocouples : Fixez 3 à 6 thermocouples sur une carte de référence.
- Emplacement 1 : bord d entrée du PCB.
- Emplacement 2 : centre d un gros BGA, avec perçage arrière si nécessaire.
- Emplacement 3 : corps d un composant sensible.
- Emplacement 4 : petit passif, donc point le plus rapide à chauffer.
Réglage du four : Entrez les températures de zones et la vitesse de convoyeur selon le scénario retenu, RTS ou RSS.
Passage au profileur : Faites traverser le four à la carte de référence.
Analyse de Delta-T : Vérifiez l écart thermique pendant le soak et au pic. Si Delta-T dépasse 10°C, ajustez la durée de soak ou la vitesse de convoyeur.
Validation TAL : Assurez-vous que le point le plus froid reste au-dessus du liquidus pendant au moins 45 secondes.
Validation du pic : Vérifiez que le point le plus chaud ne dépasse pas la limite composant, généralement 260°C.
Verrouillage de recette : Enregistrez les réglages du four comme programme maître pour cette référence d assemblage.
First Article Inspection (FAI) : Passez une carte de production et inspectez-la avec inspection AOI et radios.

Bases du profil de refusion : erreurs courantes sur le temps de soak, le pic et Delta-T

Même avec un processus défini, des erreurs restent possibles. Les reconnaître aide à dépanner plus vite.

1. L effet de grappe

Symptôme : Les particules de soudure ressemblent à une grappe plutôt qu à un joint lisse.
Cause : Le temps de soak était trop long ou la température trop élevée. Le flux s est épuisé avant la phase de refusion, et la poudre de soudure s est oxydée au lieu de se regrouper correctement.
Correction : Réduire le temps de soak ou passer à une pâte plus active.

2. Le tombstoning

Symptôme : Un petit composant se redresse sur une extrémité.
Cause : Chauffe inégale, donc Delta-T trop élevé, entre les deux pads. Un pad fond avant l autre et tire le composant.
Correction : Allonger la phase de soak pour homogénéiser les températures avant fusion.

3. Billettes et projections de soudure

Symptôme : De petites billes de soudure apparaissent près des résistances ou condensateurs CMS.
Cause : Une pente de chauffe trop agressive fait bouillir puis éclater les solvants de la pâte, qui expulsent du métal.
Correction : Réduire la pente de préchauffage.

4. Vides dans les BGA et QFN

Symptôme : De grosses poches d air apparaissent aux rayons X.
Cause : TAL insuffisante ou température de pic trop faible, empêchant les gaz de s échapper.
Correction : Optimiser le profil pour bga voiding control: stencil, reflow, and x-ray criteria. Une légère hausse de TAL peut aider.

5. Délaminage de la carte

Symptôme : Cloques ou séparation des couches du PCB.
Cause : Le pic a dépassé le Tg ou la température de décomposition du matériau, ou bien de l humidité était piégée dans la carte.
Correction : Étuver les PCB avant refusion pour retirer l humidité, ou abaisser le pic de température.

6. Soudures froides

Symptôme : Joints ternes, granuleux, avec mauvaise continuité électrique.
Cause : Température de pic trop basse ou TAL trop courte. La soudure n a jamais correctement mouillé le pad.
Correction : Augmenter la température de pic ou ralentir le convoyeur.

Bases du profil de refusion : FAQ sur le temps de soak, le pic et Delta-T

Voici les réponses aux questions qui reviennent le plus souvent sur l impact du profilage sur la logistique et les coûts de fabrication.

Q: En quoi l optimisation du profil de refusion influence-t-elle le coût total d assemblage ? R: Le profilage demande du temps d ingénierie, mais il réduit fortement le coût de non-qualité. Un mauvais profil génère retouches, rebuts et retours terrain. Un profil robuste améliore le First Pass Yield et réduit donc le coût complet à l unité.

Q: Le profil de refusion allonge-t-il le délai de fabrication ? R: Pour un nouveau produit en phase NPI, il faut généralement quelques heures supplémentaires lors du setup initial. En revanche, pour une série récurrente, la recette enregistrée permet de lancer immédiatement la production. L impact sur le délai standard reste faible.

Q: Comment les différents matériaux de PCB influencent-ils le temps de soak nécessaire ? R: Les matériaux à forte conductivité thermique, comme les Metal Core PCB, évacuent rapidement la chaleur. Ils demandent donc soit un apport thermique plus agressif, soit des temps de soak plus longs que le FR4 standard pour atteindre la même température de refusion.

Q: Quelles méthodes de test servent à valider le profil ? R: La méthode principale repose sur un profileur thermique de type KIC ou DATAPAQ qui traverse le four. En complément, on valide par microsections destructives ou par inspection radios non destructive pour vérifier mouillabilité et vides.

Q: Quels sont les critères d acceptation d un bon profil ? R: Le profil doit rester dans la fenêtre de procédé définie par le fournisseur de pâte, comme Alpha ou Indium, et par IPC J-STD-020. Les principaux critères portent sur une TAL de 45 à 90 s, une température de pic de 235 à 250°C et un taux de montée inférieur à 3°C/s.

Q: Puis-je utiliser le même profil pour l assemblage plombé et sans plomb ? R: Non, absolument pas. Un alliage plombé SnPb fond autour de 183°C, alors qu un alliage sans plomb SAC305 fond autour de 217°C. Utiliser un profil plombé sur une carte sans plomb empêche la refusion correcte. Utiliser un profil sans plomb sur une carte plombée risque au contraire de surchauffer les composants.

Q: Comment le temps de soak influence-t-il l activité du flux ? R: Le flux nettoie les oxydes. Si la phase de soak est trop chaude ou trop longue, le flux s active puis s épuise avant même la fusion du métal. Le pad se réoxyde et l on voit apparaître des défauts de type head-in-pillow sur les BGA.

Q: Pourquoi Delta-T augmente-t-il sur les grandes cartes ? R: Les grandes cartes présentent plus de variations de densité cuivre et de masse composant. La distance physique entre les bords, chauffés par convection et rayonnement, et le centre ajoute aussi un retard thermique qui augmente Delta-T.

Ressources sur les bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T

Pour mieux comprendre l environnement global de l assemblage PCB, explorez aussi ces ressources APTPCB :

Assemblage SMT vs THT: Pour voir où se situe la refusion dans le processus global d assemblage.
Assemblage BGA et QFN: Pour les contraintes spécifiques des composants à terminaisons inférieures.
Inspection radios: Notre méthode pour contrôler les joints cachés après refusion.
Lignes directrices DFM: Des conseils de conception pour faciliter profilage et assemblage.

Glossaire des bases du profil de refusion : temps de soak, pic et Delta-T

Voici un rappel rapide des termes techniques utilisés en profilage thermique.

Terme	Définition
Liquidus	Température à laquelle l alliage de soudure devient totalement liquide, environ 217°C pour le SAC305.
Solidus	Température à laquelle l alliage est totalement solide.
Eutectique	Alliage dont liquidus et solidus sont identiques ; il fond et se fige instantanément, par exemple Sn63Pb37.
TAL (Temps au-dessus du liquidus)	Durée pendant laquelle le joint reste à l état liquide. Critique pour le mouillage.
Delta-T ($\Delta$T)	Écart maximal de température entre deux points du PCB à un instant donné.
Zone de soak	Partie du profil où la température est maintenue relativement stable afin d homogénéiser la carte.
Taux de montée en température	Vitesse d évolution de la température, en °C par seconde.
Flux	Agent chimique contenu dans la pâte qui retire les oxydes et favorise le mouillage.
Mouillage	Capacité de la soudure fondue à s étaler sur le pad métallique et à s y lier.
Couche intermétallique	Liaison formée entre la soudure et le pad cuivre, indispensable à la connexion électrique.
Thermocouple	Capteur utilisé pour mesurer la température en points définis de la carte pendant le profilage.
Four de refusion	Équipement à zones de chauffe multiples servant à faire fondre la pâte à braser.
Vides	Bulles d air ou de gaz prisonnières dans un joint, qui l affaiblissent.
Tombstoning	Défaut où un composant se dresse verticalement à cause de forces de mouillage dissymétriques.

Conclusion (prochaines étapes)

Maîtriser les bases du profil de refusion avec temps de soak, pic et Delta-T est le lien direct entre une conception fonctionnelle et un produit fiable. Cela demande un bon équilibre entre chimie, physique et réglage précis des équipements. Un profil bien mis au point réduit les vides, évite les chocs thermiques et garantit que chaque joint, du plus petit résistor au plus gros BGA, soit mécaniquement et électriquement robuste.

Chez APTPCB, nous traitons le profilage comme une discipline critique et non comme une étape secondaire. Que vous soyez en train de prototyper un objet IoT complexe ou d industrialiser une électronique automobile, notre équipe valide chaque recette thermique avant le démarrage de la fabrication.

Prêt à passer en fabrication ? Pour toute revue DFM ou demande de devis, merci de fournir :

Fichiers Gerber : En incluant les couches de pâte.
BOM : Pour identifier la masse thermique des composants.
Plans d assemblage : Avec toute orientation composant particulière.
Stackup PCB : Pour estimer la conductivité thermique.
Exigences spécifiques : Par exemple une marque de pâte imposée ou un besoin IPC Class 3.

Contactez-nous pour que votre prochain projet soit lancé avec une maîtrise thermique solide.