Dans une ligne d assemblage SMT, le tombstoning des petits composants passifs est l un des defauts les plus visibles et les plus frustrants. Une resistance ou un condensateur se releve comme une pierre tombale, une extremite reste soudee, l autre quitte son pad, et le circuit devient ouvert. Le defaut parait simple a comprendre, mais il peut provenir du design PCB, du stencil, du stockage, de la programmation pick-and-place ou du profil de refusion.
Le phenomene concerne surtout les boitiers 0603, 0402, 0201 et 01005, parce que la force de tension superficielle de la soudure devient tres grande par rapport a la masse du composant. Dans la pratique, un seul pad qui mouille 0,5 a 2 secondes avant l autre peut suffire a tirer le composant vers le haut. Sur une carte dense, quelques ppm de tombstoning peuvent deja bloquer le first pass yield, creer de la retouche manuelle et perturber la livraison.
Refusion
Synchroniser la fusion des deux terminaisons avec une rampe stable et un delta T limite.
Stencil
Controler l epaisseur, l ouverture, l alignement et le volume par SPI avant placement.
Inspection
Relier les resultats AOI aux coordonnees, references composants et zones thermiques.
Pourquoi un composant se releve pendant la refusion
En technologie de montage en surface, chaque terminaison est tenue par une pate a braser deposee sur son pad. Pendant la montee en temperature, le flux s active, les oxydes se reduisent, l alliage fond et la soudure mouille le metal de terminaison. Si un cote mouille plus vite ou plus fortement, la tension superficielle tire le composant vers ce cote. L autre cote, encore pateux ou moins mouille, ne compense pas la force. Le composant pivote alors.
Le tombstoning est donc un probleme d equilibre. Il ne suffit pas de dire que le four est trop chaud. Le four peut amplifier le defaut, mais un design pad dissymetrique, un via trop proche d une terminaison, un cuivre massif d un cote, une ouverture stencil differente ou un composant oxyde peuvent creer le desequilibre initial. C est pourquoi une correction durable commence par la collecte de données : reference composant, boitier, coordonnee, orientation, cote panel, lot de pate, lot PCB, lot composants, courbe four et resultats SPI.
“Pour un passif 0402, je considere qu un ecart de volume de pate de 10 % entre les deux pads est deja un signal process. Avant de changer le four, il faut comparer SPI, empreinte et orientation composant sur au moins 30 defauts.”
Les causes principales a verifier avant de modifier le four
Le premier reflexe consiste souvent a retoucher le profil de refusion. C est parfois justifie, notamment si la rampe est trop rapide ou si le delta T carte est eleve, mais ce n est pas toujours la cause racine. Une empreinte incorrecte peut rendre le process instable meme avec un profil bien mesure. Un stencil trop epais peut deposer une masse de pate excessive sur les petits passifs. Un pad connecte a un plan cuivre par une liaison pleine peut rester plus froid qu un pad isole, ce qui retarde son mouillage.
Pour les boitiers 0201 et 01005, le placement devient aussi critique. Un decalage de quelques dizaines de microns modifie la surface de contact entre terminaison et pate. Si la buse est usee, si la pression de pose ecrase un cote, ou si une correction vision est mal calibree, la refusion ne fait que reveler un probleme deja present avant le four. Les données pick-and-place doivent donc etre examinees avec les images AOI, pas separement.
| Cause probable | Signal typique | Contrôle recommande | Priorite |
|---|---|---|---|
| Volume de pate asymetrique | Une terminaison fond avant l autre, souvent sur 0402 ou 0201 | SPI, ouverture stencil identique, reduction locale de 5 a 15 % | Tres elevee |
| Pad trop long ou desequilibre cuivre | Le composant pivote toujours du meme cote sur le panel | Revue empreinte, thermal relief, symetrie des masses cuivre | Tres elevee |
| Profil de refusion trop agressif | Defaut variable par zone four, plus fort sur petits passifs | Rampe 1 a 3 °C/s, delta T carte reduit, TAL sous contrôle | Elevee |
| Placement decale | AOI pre-refusion ou inspection montre un offset systematique | Verification nozzle, vision, feeder, pression de pose | Elevee |
| Oxydation ou mouillage inegal | Tombstoning avec mouillage lent, granuleux ou incomplet | Stockage MSL, test brasabilite, FIFO composants et PCB | Moyenne |
| Panel mal supporte | Defaut concentre pres des bords ou zones qui flechissent | Support convoyeur, rails, carrier, orientation panel | Moyenne |
Empreinte PCB : le point de depart du plan anti-tombstoning
Une empreinte SMT robuste donne deux pads symetriques, des ouvertures coherentes et une evacuation thermique comparable. Le piege classique est d avoir un cote connecte a une zone cuivre importante, tandis que l autre cote reste isole. Le pad attache au plan chauffe plus lentement, la soudure fond plus tard, et le cote chaud tire le composant. Les thermal reliefs, la largeur de piste et la position des vias autour du pad doivent donc etre revus.
Les vias dans ou pres du pad peuvent aussi aspirer la pate ou modifier le mouillage. Sur un petit passif, un via place trop pres d une terminaison agit comme un drain. Si le design impose un via proche, il faut evaluer un via bouche ou deplace, ou au minimum une reduction d ouverture stencil. Ce travail rejoint la logique DFM de notre guide DFM/DFA pour eviter les erreurs de production PCB.
“Quand le tombstoning reste localise sur 2 ou 3 references, la cause est rarement generale. Dans plus de 70 % des cas que nous analysons, le couple footprint-stencil explique mieux le defaut qu un changement global du profil four.”
Stencil, pate a braser et inspection SPI
Le stencil transforme une intention de design en volume reel de pate. Pour les petits passifs, une ouverture 1:1 n est pas toujours optimale. Une reduction controlee, par exemple 5 a 15 % selon boitier, epaisseur stencil et alliage, peut limiter la force de traction tout en conservant un joint fiable. Le but n est pas de sous-alimenter les pads, mais d obtenir deux volumes proches et repetables.
La pate elle-meme compte. Une pate trop froide, mal melangee, trop vieille ou exposee trop longtemps sur l imprimante peut modifier la viscosite et le transfert. La gestion FIFO, le temps de retour a temperature ambiante et la fenetre d utilisation doivent etre documentes. Pour approfondir ce sujet, l article sur la pate a braser SMTdetaille les types d alliage, la granulometrie et les defauts d impression.
L inspection SPI est utile car elle voit le probleme avant placement. Si le SPI montre un volume correct et symetrique, l analyse peut se concentrer sur placement, mouillage et refusion. Si le SPI montre une variation de hauteur ou d aire entre les deux pads, corriger le four risque de masquer temporairement un probleme d impression.
Profil de refusion : stabiliser sans surcorriger
Le profil de refusion doit amener les deux terminaisons a fondre de maniere aussi simultanee que possible. Avec un alliage SAC305, le liquidus est autour de 217 °C. La carte doit rester au-dessus de ce seuil assez longtemps pour former des joints fiables, sans exposer inutilement les composants a un pic excessif. Une rampe de 1 a 3 °C/s est une base courante, mais la vraie valeur depend du PCB, de la densite composant, du four et des contraintes fabricant.
Un soak trop long peut epuiser l activite du flux avant la fusion. Une rampe trop rapide peut creer un fort delta T entre les zones cuivre et les zones legeres. Un pic trop eleve peut ameliorer temporairement le mouillage, mais il augmente le risque de dommages composants, de voiding ou d oxydation. Le bon profil est donc mesure sur la carte reelle, avec thermocouples fixes aux zones critiques, pas seulement repris d une fiche pate standard.
Pour une methode detaillee, consultez notre guide du profil de refusion SMT. En production serie, chaque changement de four, de panelisation ou de masse thermique doit declencher une verification du profil si le tombstoning etait un risque connu au NPI.
Erreur courante
Augmenter simplement la temperature de pic peut reduire un lot de defauts, mais degrade parfois la marge process. Si le tombstoning vient d une empreinte asymetrique, le defaut reviendra avec un autre lot PCB, une autre pate ou un changement d orientation panel.
Inspection AOI, ICT et decision de retouche
Un composant releve est generalement detecte par AOI apres refusion. L AOI doit cependant etre programmee pour reconnaitre la hauteur, l ombre, l orientation et l absence de mouillage, surtout lorsque les composants sont tres petits ou proches d un connecteur. L inspection visuelle manuelle reste utile pour confirmer des cas limites, mais elle ne doit pas remplacer une strategie de données.
L essai électrique, ICT ou flying probe confirme les circuits ouverts. Pour les cartes denses, il est possible qu un composant partiellement releve passe une inspection rapide mais echoue en vibration, temperature ou apres vieillissement. Les criteres de retouche doivent donc preciser quand ressouder, quand remplacer le composant et quand rebuter la carte si le pad est endommage.
Une analyse tombstoning fiable relie inspection AOI, données SPI, coordonnees PCB et parametres de refusion.
Plan d action en 8 etapes pour reduire le tombstoning
- Cartographier les defauts par reference, boitier, coordonnee, orientation et numero de panel.
- Comparer les données SPI des deux pads pour verifier volume, aire, hauteur et decalage.
- Inspecter les empreintes PCB, vias proches, thermal reliefs, masses cuivre et longueurs de pads.
- Verifier placement, buse, pression de pose, vision machine et stabilite feeder.
- Mesurer le profil de refusion sur la carte reelle, avec thermocouples sur zones legeres et massives.
- Controler stockage PCB et composants, et documenter l age de la pate sur stencil.
- Tester une modification unique a la fois : stencil, profil, orientation, support panel ou footprint.
- Valider sur au moins 3 panels consecutifs avant de figer le parametre en production.
“Une correction serie doit etre mesurable. Je demande toujours un avant-apres sur au moins 3 panels, avec ppm de tombstoning, volume SPI moyen, ecart type et position four. Sans ces 4 données, la solution reste une hypothese.”
Quand impliquer votre partenaire PCBA
Le tombstoning se corrige plus vite lorsque l equipe design, le fabricant PCB et l assembleur travaillent sur le meme dossier. Un partenaire assemblage PCBdoit pouvoir relire les empreintes, proposer une ouverture stencil, enregistrer les données SPI/AOI et valider le profil four. Pour un nouveau produit, l ideal est d integrer cette revue pendant le prototype ou le NPI, avant que les gerbers et la nomenclature soient figes.
Les exigences de conformite matiere, comme la directive RoHS, influencent aussi les alliages, les finitions et les temperatures de process. Un passage sans plomb mal anticipe peut changer le mouillage et exposer des marges trop faibles sur les petits passifs.
FAQ sur le tombstoning SMT
Qu est-ce que le tombstoning SMT sur un PCB ?
Le tombstoning est un defaut ou un composant CMS, souvent une resistance ou un condensateur 0402, 0201 ou 01005, se redresse pendant la refusion. Une terminaison reste soudee tandis que l autre se leve, ce qui cree un circuit ouvert visible en AOI ou au test électrique.
Quels composants sont les plus sensibles au tombstoning ?
Les passifs 0402, 0201 et 01005 sont les plus sensibles car leur masse est faible et les forces de mouillage dominent vite la gravite. Le risque augmente aussi avec des terminaisons etamees, des pads asymetriques et un profil de refusion trop rapide.
Quelle rampe de refusion aide a reduire le tombstoning ?
Une rampe controlee autour de 1 a 3 °C/s et un delta T reduit sur la carte aident a synchroniser la fusion des deux joints. La valeur exacte depend de l alliage, par exemple SAC305 autour de 217 °C de liquidus, et de la masse thermique du PCB.
Le stencil peut-il provoquer du tombstoning ?
Oui. Une ouverture stencil trop grande ou decalee peut deposer plus de pate sur un cote. Sur petits passifs, une reduction d ouverture de 5 a 15 %, une epaisseur de stencil adaptee et une inspection SPI peuvent reduire fortement le desequilibre.
Comment detecter le tombstoning en production ?
L AOI apres refusion detecte generalement les composants leves, mais le meilleur contrôle combine SPI avant placement, verification pick-and-place, AOI post-refusion et test ICT ou flying probe pour confirmer les circuits ouverts.
Faut-il corriger le design PCB ou seulement le process SMT ?
Les deux doivent etre verifies. Si le defaut apparait toujours sur les memes references et les memes coordonnees, le design pad ou le cuivre autour du composant est souvent implique. Si le defaut varie par lot, le profil, la pate ou le placement sont plus probables.
Sources et lectures utiles
- Surface-mount technology - principes generaux du montage CMS.
- Reflow soldering - fonctionnement du brasage par refusion.
- RoHS Directive - contexte des assemblages electroniques sans plomb.
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