Soudure sur PCB Céramique

Points clés

La gestion thermique est essentielle : les substrats céramiques (alumine, nitrure d'aluminium) dissipent rapidement la chaleur, nécessitant un apport énergétique plus élevé lors du brasage par rapport au FR4.
Optimisation du profil : Un profil de refusion et thermique spécialisé pour la céramique est nécessaire pour prévenir les chocs thermiques et assurer un mouillage adéquat.
L'état de surface compte : Le choix du placage (ENIG, EPEP, Ag) a un impact direct sur la formation des composés intermétalliques et la fiabilité du joint.
Désadaptation du CTE : La céramique a un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) ; les alliages de soudure doivent compenser la contrainte entre le composant et la carte.
Contrôle des vides : Les applications de haute puissance sur céramique sont sensibles aux vides de soudure ; l'inspection aux rayons X est une étape de validation obligatoire.
Limitations de reprise : La reprise des PCB céramiques est difficile en raison de leur conductivité thermique élevée ; il est essentiel de réussir du premier coup.
Validation du processus : Les tests de cisaillement et le cyclage thermique sont les principales métriques pour qualifier le processus d'assemblage.

Ce que signifie réellement le brasage sur PCB céramique (portée et limites)

Comprendre la physique fondamentale du substrat est la première étape pour maîtriser la soudure sur PCB céramique. Contrairement aux cartes en fibre de verre FR4 standard, les PCB céramiques sont fabriqués à partir de matériaux comme l'alumine (Al2O3) ou le nitrure d'aluminium (AlN). Ces matériaux sont choisis spécifiquement pour leur conductivité thermique exceptionnelle et leur isolation électrique. Cependant, ces mêmes propriétés rendent le processus d'assemblage difficile. Lorsque vous appliquez de la chaleur à un plot de soudure sur une carte céramique, le substrat agit comme un puissant dissipateur thermique, éloignant l'énergie thermique du joint presque instantanément.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous définissons ce processus non seulement comme la fusion du métal, mais comme la gestion d'un équilibre thermique précis. La portée de ce guide couvre l'assemblage de composants sur des substrats céramiques Direct Bonded Copper (DBC) ou Direct Plated Copper (DPC). Il inclut la technologie de montage en surface (SMT), la soudure manuelle pour les connecteurs spécialisés et les interconnexions au niveau de la puce associées.

Ce guide exclut les techniques d'assemblage FR4 standard, sauf si elles sont utilisées à des fins de comparaison. Il se concentre fortement sur les secteurs à haute fiabilité tels que les modules de puissance automobiles, les capteurs aérospatiaux et les réseaux de LED haute puissance. Une exécution réussie nécessite une vision holistique qui intègre la science des matériaux à un profilage thermique précis.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Une fois la portée définie, les ingénieurs doivent établir des métriques quantifiables pour juger du succès du processus de soudure.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influençants	Comment mesurer
Résistance au cisaillement	Détermine l'intégrité mécanique du joint face aux contraintes physiques.	> 1.5 kg/mm² (varie selon la taille du composant).	Testeur de cisaillement de puce ou test de poussée.
Pourcentage de vides	Les poches d'air réduisent le transfert thermique et la résistance mécanique.	< 5% pour la haute puissance ; < 25% pour la classe IPC 2 générale.	Inspection aux rayons X (CT 2D ou 3D).
Angle de mouillage	Indique la qualité de l'étalement de la soudure sur la surface du pad.	< 90° indique un bon mouillage ; < 60° est idéal.	Inspection optique (AOI) ou coupe transversale.
Épaisseur intermétallique	Une fine couche IMC prouve la liaison chimique ; trop épaisse, elle provoque la fragilité.	1µm – 4µm est la fenêtre cible générale.	Analyse en coupe transversale avec SEM.
Conductivité thermique	Garantit que l'interface de soudure n'est pas un goulot d'étranglement thermique.	50–60 W/mK (SAC305) vs. 24 W/mK (SnPb).	Méthode flash laser ou testeur transitoire thermique.
Propreté (Ionique)	Les résidus de flux peuvent provoquer de la corrosion ou des courants de fuite.	< 1.56 µg/cm² équivalent NaCl.	Test ROSE (Résistivité de l'Extrait de Solvant).
Formation de billes de soudure	Indique un profil de refusion inapproprié ou une oxydation de la pâte.	0 billes autorisées selon les normes IPC Classe 3.	Inspection visuelle (grossissement 10x-40x).

Guide de sélection par scénario (compromis)

Les métriques fournissent les données, mais le contexte d'application dicte les compromis acceptables lors de la soudure sur PCB céramique.

Scénario 1 : Matrices de LED haute puissance

Priorité : Transfert thermique.
Compromis : Utiliser des alliages de soudure haute performance (comme AuSn), qui sont coûteux et plus difficiles à traiter, plutôt que le SAC305 standard.
Conseil : Minimiser strictement la formation de vides. Même de petits vides créent des points chauds qui endommagent les LED.

Scénario 2 : Modules de puissance automobiles (IGBT)

Priorité : Fiabilité au cyclage thermique.
Compromis : Utiliser de la pâte de frittage au lieu de la soudure traditionnelle. Le frittage offre une fiabilité supérieure mais nécessite une pression élevée et un équipement spécialisé.
Conseil : Se concentrer sur le désaccord de CTE (coefficient de dilatation thermique) entre la grande puce de silicium et la céramique.

Scénario 3 : Circuits RF/Micro-ondes

Priorité : Intégrité du signal et faibles pertes.
Compromis : Utiliser le wire bonding sur céramique au lieu de la soudure pour le chemin de signal primaire afin de réduire l'inductance.
Conseil : La soudure est réservée aux plans de masse et aux lignes de polarisation DC. Le placage or est obligatoire.

Scénario 4 : Capteurs aérospatiaux (environnement hostile)

Priorité : Résistance aux vibrations.
Compromis : Utiliser des soudures à base de plomb (point de fusion élevé) si exempté, ou des alliages d'indium spécialisés pour la ductilité.
Conseil : Un sous-remplissage (underfill) peut être nécessaire pour soutenir les composants lourds contre les vibrations, ajoutant des étapes au processus.

Scénario 5 : Dispositifs médicaux implantables

Priorité : Biocompatibilité et miniaturisation.
Compromis : Fixation de la puce sur des substrats céramiques en utilisant de l'époxy conducteur au lieu de la soudure pour éviter entièrement les résidus de flux.
Conseil : La propreté est la priorité absolue ; le flux sans nettoyage est rarement acceptable.

Scénario 6 : Convertisseurs haute tension

Priorité : Isolation électrique et lignes de fuite.
Compromis : Espacement plus grand entre les pastilles pour éviter les arcs électriques, ce qui augmente la taille de la carte.
Conseil : Les congés de soudure doivent être lisses pour éviter les "points" qui concentrent les champs électriques.

Du design à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

Une fois le scénario sélectionné, l'accent est mis sur l'exécution étape par étape du processus d'assemblage.

1. Optimisation de la conception des pastilles

Recommandation : Utiliser des pastilles Non-Solder Mask Defined (NSMD) pour une meilleure adhérence du cuivre.
Risque : Les pastilles céramiques peuvent se décoller si la force d'adhérence du cuivre est faible.
Acceptation : Vérification visuelle des fichiers Gerber par rapport aux Directives DFM.

2. Sélection de la finition de surface

Recommandation : ENIG (Nickel Chimique Or par Immersion) ou EPEP (Palladium Chimique).
Risque : Syndrome du pad noir avec un ENIG de mauvaise qualité ; oxydation avec OSP.
Acceptation : Mesure XRF de l'épaisseur de l'or.

3. Conception du pochoir

Recommandation : Utiliser des pochoirs électroformés avec une épaisseur de 100µm à 120µm.
Risque: Trop de pâte conduit à des ponts; trop peu conduit à des joints ouverts.
Acceptation: Mesure du volume SPI (Inspection de la Pâte à Souder).

4. Sélection de la Pâte à Souder

Recommandation: Utiliser de la poudre de Type 4 ou Type 5 pour les pas fins; envisager des alliages anti-tombstoning.
Risque: Les grosses particules de poudre peuvent ne pas bien imprimer sur de petits pads céramiques.
Acceptation: Vérification de la viscosité et test de qualité d'impression.

5. Placement des Composants

Recommandation: Réduire la pression de placement. La céramique est fragile.
Risque: Fissuration du substrat ou du composant pendant le placement.
Acceptation: Inspection visuelle des micro-fissures.

6. Inspection Pré-Refusion

Recommandation: Inspection Optique Automatisée (AOI) avant le four.
Risque: Déplacement des composants sur la surface céramique glissante.
Acceptation: Vérification de la précision de positionnement.

7. Profilage de la Refusion

Recommandation: Développer un profil de refusion et thermique personnalisé pour la céramique. Étendre la zone de trempage (60-90 secondes) pour permettre à la masse céramique de chauffer.
Risque: Choc thermique provoquant la fissuration de la céramique si la montée en température est > 2°C/seconde.
Acceptation: Profilage par thermocouple sur une carte active.

8. Phase de Refroidissement

Recommandation: Refroidissement contrôlé (< 3°C/seconde).
Risque: Un refroidissement rapide provoque des fractures de contrainte CTE dans le joint de soudure.
Acceptation: Vérification visuelle de la structure du grain (brillant vs. terne).

9. Nettoyage du Flux

Recommandation: Nettoyage aqueux en ligne avec des saponifiants.
Risque: Le flux piégé sous les composants à faible hauteur de dégagement provoque des fuites.
Acceptation: Test de contamination ionique.

10. Validation par rayons X

Recommandation: Rayons X à 100% pour les composants de puissance.
Risque: Vides cachés causant des défaillances sur le terrain.
Acceptation: Calcul du pourcentage de vides (< 5% cible).

11. Connexion par fil (Si applicable)

Recommandation: Si vous utilisez la connexion par fil sur céramique, assurez-vous que la rugosité de surface est < 0,5µm.
Risque: Décollement de la liaison dû à une surface rugueuse ou à une contamination.
Acceptation: Test de traction du fil.

12. Test fonctionnel final

Recommandation: Tester à la température de fonctionnement.
Risque: Les joints qui passent à température ambiante peuvent échouer lorsque la céramique chauffe.
Acceptation: Critères fonctionnels Pass/Fail.

Erreurs courantes (et l'approche correcte)

Même avec une liste de contrôle, les ingénieurs rencontrent souvent des pièges spécifiques lors de la soudure sur PCB céramique.

1. Traiter la céramique comme du FR4

Erreur: Utiliser un profil de refusion FR4 standard.
Résultat: Joints de soudure froids car la céramique absorbe la chaleur destinée à la soudure.
Correction: Augmenter le temps de trempage et la durée de la température de pointe.

2. Ignorer le choc thermique

Erreur: Augmenter la température trop rapidement (> 3°C/sec).
Résultat: Le substrat céramique se fissure en raison d'une dilatation inégale.
Correction: Respecter strictement un profil de montée en température lent. 3. Utilisation excessive de flux
Erreur: Ajouter du flux liquide supplémentaire lors de la reprise manuelle.
Résultat: Le flux est piégé sous les composants et ne peut pas être nettoyé, ce qui entraîne de la corrosion.
Correction: Utiliser du fil à âme de flux et un minimum de flux externe; nettoyer immédiatement.

4. Mauvaise panne de fer pour la reprise

Erreur: Utiliser une panne fine pour la soudure manuelle sur un grand plan de masse en céramique.
Résultat: La panne se "fige" sur la carte; la soudure ne fond jamais.
Correction: Utiliser une grande panne biseautée et une plaque de préchauffage réglée à 100°C-120°C.

5. Négliger le désaccord de CTE

Erreur: Souder de grands composants céramiques sur une carte céramique sans fils souples.
Résultat: Fatigue de la soudure et fissuration après des cycles thermiques.
Correction: Utiliser des interconnexions souples ou des alliages de haute fiabilité.

6. Mauvais stockage des substrats

Erreur: Laisser les PCB céramiques exposés à l'air pendant des semaines.
Résultat: Oxydation du cuivre/placage, entraînant un mauvais mouillage.
Correction: Stocker dans des sacs scellés sous vide avec dessicant; cuire avant utilisation si nécessaire.

7. Négliger les vides dans la fixation de la puce

Erreur: Supposer que l'impression au pochoir standard est suffisante pour la fixation de la puce sur des substrats céramiques.
Résultat: Surchauffe de la puce due à une mauvaise interface thermique.
Correction: Utiliser la soudure par refusion sous vide pour éliminer les vides.

8. Préchauffage insuffisant

Erreur: Toucher une carte céramique froide avec un fer à 350°C.
Résultat : Micro-fractures localisées dans le matériau céramique.
Correction : Toujours préchauffer l'ensemble de l'assemblage avant le brasage localisé.

FAQ

Répondre aux questions les plus fréquentes aide à clarifier les nuances des erreurs énumérées ci-dessus.

Q1 : Puis-je utiliser un fer à souder standard pour les PCB céramiques ? Oui, mais vous aurez presque certainement besoin d'un préchauffeur par le dessous. La céramique dissipe la chaleur si rapidement qu'un fer standard seul ne peut pas maintenir la température de fusion sans endommager la panne ou la carte.

Q2 : Quel est le meilleur alliage de soudure pour les PCB céramiques ? Le SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) est le standard industriel pour le sans plomb. Pour une fiabilité accrue dans des cycles thermiques rigoureux, des alliages avec de l'Indium ou de l'Antimoine (comme SnSb) sont parfois utilisés pour améliorer la ductilité.

Q3 : Pourquoi ma soudure a-t-elle un aspect granuleux sur la céramique ? Cela indique souvent une "soudure froide" où la chaleur était insuffisante, ou le refroidissement trop lent, permettant la formation de grandes structures granulaires. Cela peut également résulter d'une oxydation si le flux a été brûlé trop rapidement.

Q4 : Le wire bonding est-il meilleur que le brasage pour la céramique ? Le wire bonding sur céramique est supérieur pour les applications RF haute fréquence et les connexions de puces nues car il élimine l'inductance des fils. Cependant, le brasage est plus robuste pour les connecteurs mécaniques et les composants de puissance lourds.

Q5 : Comment éviter que la céramique ne se fissure pendant la refusion ? Contrôlez la vitesse de rampe. Maintenez l'augmentation de température en dessous de 2°C par seconde. Assurez-vous que la phase de refroidissement est également contrôlée.

Q6: Puis-je laver les PCB céramiques avec de l'eau ? Oui, à condition que les composants soient lavables. La céramique elle-même est imperméable à l'eau, mais vous devez vous assurer que le processus de séchage est minutieux car la céramique peut retenir la chaleur, provoquant des taches d'eau si elle n'est pas séchée avec des lames d'air.

Q7: Quelle est la différence entre DBC et DPC pour le brasage ? Le DBC (Direct Bonded Copper) a un cuivre plus épais et est meilleur pour l'électronique de puissance. Le DPC (Direct Plated Copper) a des caractéristiques plus fines et plus précises. Le DPC est généralement plus facile à souder pour les composants à pas fin, tandis que le DBC nécessite plus d'énergie thermique.

Q8: Pourquoi les vides sont-ils plus dangereux sur la céramique que sur le FR4 ? La céramique est utilisée spécifiquement pour les hautes températures. Si un vide bloque le chemin de la chaleur, le composant surchauffe beaucoup plus rapidement que sur une carte FR4 de moindre puissance. La marge d'erreur est plus petite.

Q9: Ai-je besoin d'un flux spécial pour la céramique ? Les flux standard sans nettoyage ou hydrosolubles fonctionnent, mais ils doivent être activés à la bonne température. Étant donné que les profils céramiques sont plus longs, vous avez besoin d'un flux qui ne "s'épuise" pas avant le pic de refusion.

Q10: Comment APTPCB gère-t-il l'assemblage céramique ? APTPCB utilise des fours de refusion sous vide et des équipements d'inspection spécialisés adaptés aux substrats céramiques pour garantir des joints sans vide et une intégrité structurelle.

Pages et outils associés

Pour vous aider davantage dans votre projet, utilisez ces ressources de notre écosystème.

Services de fabrication de PCB – Découvrez nos capacités de fabrication de cartes en alumine et en nitrure d'aluminium.
Matériaux PCB Rogers – Comparez les options céramiques avec les stratifiés haute fréquence.
Directives DFM – Téléchargez les règles de conception pour vous assurer que votre disposition céramique est fabricable.
Obtenir un devis – Soumettez vos fichiers Gerber pour une analyse détaillée des coûts.

Glossaire (termes clés)

Les définitions sont cruciales pour assurer une communication claire entre les concepteurs et les fabricants.

Terme	Définition
Al2O3 (Alumine)	Le matériau de substrat céramique le plus courant, offrant une bonne conductivité thermique et un faible coût.
AlN (Nitrure d'aluminium)	Un substrat céramique haute performance avec une conductivité thermique 7 à 8 fois supérieure à celle de l'alumine.
CTE (Coefficient de Dilatation Thermique)	Le taux auquel un matériau se dilate lorsqu'il est chauffé. La céramique a un faible CTE, correspondant au silicium.
DBC (Cuivre lié directement)	Un processus où le cuivre est lié à la céramique à hautes températures ; idéal pour les courants élevés.
DPC (Cuivre plaqué directement)	Un processus de pulvérisation cathodique et de placage pour la céramique, permettant des lignes fines et des vias.
Soudure Eutectique	Un alliage qui fond et se solidifie à un seul point de température (ex. Sn63Pb37).
Flux	Un agent de nettoyage chimique utilisé pour éliminer l'oxydation des surfaces métalliques pendant le brasage.
IMC (Composé Intermétallique)	La couche formée entre la soudure et le pad de cuivre; essentielle pour l'adhérence mais fragile si trop épaisse.
Profil de Refusion	La courbe spécifique température-temps utilisée dans le four de brasage.
Zone de Trempage	La partie du profil de refusion où la température est maintenue stable pour uniformiser la chaleur sur toute la carte.
Effet Tombstone	Un défaut où un composant se dresse sur une extrémité en raison de forces de mouillage inégales.
Refusion Sous Vide	Un processus de brasage effectué dans une chambre à vide pour éliminer les vides gazeux du joint de soudure.
Mouillage	La capacité de la soudure fondue à s'étaler et à adhérer à une surface solide.
Wire Bonding	Une méthode de réalisation d'interconnexions entre un circuit intégré et le PCB à l'aide de fils fins.

Conclusion (prochaines étapes)

Réaliser avec succès le brasage sur PCB céramique exige un changement de mentalité par rapport à l'assemblage électronique standard. Cela demande une attention rigoureuse à la gestion thermique, un profilage précis et des métriques de validation strictes. Que vous utilisiez le wire bonding sur céramique pour les signaux RF ou que vous gériez le profil de refusion et thermique pour les modules de puissance céramiques, la physique du substrat doit dicter votre processus. Pour faire passer votre projet du prototype à la production, APTPCB recommande de préparer un dossier de données complet. Celui-ci devrait inclure vos fichiers Gerber, une structure d'empilement détaillée spécifiant le type de céramique (Al2O3 ou AlN), et vos critères d'acceptation spécifiques pour les vides et la résistance au cisaillement.

Prêt à valider votre conception ? Visitez notre Page de Devis pour démarrer le processus d'examen technique dès aujourd'hui.