Sur une ligne SMT assembly, le four de refusion est l'etape ou les defauts deviennent visibles, mais rarement l'endroit ou ils naissent seuls. La fenetre thermique depend de la geometre du pochoir, du type de pate, de la masse cuivre, de la densite composants, de l'humidite des boitiers et de la capacite du four a maintenir une convection reguliere carte apres carte.
Les references de base restent la page publique sur le reflow soldering et l'ecosysteme JEDEC pour les limites composants et la gestion humidite. En pratique, l'objectif n'est pas d'imiter une courbe catalogue, mais de construire une recette que votre atelier peut repeter sur prototypes, pre-series et series sans voir apparaitre de head-in-pillow, de voiding excessif ou de reprises manuelles qui masquent la vraie maturite du process.
45 a 90 s
TAL typique SAC
Au-dessus de 217 C
< 10 C
Delta T vise
Entre points critiques
235 a 250 C
Pic courant
Selon boitiers et pate
0,8 a 2,0 C/s
Rampe utile
Avant le soak
“Quand un profil reussit sur une seule carte mais se degrade des que la charge four change, je ne considere pas le process qualifie. Une recette industrielle doit tenir le TAL, le delta T et la limite boitier sur plusieurs points de mesure, pas uniquement sur le thermocouple le plus chaud.”
1. Ce qu'un profil de refusion doit vraiment controler
Beaucoup d'equipes parlent d'un profil comme d'une simple temperature pic. C'est incomplet. Le profil utile est un ensemble de parametres couples: vitesse de rampe, temps de soak, temperature maximale, temps au-dessus du liquidus, vitesse de refroidissement et ecart thermique entre zones critiques. Chacun agit sur des mecanismes differents du joint de soudure.
Si vous reduisez brutalement la rampe pour limiter le tombstoning, vous pouvez rallonger la duree totale et fatiguer le flux. Si vous montez le pic pour fermer un open BGA, vous pouvez depasser la limite d'un connecteur plastique. Un profil robuste arbitre ces contraintes a partir de mesures reelles, pas d'hypotheses. C'est pour cela qu'un dossier de test et validation doit toujours inclure les hypotheses thermiques du produit.
Tableau de reglage du profil SMT
| Phase | Cible utile | Objectif | Point de vigilance | Defauts lies |
|---|---|---|---|---|
| Preheat / rampe | 0,8 a 2,0 C/s | Monter la carte sans choc thermique ni eclaboussure de flux | Delta T excessif entre zones froides et zones lourdes | Tombstoning, microbilles, projection de flux |
| Soak | 150 a 180 C pendant 60 a 120 s | Uniformiser la temperature et activer le flux | Soak trop long qui oxyde, ou trop court qui desequilibre la carte | Mouillage incomplet, non-coalescence, voids |
| Pic lead-free | 235 a 250 C selon composants et pate | Atteindre une fusion complete sans depasser la limite boitier | Marge etroite entre joint correct et surchauffe composant | Head-in-pillow, opens BGA, discoloration, warpage |
| TAL > 217 C | 45 a 90 s typique | Assurer coalescence et mouillage stables sur SAC | TAL trop court ou trop long selon masse thermique | Soudure froide, exces d intermetalliques, voiding |
| Refroidissement | 2 a 4 C/s | Stabiliser la microstructure sans contraintes trop fortes | Refroidissement brutal ou trop lent sur cartes sensibles | Grain grossier, deformation, residus flux plus visibles |
| Delta T carte | < 10 C sur points critiques | Garder BGA, QFN et masses cuivre dans la meme fenetre | Coins froids, dissipateurs et blindages non suivis | Ouverts localises, mouillage heterogene, reprises ciblees |
2. Comment poser correctement les thermocouples
Un profil n'a de valeur que si les thermocouples representent les vraies contraintes de la carte. Il faut au minimum couvrir une zone lourde en cuivre, un BGA ou QFN critique, une zone legere, un coin de carte et un composant sensible en boitier plastique. Sur des cartes mixtes avec blindage, dissipateur ou grande difference d'epaisseur, cinq a sept points deviennent vite justifies.
Le montage du thermocouple compte autant que son emplacement. Une fixation approximative lit l'air plus que le joint. Nous recommandons de coller le capteur au plus pres de la zone d'interet, avec une masse d'adhesif minimale et une orientation qui n'accroche pas le convoyeur. Sinon, vous prenez des decisions de recette a partir de fausses temperatures et vous corrigez un probleme imaginaire.
“Sur les cartes BGA, le profil ne se regle jamais a l intuition. Si je n ai pas les thermocouples sur le point froid, le point chaud et la zone de masse la plus lourde, je ne peux pas dire si le TAL est suffisant ou si je suis simplement en train de surchauffer le reste de la carte.”
3. Les trois profils qui couvrent la plupart des cas
Dans la pratique, les lignes SMT utilisent souvent trois familles de recettes plutot qu'une courbe universelle. La premiere cible les cartes standard lead-free avec composants discrets, QFP et quelques QFN. La deuxieme vise les cartes thermiquement lourdes, avec grands plans cuivre, blindages ou forte masse mecanique. La troisieme s'adresse aux boitiers sensibles ou a la pate basse temperature.
Vouloir conserver le meme profil pour toutes les references est seduisant mais rarement optimal. Une carte a forte masse thermique demandera souvent plus d'energie au centre. Une carte fine avec 0201 supportera mal une rampe agressive. D'ou l'interet de relier votre travail sur le profil a la conception du pochoir PCB et au choix de la pate a braser des le lancement NPI.
Lecture rapide d'une fenetre thermique
- Si les zones legeres passent tres haut et tres vite, surveillez d'abord la surchauffe composant plutot que d'ajouter du pic global.
- Si les zones lourdes restent sous 217 C alors que le reste est deja correct, travaillez le soak, la convection ou la vitesse convoyeur.
- Si les defauts changent d'un lot a l'autre sans variation du four, regardez aussi humidite composants, stencil, lot pate et warpage PCB.
4. Corriger les defauts sans casser le reste du process
Le piege classique consiste a corriger un defaut localise par une modification globale du four. Un seul open BGA pousse parfois une equipe a augmenter toutes les zones. Resultat: les petits boitiers, les connecteurs et les residus de flux se degradent alors que la cause racine etait peut-etre un composant humide, un warpage ou une ouverture stencil mal dimensionnee. C'est la raison pour laquelle il faut lier le profil aux autres etapes de controle comme la selection de la pate a braser et le suivi du rendement premiere passe.
Toute correction doit rester incrementalement lisible. On change un parametre principal, on reroule une carte instrumentee, on compare les defauts et on documente. Si vous changez la vitesse convoyeur, le setpoint de deux zones et le lot de pate le meme jour, vous ne saurez plus ce qui a vraiment cree ou supprime le probleme.
Defauts de refusion et action prioritaire
| Symptome | Cause probable | Controle | Action prioritaire |
|---|---|---|---|
| Head-in-pillow sur BGA | TAL insuffisant, oxydation bille, warpage composant ou PCB | X-ray, profil reel, humidite composant, coplanarite | Revoir soak, pic, support mecanique et gestion MSL |
| Voiding excessif sur thermal pad | Degazage insuffisant, depot trop plein, soak mal calibre | Stencil segmenté, X-ray, volume de pate, profil centre carte | Fenetrer l aperture et ajuster soak ou pic |
| Tombstoning 0201 ou 0402 | Ramp-up trop rapide, masse cuivre dissymetrique, depots inegaux | Orientation composant, profil, ouverture pochoir | Reduire la rampe et reequilibrer le depot |
| Mouillage incomplet ou opens | Pic trop bas, TAL trop court, finition oxydee | Thermocouples sur zones lourdes, etat des pads, lot pate | Monter le pic reel ou allonger le TAL dans la fenetre acceptee |
| Ponts de soudure | Excès de pate plus que profil pur, mais refusion trop agressive aggrave | SPI, alignement pochoir, temps soak, tension de surface | Corriger d abord impression puis confirmer le four |
| Composant decolore ou boitier fissure | Surchauffe, mauvais thermocouple, limite composant depassee | Spec fournisseur, temperature pic package, repetitions profil | Reduire le pic et confirmer la charge du four par recette |
“La meilleure correction de profil est celle qui resout le defaut cible sans deplacer le probleme ailleurs. Si une action ferme un open BGA mais fait monter les voids, les decolorations ou les faux appels AOI, vous n avez pas optimise le process, vous avez simplement deplace le cout de non-qualite.”
5. Quand requalifier le profil
Il faut requalifier un profil des qu'un changement peut modifier la fenetre thermique: nouvelle carte, nouvelle epaisseur, autre finition de pads, pochoir different, nouvelle pate, four entretenu ou charge de production modifiee. C'est aussi vrai lorsque vous passez du prototype a la serie, car la repetabilite attendue et le niveau de risque ne sont plus les memes.
Si vous travaillez des cartes medicales, energie ou automobile, la requalification doit etre reliee a votre logique de qualite et a la documentation terrain. Les liens avec nos pages qualite et certifications deviennent ici utiles: le profil n'est pas qu'un reglage atelier, c'est une preuve de maitrise process.
FAQ sur le profil de refusion SMT
Sur beaucoup de lignes lead-free, la cible reelle se situe entre 235 C et 245 C au joint, parfois jusqu'a 250 C sur cartes lourdes. Le vrai critere n'est pas un chiffre unique mais la combinaison pic plus TAL plus limite boitier. Si un composant n'accepte que 245 C max pendant 30 s, il faut profiler la carte autour de cette contrainte.
Pour une pate SAC standard, on vise souvent 45 a 90 secondes au-dessus du liquidus de 217 C. En dessous de 30 a 40 secondes, le risque de mouillage incomplet augmente; au-dela de 90 a 100 secondes, on accroît l'epaisseur intermetallique et le stress thermique sans gain systematique.
La phase soak, typiquement entre 150 C et 180 C pendant 60 a 120 secondes, sert a homogeniser la temperature entre les zones lourdes et legeres du PCB et a activer le flux. Si elle est trop courte, le delta T reste eleve. Si elle est trop longue, le flux fatigue avant d'atteindre le pic.
Il faut traiter simultanement le profil et la mecanique: TAL suffisant, pic stable, maitrise MSL selon IPC/JEDEC, reduction du warpage PCB et verification X-ray. Sur des BGAs critiques, quelques degres ou 10 a 15 secondes de TAL peuvent faire la difference, mais seulement si l'oxydation et la planéite sont deja sous controle.
Oui, souvent. Le prototype roule parfois avec une faible charge four et peu de cartes, alors qu'une serie modifie l'inertie thermique, la convection et parfois les temps de maintien. La bonne pratique est de requalifier le profil a chaque combinaison critique de carte, pochoir, pate, four et charge, meme si le nominal reste proche.
Beaucoup d'equipes visent moins de 10 C entre points critiques au moment du pic ou du TAL. Au-dela de 10 a 15 C, une zone peut etre encore sous le liquidus pendant qu'une autre approche deja la limite composant. C'est une cause classique d'ouvert localise sur BGA et de mouillage heterogene sur QFN.
Pour aller plus loin
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