L'effet tombstoning des PCB, également connu sous le nom d'effet « Manhattan » ou « Stonehenge », se produit lorsque les composants montés en surface se soulèvent pendant la soudure, créant des circuits ouverts et des défauts d'assemblage. Dans cet article, nous allons découvrir ce qu'est l'effet tombstoning des PCB, ses causes, ses impacts et les stratégies de prévention pour garantir un assemblage de PCB de haute qualité.
Qu'est-ce que le PCB Tombstoning ?
Le tombstoning des PCB est un défaut qui se produit pendant le processus de soudure par refusion dans technologie de montage en surface (SMT). Cela se produit lorsqu'une extrémité d'un petit composant, comme une résistance ou un condensateur, se soulève du PCB et se tient debout, ressemblant à une pierre tombale. Ce défaut est principalement causé par des forces de mouillage déséquilibrées ou des incohérences thermiques pendant le processus de refusion. La fusion inégale de la soudure aux deux extrémités du composant entraîne un déséquilibre de la tension superficielle, qui soulève un côté du composant. L'effet de pierre tombale entraîne des circuits ouverts, affectant la fonctionnalité des appareils électroniques. L'effet de pierre tombale est particulièrement courant avec des composants tels que les condensateurs céramiques multicouches (MLCC).
Causes des pierres tombales des PCB
Maintenant que nous comprenons ce qu'est le tombstoning PCB, explorons les différents facteurs qui conduisent à ce défaut.
1. Déséquilibre thermique lors de la refusion
La principale cause du phénomène de tombstoning est un profil de chauffe irrégulier lors du brasage par refusion. Comme la pâte à braser d'un côté du composant fond plus vite que de l'autre côté, cela crée un déséquilibre dans les forces de mouillage. Le côté où la soudure fond plus vite tire le composant vers le haut, laissant l'autre côté déconnecté. Un profilage de refusion approprié est essentiel pour éviter ce défaut.
2. Forces de mouillage inégales
Les déséquilibres dans les forces de mouillage sont causés par une application inégale de la pâte à braser ou par des pastilles mal conçues. Une pâte à braser appliquée en quantités inégales peut entraîner une force plus importante sur un côté du composant que sur l'autre, provoquant ainsi son soulèvement.
3. Problèmes de conception des pads
Des conceptions de pastilles asymétriques ou inappropriées peuvent également conduire à un effet de désalignement. Des pastilles qui ne sont pas de taille égale ou qui ont un espacement incorrect peuvent faire en sorte qu'une pastille reçoive plus de chaleur ou de pâte à souder que l'autre, créant ainsi un déséquilibre. Pour éviter cela, les tailles et les formes des pastilles doivent être soigneusement optimisées pour le type de composant spécifique.
4. Application de pâte à souder
Une application inégale ou insuffisante de la pâte à braser pendant le processus d'impression du pochoir peut créer des déséquilibres de mouillage. Si la pâte est appliquée plus abondamment sur un plot que sur l'autre, cela entraînera une soudure inégale. La viscosité et la tension superficielle de la pâte sont également des facteurs essentiels pour assurer un mouillage uniforme.
5. Placement et géométrie des composants
Les composants mal alignés ou mal placés sur le circuit imprimé sont plus susceptibles de tomber en panne lors de la refusion. De plus, la géométrie du composant lui-même peut contribuer à ce problème. Par exemple, les composants plus petits sont plus susceptibles de tomber en panne car ils subissent des effets plus importants des forces de mouillage.
6. Contamination par les PCB
La contamination des pastilles de PCB ou des composants, comme la poussière, l'huile ou l'oxydation, peut empêcher la soudure de se coller correctement, ce qui entraîne une mauvaise formation des joints de soudure. Cela se traduit souvent par le fait qu'une extrémité du composant n'est pas soudée, ce qui lui permet de se soulever pendant le processus de refusion.
7. Déformation de la carte
La déformation du PCB pendant le processus de refusion peut créer des conditions thermiques inégales, affectant l'uniformité de la fusion de la soudure et provoquant la déformation des composants. La déformation se produit lorsque le Matériel PCB est soumis à la chaleur et se déforme légèrement, ce qui entraîne des forces déséquilibrées sur les composants.
Impact de la pierre tombale PCB
L'impact du tombstoning des PCB va bien au-delà des simples défauts d'assemblage, car il peut affecter considérablement les performances et la fiabilité des appareils électroniques. Vous trouverez ci-dessous les principales conséquences du tombstoning.
1. Défaillances électriques
Le tombstoning provoque un circuit ouvert, ce qui signifie que le composant affecté n'est plus connecté électriquement au circuit. Cela entraîne un dysfonctionnement de l'appareil, en particulier dans les applications critiques telles que les appareils médicaux, l'électronique aérospatiale ou les équipements de télécommunications.
2. Connexions intermittentes
Même si le composant bloqué entre partiellement en contact avec le PCB, cela peut entraîner une connectivité intermittente, ce qui peut entraîner des performances peu fiables de l'appareil. Ces connexions sporadiques peuvent être difficiles à détecter lors des tests et peuvent entraîner des rappels de produits ou des pannes sur le terrain.
3. Augmentation des coûts de production
Le « tombstoning » entraîne des retouches et des réparations, ce qui augmente le temps et les coûts de production. Dans les environnements de production à volume élevé, même un faible pourcentage de cartes présentant des défauts de « tombstoning » peut entraîner des retards importants et des pertes financières.
4. Fiabilité réduite du produit
Les composants tombstoned entraînent une faible fiabilité du produit. Dans les applications critiques où la défaillance du produit peut avoir de graves conséquences, comme dans les systèmes automobiles ou aérospatiaux, les défauts tombstoned peuvent constituer un risque sérieux pour la fiabilité à long terme.
Techniques de prévention du « tombstoning » des PCB
Pour prévenir efficacement le « tombstoning » des PCB, diverses techniques peuvent être appliquées. Vous trouverez ci-dessous les principales stratégies.
1. Optimisation de la conception des pads
Une disposition des pastilles bien conçue est essentielle pour éviter le phénomène de « tombstoning » du PCB. La symétrie de la taille des pastilles assure une répartition égale de la soudure, minimisant ainsi les risques de fusion d'un côté plus rapide que de l'autre. Pour optimiser la conception des pastilles :
Longueur et largeur du tampon : Assurez-vous que la longueur du tampon chevauche au moins 0.3 mm avec l'extrémité métallique du composant. Évitez une largeur de tampon excessive, en la gardant proportionnelle à la taille du composant (idéalement, ne dépassant pas 0.25 mm pour les MLCC).
Espacement des pads : Gardez un espacement serré entre les pastilles, juste assez pour permettre un bon écoulement de la soudure. Un espacement excessif peut entraîner un chauffage et un dépôt de soudure inégaux.
2. Assurer une application uniforme de la pâte à souder
Une application correcte de la pâte à souder est essentielle pour éviter le phénomène de tombstoneing pendant Assemblage de PCB. Pour obtenir un dépôt de pâte à braser homogène, il faut commencer par une impression précise au pochoir afin de garantir que des quantités égales sont appliquées sur chaque pastille. La qualité de la pâte à braser joue également un rôle majeur : il est essentiel de choisir une pâte ayant la viscosité et la tension superficielle appropriées pour un mouillage uniforme pendant la refusion.
Pour maintenir l’intégrité de la pâte :
Conserver à la température recommandée (5-10°C).
Laisser la pâte atteindre la température ambiante avant utilisation pour éviter la condensation.
Assurez-vous de bien mélanger avant l'application et conservez la pâte non utilisée correctement scellée pour éviter la contamination et l'oxydation.
3. Soudure simultanée aux deux extrémités
Pour éviter le phénomène de pierre tombale, il est important de souder les deux extrémités d'un composant aussi rapidement et uniformément que possible. Cela minimise la différence de temps de fusion entre les deux extrémités. Si l'on laisse une extrémité fondre complètement tandis que l'autre reste solide, la tension superficielle de la soudure fondue peut tirer le composant vers le haut. En assurant une soudure simultanée aux deux extrémités, vous créez des forces de mouillage équilibrées, ce qui réduit les risques que le composant se tienne debout et améliore la fiabilité globale du joint de soudure.
4. Nettoyage du PCB et des composants
Un nettoyage adéquat du PCB et des composants est essentiel pour éviter les défauts tels que le « tombstoning ». Les contaminants tels que la poussière, l'huile ou l'oxydation peuvent interférer avec l'adhérence de la soudure, entraînant un mauvais mouillage et des connexions peu fiables. Pour garantir des performances de soudure optimales :
Nettoyez les PCB et les composants avant l’assemblage pour éliminer tous les contaminants.
Utilisez des solutions de nettoyage appropriées, telles que de l’eau déionisée ou des solvants, pour éliminer les huiles et l’oxydation.
Assurez-vous que la carte et les composants sont exempts de résidus, qui peuvent compromettre la qualité des joints de soudure et provoquer des défauts tels que le tombstoning.
5. Inspection et contrôle de la qualité
Les systèmes d'inspection optique automatisée (AOI) et d'inspection par rayons X peuvent être utilisés pour détecter les défauts dès le début du processus de production. Des inspections régulières et des mesures de contrôle qualité en temps réel permettent de détecter et de corriger les défauts en temps opportun.
6. Utilisation de profils de refusion appropriés
Pour éviter le phénomène de « tombstoning », il est essentiel d'utiliser le profil de refusion correct. Un profil bien calibré garantit que tous les composants du PCB chauffent uniformément et que la soudure aux deux extrémités d'un composant fond simultanément. Le processus de refusion doit inclure :
Montée en puissance contrôlée pour éviter les chocs thermiques.
Une phase de trempage stable pour égaliser les températures des composants.
Une température de pointe appropriée pour assurer la fusion complète de la soudure. Un contrôle approprié du temps de maintien dans ces phases est essentiel, car il réduit les déséquilibres de température et favorise des forces de mouillage équilibrées, minimisant ainsi les risques de chute.
7. Optimisation des matériaux et des processus
Une optimisation efficace des matériaux et des processus est essentielle pour minimiser les défauts de tombstoning dans l'assemblage des circuits imprimés. La collaboration avec les fournisseurs de matériaux pour développer des pâtes à souder adaptées aux besoins d'assemblage spécifiques peut améliorer les performances de la soudure. Des facteurs tels que la rhéologie de la pâte à souder, l'activité du flux et les propriétés de tension superficielle doivent être optimisés pour améliorer le mouillage et l'adhérence de la soudure. De plus, le réglage précis du processus d'application de la pâte à souder et l'ajustement du profil de refusion garantissent un flux de soudure constant et minimisent les déséquilibres thermiques, réduisant ainsi le risque de tombstoning.
Réflexions finales
Le phénomène de tombstoning des circuits imprimés reste un problème courant mais évitable dans l'assemblage en surface. En comprenant les causes, qu'elles soient dues à des déséquilibres thermiques, à des problèmes de conception des pastilles ou à des incohérences de la pâte à souder, les fabricants peuvent mettre en œuvre des mesures préventives efficaces. Des techniques telles que l'optimisation de la conception des pastilles, l'application uniforme de la pâte à souder et l'utilisation de profils de refusion appropriés peuvent réduire considérablement le risque de tombstoning. Une inspection et un contrôle qualité réguliers jouent également un rôle essentiel dans l'identification et la correction du tombstoning au début du processus de production.
L'intégration de ces stratégies garantit un processus d'assemblage plus fiable, réduisant les défauts et améliorant les performances du produit à petite et grande échelle. Fabrication de PCB.
