Tour d’horizon des technologies de brasage des CMS pour protos et micro-séries.

17 Jan. 2023

Article extrait de la revue  – Les Cahiers de l’Industrie Électronique et Numérique décembre 2022 – n° 114

Nous vous proposons de comparer les différentes technologies de brasage des cartes électroniques avec les avantages et inconvénients de chacune des solutions pour que vous puissiez définir la technologie qui correspond à votre besoin.

Nous traiterons ici que des systèmes fermés statiques pour le brasage des CMS par oppositions aux systèmes de brasage manuel ou systèmes de réparation.

Technologie de chauffage par élément chauffant (résistance électrique ou résistance blindée)

Le chauffage par les éléments chauffants est généralement couplé avec une convection de l’air pour permettre un chauffage plus homogène.

Cette technologie est souvent la moins onéreuse et présente peu de coûts de maintenance. Ce sont là ces principaux avantages.  Il est souvent difficile avec cette technologie de tenir les rampes de chauffage recommandées par les normes IPC. En effet, les résistances chauffantes ont une inertie thermique importante ce qui entraîne un manque de réactivité du système sur les phases de montées en température et de refroidissement. Ce type de système est généralement réservé en prototypage à des fonctions d’étuvage plutôt que de brasage.

Exemple d’une résistance blindée

Technologie halogène/infrarouge

Cette technologie est souvent considérée comme la solution classique dans le domaine du prototypage et c’est bien souvent la plus répandue.  Elle utilise des éléments chauffant de types quartz ou halogène pour permettre de chauffer ; elle est généralement combinée à une convection forcée de l’air pour aider à une répartition homogène de la température.

Exemple d’un élément chauffant halogène

Les principaux avantages de cette technologie sont :

• Peu onéreux à l’achat
• Maintenance abordable
• Systèmes simples à mettre en œuvre
• Permet de suivre les rampes de température recommandée par les normes IPC (Hausse supérieure à 1 degré par seconde)
• Certains systèmes avancés permettent de reproduire le comportement d’un four en ligne avec des fonctionnalités dites multi-paliers pour reproduire le comportement des différentes zones de chauffe des fours de production en ligne. Cela permet de reproduire un profil thermique similaire aux conditions de production.

Exemple du logiciel SMTIX 2.0 permettant le contrôle multi-paliers

• Consommation d’électricité pendant les phases de chauffe importante mais uniquement pendant l’utilisation. Il est généralement recommandé d’effectuer un cycle à vide pour mettre le système à température afin de garantir les performances optimales et une répétabilité du process. Après ce préchauffage, la consommation correspond uniquement à celle du cycle de production.

Technologie d’inertage sous azote

Cette technologie est une combinaison de l’une des deux précédemment évoquées avec l’adjonction d’azote pour remplacer dans l’enceinte du four l’oxygène contenue dans l’air. On la retrouve de manière générale pour le brasage en prototypage combinée avec la technologie de chauffage halogène/infrarouge.

Cette technologie permet d’éviter les processus d’oxydation des joints de brasure. Si c’est un point souvent essentiel voir indispensable en production pour garantir la fiabilité dans le temps d’un produit fini, ce n’est pas toujours le cas en prototypage où le contrôle d’un test fonctionnel ne nécessite pas nécessairement l’absence d’oxydation.

Cette technologie peut s’avérer très coûteuse par la consommation d’azote qui est très importante. Par ailleurs pour être efficace et tirer le bénéfice de l’inertage il est indispensable que la saturation de l’air en azote dans la chambre de traitement atteigne une concentration minimale le 99.95%. Il est malheureusement très rare sur les équipements de prototypage de constater un tel niveau.

A l’inverse, les deux technologies suivantes peuvent présenter des avantages certains dans des tests fonctionnels sur des prototypes, comme par exemple dans l’électronique de puissance.

Technologie du brasage sous vide.

Cette technologie combine brasage IR et mise sous vide de la chambre de traitement pendant le processus de refusion.

Les deux principaux avantages de cette technologie sont l’inertage. Lors de la création du vide dans la chambre de traitement, il n’y a plus d’air et donc plus d’oxygène présent. On évite ainsi toute oxydation. L’autre avantage de cette technologie est la réduction des voids (ou micro-cavités). Le vide pendant la phase du liquidus assure l’absence de formation de voids. C’est la technologie qui offre la meilleure performance sur ce point. La réduction voire l’absence de voids est indispensable pour l’usage de courants forts et la fiabilité à long terme.

Illustration de la présence de voids dans un joint brasé

L’une des difficultés de cette technologie réside dans l’inertie thermique et le stress thermique engendré par l’infrarouge. La particularité de l’infrarouge est que la chaleur est transmise par des ondes lumineuses (rayon lumineux) et l’absence d’air dans la chambre de traitement implique que seules les ondes IR transmettent la chaleur. Ainsi en fonction des couleurs, de la hauteur des composants (qui créent des zones d’ombre) et de l’inertie thermique de chacun des éléments composants la carte, il est difficile d’obtenir une montée en température homogène et uniforme et de surcroît en respectant les profils thermiques des crèmes à braser. Cette technologie est sujette aux over-shoots (dépassement de la température souhaitée) pouvant endommager certains composants et à des stress thermiques (notamment divergences importantes de températures sur la carte) facilitant l’effet tombstone et pouvant aller jusqu’à entraîner des déformations mécaniques du substrat.

Illustration de l’effet tombstone

Technologie du brasage phase vapeur

Cette technologie consiste à utiliser un médium pour transmettre la chaleur à la carte électronique et ses composants. Le médium utilisé est un Perfluoropolyether (PFPE) qui se présente à température ambiante sous forme de liquide et qui a la particularité d’être inerte et d’offrir à l’état gazeux une excellente stabilité thermique. La température de la vapeur est déterminée par le medium utilisé. Un medium de grade 230 par exemple aura une température à l’état gazeux (vapeur) de 230 °C. Le Galden® est un médium très répandu pour cette technologie. Vous pouvez retrouver plus d’information sur ce produit en consultant le site : https://www.solvay.com/en/brands/galden-pfpe

Des éléments chauffant généralement de type résistance électriques sont utilisés pour chauffer le medium pour qu’il passe à l’état gazeux. La carte à braser est alors plongée dans la vapeur générée qui transfert sa chaleur à la carte pour effectuer le brasage.

Illustration du process de brasage avec un système phase vapeur avec ascenseur

Cette technologie a comme avantages principaux :

• L’inertage
• La réduction des voids.

• Réduction du stress thermique avec un delta de température entre composants incomparable aux autres technologies
• Pas d’over-shooting
• Pas d’erreur de manipulation possible pendant le cycle
• Simplicité de réglage et de mise au point du profil de refusion
• Possibilité de mettre des cartes de designs différents pendant un même cycle si une crème à braser avec une même température de liquidus (fusion) est utilisée.

Technologie combinée brasage phase vapeur et brasage sous vide.

Cette technologie consiste à essayer de tirer profit des avantages des deux technologies précédemment présentées en réalisant dans un premier temps le process du brasage phase vapeur, puis au moment du liquidus d’aspirer l’intégralité du gaz de la chambre de traitement afin d’y assurer le vide pour supprimer les éventuels voids restants.

Cette technologie offre les meilleurs niveaux de qualités des joints de brasure et de réduction du stress thermique. En raison du coût de cette technologie, elle est réservée pour le prototypage généralement aux applications les plus exigeantes qui ne supportent aucun voids.

Il s’agit d’un tableau synthétique pouvant varier en fonction des équipements utilisés, de leurs options ainsi que de l’ensemble du process (crème à braser, process de dépôt, process de placement…)