Comprendre les défis de la soudure sans plomb

Contrairement aux soudures traditionnelles en plomb qui fondent à environ 183 °C, les alliages sans plomb comme le SAC305 (étain-argent-cuivre) nécessitent des températures de réécoulement de pointe entre 235 °C et 250 °C, avec des points de liquide de près de 217 °C à 227 °C. Cette exposition thermique élevée introduit plusieurs mécanismes de défaillance qui doivent être traités lors de la conception des BPC.

La température de traitement plus élevée peut causer la warpage, la délamination[ et la cratère de la planche[ si le matériau stratifié manque de résistance thermique suffisante. De plus, les joints de soudure sans plomb sont plus fragiles et plus sujets à la fatigue sous cycles thermiques par rapport aux joints de soudure sans plomb.

Les fabricants de composants ont réagi en offrant des emballages compatibles sans plomb, mais de nombreux composants existants ont encore une cote de sensibilité à l'humidité (MSL) qui nécessite une cuisson et une manipulation soignées. La combinaison de température plus élevée, de temps au-dessus du liquide et de chocs thermiques de plusieurs flux passe impose des exigences plus grandes sur tous les aspects de la conception des PCB.

Sélection de matériaux pour la fiabilité thermique

Substrats stratifiés

La température de transition du verre (Tg) du stratifié de base est le premier paramètre critique. La norme FR-4 avec un Tg de 130°C à 140°C est insuffisante pour les processus sans plomb. Les concepteurs doivent spécifier haut-Tg FR-4 (Tg ≥ 170°C) ou des matériaux avancés tels que polyimide, BT-époxy ou composites PTFE pour les environnements extrêmes.

En plus de Tg, attention au coefficient de dilatation thermique (CTE) du stratifié. Le CTE inférieur dans l'axe z aide à réduire par la contrainte du baril pendant les excursions thermiques. Certains substrats à haute performance atteignent le CTE de l'axe Z sous 50 ppm/°C, en appariement plus étroitement avec celui du cuivre et prolonge la durée de vie du métal plaqué par les trous.

Contraintes préalables et principales

Pour les panneaux de comptage à couche élevée, choisissez des préprégats avec Tg similaires au cœur pour éviter les contraintes internes. Utilisez des tissages en verre à tartiner pour réduire la famine en résine et les variations d'épaisseur qui peuvent causer la concentration de chaleur. Notez que certains préprégats à faible débit fournissent un meilleur remplissage par trous, empêchant les vides qui affaiblissent les joints de soudure.

Choix de finition de surface des PCB

La finition de surface sur des coussinets en cuivre exposés a des effets directs sur la soudabilité dans des conditions sans plomb. Bien que le nivellement de la soudure à air chaud (HASL) avec un alliage sans plomb soit une option, il peut produire des surfaces inégales qui compromettent la soudure par points fins.

  • ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) – Fournit une surface plane, une excellente résistance à la corrosion et une bonne humidité. La barrière nickel empêche la croissance intermétallique cuivre-étain, mais l'épaisseur de l'or doit être contrôlée pour éviter les joints fragiles.
  • ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) – Ajoute une couche de palladium qui empêche la corrosion du nickel et supporte le collage pour le soudage et le collage des fils. Particulièrement utile pour les applications à haute fiabilité.
  • OSP (Organic Souderability Preservative) – Une finition rentable qui fonctionne bien avec des soudures sans plomb si le revêtement est conçu pour des profils à haute température. Cependant, OSP a une durée de conservation plus courte et peut être endommagé par de multiples cycles de reflow.
  • Immersion Tin / Silver – Offrez une bonne soudabilité mais sont sujettes à la croissance de fouet si le traitement n'est pas étroitement contrôlé. Immersion étain devrait inclure une étape de post-traitement pour supprimer les moustaches.

Pour les conceptions à haute fiabilité, ENEPIG est souvent recommandé malgré des coûts plus élevés, car il résiste à de multiples réécoulements et fournit une couche intermétallique cohérente. Quelle que soit la finition, assurez-vous que l'épaisseur de surface [ demeure conforme aux spécifications du fabricant pour éviter une fragilisation des joints de soudure.

Lignes directrices pour la conception des plaques et des traces

Masque de géométrie et de souder

Les soudures sans plomb présentent une plus faible humidification et une plus faible épandage que les alliages au plomb. Par conséquent, les dimensions des coussinets doivent être soigneusement calculées pour assurer un volume suffisant de soudure tout en empêchant les ponts. Augmenter de 10 à 15 % le diamètre des coussinets pour compenser la réduction des mouillages.

Les ouvertures de masques de soudure doivent être maintenues serrées autour des coussinets pour éviter l'effondrement de la tente ou du masque sur le cuivre. Maintenir une clairance de masque de solvant d'au moins 75 μm (3 mil) pour les modèles standard et de 100 μm (4 mil) pour les composants à point fin.

Largeurs de traces et protections thermiques

Pour les réseaux électriques, utiliser des largeurs de traces qui peuvent supporter au moins 1,5 fois le courant prévu à des températures allant jusqu'à 30 °C au-dessus de l'environnement. Pour les traces de signaux, garder les largeurs à au moins 0,15 mm (6 mil) pour éviter une résistance excessive à une température élevée.

Les reliefs thermiques sont essentiels pour les coussinets reliés aux grands plans en cuivre. Un modèle typique sans plomb utilise quatre rayons d'une largeur de 10 à 15 mil chacun. L'angle de rayon devrait fournir suffisamment de cuivre pour conduire la chaleur pendant la soudure mais assez étroit pour permettre au coussin d'atteindre rapidement la température de soudure.

Considérations sur la voie et le revêtement

Les voies qui subissent un reflow sans plomb doivent être revêtues d'un solide plateau de barillet. L'épaisseur du cuivre dans le barillet doit être d'au moins 25 μm (1 mil) pour résister à la contrainte thermique. Pour les microvias (laser-percé), maintenir un rapport d'aspect de 1:1 ou moins pour assurer un remplissage fiable du cuivre.

Composante Placement pour la gestion thermique

Il est crucial de disposer de composants sur la planche pour minimiser les gradients thermiques et protéger les parties sensibles. Placer des composants sensibles à la chaleur tels que condensateurs électrolytiques, connecteurs avec boîtiers en plastique, oscillateurs de cristaux loin des bords de la planche et près des voies de circulation d'air de refroidissement.

Pour atténuer cette situation, les hauteurs des composants décadent et évitent de placer des parties très hautes immédiatement en amont des petits composants passifs. Pour les panneaux multicouches, utilisez des plans internes en cuivre comme répartiteurs de chaleur – des plans au sol pour les blocs thermiques des appareils utilisant plusieurs vias thermiques.

Lorsque vous placez des panneaux bifaces, prenez en considération le poids et la taille des composants du côté inférieur. Les composants lourds peuvent se détacher pendant le deuxième reliure si le support n'est pas approprié.

Profil de soudure et optimisation des paramètres de processus

Les profils de réécoulement sans plomb nécessitent généralement une zone de fuite comprise entre 150°C et 200°C pendant 60 à 90 secondes pour activer le flux et assurer une température uniforme à l'échelle de la carte. La vitesse de la rampe pendant la zone de préchauffage devrait être limitée à 1–3°C par seconde pour éviter les chocs thermiques.

Pour les composants à souder par les vagues, les mêmes principes s'appliquent : préchauffer l'ensemble à environ 100–120°C, puis le contact avec l'onde sans plomb à 260–270°C pendant 2–5 secondes. Utiliser une atmosphère d'azote dans le pot de souder pour réduire l'oxydation et améliorer l'humidité.

La purge de l'azote dans les fours à réécoulement est également bénéfique : elle réduit la tension de surface du souder fondu, ce qui permet de mieux moudre et de réduire les ponts sur les composants à points fins.

Conception pour l'inspection et le retravail

Les joints sans plomb peuvent être plus difficiles à inspecter visuellement en raison de leur aspect plus terne que les joints sans plomb. Les systèmes d'inspection optique automatisée (AOI) doivent être étalonnés pour pouvoir gérer ce contraste réduit. De plus, les joints sans plomb sont plus susceptibles de présenter des fissures microscopiques invisibles à l'inspection optique; par conséquent, il est recommandé de procéder à une inspection aux rayons X pour les emballages BGA et QFN afin de détecter les vides et les défauts de la tête dans le coussin.

Pour le retravail, des températures plus élevées sont nécessaires pour enlever et remplacer les composants.Cela augmente le risque de levage de la plaque et de dommages stratifiés. Concevoir la carte avec des ancres de cuivre supplémentaires sur les grands tampons et éviter de placer des vias trop près du bord de la plaque.

Contrôle de la qualité et essais de fiabilité

Outre les contrôles visuels et les essais électriques standard, les assemblages de PCB sans plomb bénéficient d'essais de fiabilité plus rigoureux.

  • Cycle thermique – Généralement de −40°C à +125°C pendant 500 à 2000 cycles. Surveiller les changements de résistance des articulations de soudure pour détecter les défaillances tôt.
  • Essais de rodage et de choc – Les soudures sans plomb peuvent être plus fragiles dans des taux de déformation élevés; les essais de chute au niveau du plateau par JEDEC JESD22-B111 aident à valider la robustesse.
  • Essais de sensibilité à l'humidité[ – Après cuisson, soumettre les planches assemblées à 85°C/85% HR pendant 168 heures, puis recourant pour vérifier la délamination ou le popcorning.
  • La section de corrosion[ – L'analyse destructive des joints de soudure révèle une épaisseur intermétallique, un pourcentage de vide et un angle de mouillage. L'épaisseur intermétallique acceptable pour SAC305 est généralement de 1 à 4 μm.

Travailler avec un fabricant fiable de BPC qui fournit des données détaillées sur les certifications de matériaux et les contrôles de processus. De nombreuses fonderies offrent un design gratuit pour la fabrication (DFM) des examens qui capturent les problèmes de déséquilibre thermique tôt.

Respect de l'environnement et de la réglementation

La conception de la soudure sans plomb s'harmonise automatiquement avec les exigences du RoHS, mais les concepteurs doivent aussi tenir compte des restrictions sur les substances sur les retardateurs de flamme halogénés et d'autres produits chimiques. Préciser les matériaux stratifiés qui satisfont à la norme CEI 61249-2-21 pour la conformité sans halogènes si ils ciblent les marchés européens.

Les critères de recyclage et de fin de vie sont de plus en plus importants.Utilisez Normes de l'IPC pour marquer les codes d'identification de résine sur les gros composants et marquez le panneau avec le type de finition pour faciliter le tri.

Étude de cas: Modes d'échec courants et comment les éviter

Une cause principale de défaillances de champ dans les conceptions sans plomb est head-in-pillow (HIP)[, où la pâte de soudure sur la boule ne fusionne pas complètement avec la boule de composant pendant le reflow. Cela résulte souvent d'un mauvais design de tampon ou de profils de reflow non optimisés.

Un autre problème fréquent est le cratère de la plaque, la rupture du stratifié sous la plaque en raison de la tension. Ceci est exacerbé par des soudures sans plomb. L'atténuation consiste à utiliser du cuivre plus épais (≥1 oz) sur les couches extérieures, réduire la taille de la plaque par rapport au motif de la terre, et choisir la couche avec une allongement plus élevée à la rupture.

Enfin, la migration électrochimique (ECM)[ peut se produire si les résidus de flux ne sont pas complètement nettoyés, surtout sous des composants à point fin. Utilisez des flux non propres conçus pour des processus sans plomb et assurez-vous que la résistivité de surface de la planche reste au-dessus de 108 ↓ après l'assemblage.

Conclusion

La conception de BPC pour le brasage sans plomb ne consiste pas simplement à augmenter la température de réécoulement; elle nécessite une approche holistique, de la sélection des matériaux jusqu'aux essais finaux. En choisissant des stratifiés à haute teneur en Tg, des finitions de surface appropriées, des géométries optimisées des coussinets et un placement attentif des composants, les ingénieurs peuvent produire des assemblages qui résistent aux rigueurs du traitement sans plomb.

Pour plus de détails, consulter les lignes directrices NIST sur la fiabilité des joints de soudure sans plomb[ et la norme IPC-7095 pour la conception et l'assemblage de BGA.