LIVRET TECHNIQUE PROCEDE DE REFUSION PAR PHASE VAPEUR

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1 LIVRET TECHNIQUE PROCEDE DE REFUSION PAR PHASE VAPEUR Fours de refusion par Phase Vapeur

2 Procédé de refusion par phase vapeur: principes de fonctionnement 235 C 1. Les cartes sont déposées sur un panier support. L ensemble est amené dans la vapeur. Il peut être préchauffé par la zone supérieure de la phase vapeur. L utilisation de la préchauffe améliore la qualité des soudures et permet la libre formation des profils de température. 235 C 2. L ensemble plonge dans la vapeur. Grâce à un procédé breveté, l utilisateur peut contrôler la dynamique de montée en température (transfert thermique de l ensemble). 3. La vapeur se condense sur le PCB et transfère sa chaleur. Puisque la vapeur est une chimie inerte, elle forme une atmosphère gazeuse inerte avec 0ppm d oxygène. Cette opération s effectue automatiquement sans utilisation d azote. 235 C 4. L ensemble peut monter à une température maximale qui égale la température de la vapeur. Cette température ne peut pas être dépassée même si l ensemble reste très longtemps dans la vapeur. Par conséquent aucune surchauffe des cartes n est possible. 5. Après la sortie de la phase vapeur, il y a encore du fluide condensé sur la carte. En raison de la chaleur latente de l ensemble, le liquide s évapore et un ensemble sec sort de la machine. 2

3 Les avantages de la refusion ou brasage par phase vapeur - Brasage plomb/sans plomb de qualité supérieure (transfert de chaleur homogène, pas de T, températures de brasage minimum sans joints froids, ) - Facilité de mise en œuvre et faible encombrement (souplesse d utilisation, paramétrage rapide, changements de production instantanés sans temps d attente, vision du procédé) - Brasage sans plomb à C seulement! (pas de surchauffe des composants, 1 seul fluide caloporteur pour brasage plomb (max 215 C)/sans plomb, pas de délamination des PCB) - Atmosphère gazeuse 100 % inerte sans utilisation d azote (pas d oxydation, meilleure qualité de mouillage des soudures) - Brasage sans void avec la gamme VAC équipée de vide (du fine-pitch jusqu à des zones larges de brasage) - Compatible tous composants et PCB notamment complexes et à très forte masse thermique (FR4/polyimides, multi-couches, céramiques, SMI, IGBT, LGA, BGA, LED, masses importantes, blindages, ferrites, transfos ) - Du prototypage à la production grande série (équipements disponibles en batch et en ligne pour mass-production) - Système de refroidissement rapide breveté (RCS) (phase liquidus/solidus - réduction des intermétalliques) - Coûts de production très réduits et maintenance minime (consommation électrique de seulement 0.9 à 4.9 kwh selon la machine, 1 maintenance annuelle par shift) 3

4 Le brasage par phase vapeur = un procédé simple Une température de brasage optimum: Température maximum du liquide = point d ébullition du liquide Point d ébullition du liquide = température maximum de la vapeur (Gamme de liquide selon type de brasage de 55 C à 260 C ) - Le point d ébullition du liquide détermine la température maximale de tout le processus. - Seul 1 paramètre détermine la température maximale de tout le processus. - Compatible Plomb et sans Plomb PCB Air 50 C Vapeur à une température maximum de 235 C 4

5 Synoptique fonctionnel d un profil thermique en phase vapeur Spécifications techniques requises: 1 Montée en température douce (< 2K/sec) jusqu à 150 C 2 Plateau de préchauffage à env. 60 C en dessous du liquidus (150 C) 3 Montée en température douce (< 2K/sec) jusqu à la température de brasage (235 C) 4 - Temps au dessus du liquidus < 60 sec. 5 Refroidissement contrôlé < 4K/sec. Profil réalisé: Soft SVP disponible dans la série Premium et fours en ligne Pente en K/Sec du profil réalisé 5

6 Transfert thermique comparé selon les technologies Pouvoir calorifique des différents moyens de production Phase vapeur, Convection, Infrarouge: Le transfert thermique est 6 à 10 fois supérieur en phase vapeur qu en convection ou infrarouge. Coefficient de transfert thermique Wm-²K- ¹ Infrarouge Convection Phase vapeur Contact 4000 Préchauffe Pic Air statique 5m/s 5-20m/s Avantages: La phase vapeur permet de traiter autant les PCB standards que les composants et/ou PCB à très fortes masses thermiques (FR4/polyimides, multi-couches, céramiques, SMI, IGBT, LGA, BGA, LED, masses importantes, blindages, ferrites, transfos ). Cette technologie permet également d effectuer des assemblages mécaniques et/ou mécatroniques. 6

7 Homogénéité du transfert thermique: exemple du BGA Comparaison de l échange thermique en Convection forcée et en Phase vapeur: Transfert de chaleur avec la technologie Convection forcée: Le transfert de chaleur ne s effectue pas de façon homogène en raison des coefficients de conduction des différents matériaux, et ne s effectue pas sur l ensemble de la carte (l air chaud ayant des difficultés à pénétrer de façon homogène entre les billes). Transfert de chaleur avec la technologie Phase Vapeur: La vapeur se diffuse au dessus et au dessous du BGA. Le transfert thermique s effectue sur l ensemble de la carte. Par conséquent: - Excellent transfert de température. - Le delta de température est proche de 0 C. 7

8 Les inconvénients des procédés de brasage standards sans plomb Problèmes thermiques: Les températures excédant 235 C augmentent fortement le risque de dégradation de la carte ou des composants. Joints froids ou non soudés: Une conduction thermique limitée augmente le risque d insuffisance du transfert thermique spécialement sur les joints cachés. 300 Required ΔT C 200 Popcorning 100 Joint froid ( bille BGA) 0 Air Temperature Damage Temperature Lead-Free Solder Temperature Schéma transfert de chaleur Surchauffe thermique d une bille de BGA Joint froid (L-leaded package) Trop chaud Température Trop froid 8

9 Les inconvénients des procédés de brasage standards sans plomb (suite) Problèmes de mouillage: Les propriétés réduites de mouillage des soudures sans plomb nécessitent une atmosphère gazeuse pendant la refusion. Non Wetting of BGA ball Bad Wetting of rectangular component Non Wetting of L-leaded package Bad Wetting of L-leaded package N 2 coverage L utilisation d azote dans les procédés de refusion standards augmente considérablement les coûts de production. 9

10 Transfert thermique sur BGA et effet Popcorn Difficulté de brasage des BGA: l effet Popcorn Les plastiques sont hygroscopiques. Par conséquent l humidité s infiltre à l intérieur de la masse moulée du BGA. Pendant le brasage, la pression de l eau sous forme de vapeur à l intérieur peut augmenter. Ceci peut causer le décollement du substrat, appelé «effet Popcorn». Les températures supérieures à 210 C sont connues comme de plus en plus critiques. L effet Popcorn est difficilement détectable puisqu il se passe en dessous du BGA. Avec la soudure en phase vapeur le risque d effet Popcorn est minimisé. 10

11 Pression dans les composants sous l effet de la chaleur Le risque d effet Popcorn s accroit avec l augmentation de la pression. La refusion par phase vapeur diminue le risque d effet Popcorn (pression plus faible à 235 C). 11

12 Inconvénients des fours de brasage standards Encombrement : Pour éviter les fissures dans les soudures et pour permettre une montée en température douce, les fours à air chaud sont de plus en plus imposants (augmentation nécessaire du nombre de zones). Four phase vapeur seulement 2 m² Four à air chaud de 9 à 20 zones Coûts d énergie: Solder Crack in L-leaded package Solder Crack in J-leaded package De plus hautes températures, un nombre de zones croissant ainsi que l utilisation requise d azote augmentent considérablement la consommation d énergie déjà élevée des moyens standards. Consommation d énergie max. Convection Selon modèles >>20kWh Phase Vapeur Selon modèles kWh Coûts de réparation: Les hautes températures et les longs temps de séjour induisent des dommages sévères sur les composants et les circuits imprimés. Les différents problèmes rencontrés (mouillage de brasage, effet Popcorn, etc) augmentent les taux de rebus et donc les coûts de production. T >> 250 C Process de réparation sous air chaud 12

13 Comparatifs de profils de brasage PCB sans complexité thermique: Pics de température selon les procédés: Phase vapeur: C Convection: C La température de brasage en phase vapeur est inférieure à celle induite par la convection grâce à l homogénéité du transfert thermique et à la température maximale limitée. PCB à forte masse thermique: 1,2K/s 0,4K/s Profil d un PCB céramique mettant en évidence une différence de pente importante entre les 2 procédés et une température insuffisante de refusion dans la convection. 13

14 Exemples de profils thermiques réalisés dans des fours phase vapeur Profil linéaire typiquement utilisé en brasage phase vapeur Process plomb (max 215 C) avec un liquide sans plomb (235 C) 14

15 Exemples de profils thermiques réalisés dans des fours phase vapeur Profil anti-tombstone: La réduction du gradient avant liquidus évite l effet tombstone Profil pour de grosses masses thermiques: Réduction du T à 0 C pour diminuer la contrainte sur les composants à la température la plus basse (palier). 15

16 Exemple de profils réalisés sur équipements phase vapeur : autres applications La vapeur mouille le produit à polymérisation par condensation. Ceci a pour effet d améliorer l échange thermique et d abaisser le point de transition vitreuse du polymère. Le temps de polymérisation pour les résines passe de quelques dizaines de minutes à quelques minutes, voire quelques secondes. Ceci permet une amélioration de la productivité sur un poste constituant un goulot d étranglement dans le process. Le brasage sans plomb nécessite des températures de brasage plus élevées. Un refroidissement rapide devient donc nécessaire pour garantir une structure de joint fine et solide. 16

17 Retour d expérience Résolution problématiques clients Delta de température: trop important entre les composants sur un PCB à forte masse thermique 3 thermocouples (positions 1, 2 et 3) Brasage: SnAg3.5 Profils thermiques linéaire Convection: 9 zones T= 30 C Température max: 260 C PROBLEME : Grande différence de températures entre les composants, qui induit stress, surchauffe et structure fragile Phase vapeur (modèle SV260) T= 0 C Température max: 230 C BONS RESULTATS : Excellente homogénéité, qualité des joints de soudure optimale 17

18 Retour d expérience Résolution problématiques clients Structure métallurgique de joints trop fragiles: Four à air chaud 60s à 250 C Four phase vapeur 30s à 230 C Agrégats d argent localisés. L argent mal mélangé forme des îlots. Apparition de gros cristaux. PROBLEME : Fines dentrites d or en suspension dans l alliage: structure désordonnée. Structure homogène. L argent est dispersé en fins modules. RESULTATS : Structure moins fragile et moins cassante. 18

19 Retour d expérience Résolution problématiques clients Brasage d un PCB complexe Objectif: réduire le T à 0 C pour moins de stress sur les composants, tout en limitant la température maximum de refusion à 240 C. PCB double face avec des BGA Brasage SnAg3.5 Profils thermiques avec palier de préchauffage Convection: 10 zones T= 12 C Température max: 250 C PROBLEME : BGA non soudés Coûts supplémentaires de réparation Phase vapeur (modèle CX 800) T= 0 C Température max: 235 C BONS RESULTATS : Pic de refusion < 240 C, homogénéité parfaite. 19

20 Brasage phase vapeur sous vide - suppression des voids Crèmes à braser et voids VOID Crème sérigraphiée Crème en refusion Crème refusionnée Tests de caractérisation de voids (zones de refusion 10 x 10 mm²) Brasage standard sans vide Profil de brasage optimisé pour réduire les voids (sans vide) Brasage sous vide à 50 mbar Brasage sous vide à 20 mbar 20

21 Retour d expérience Résolution problématiques clients Réduction des voids grâce à la phase vapeur sous vide avant après Composants avec boitiers sensibles à l humidité: bons résultats avec un vide < 20 mbar avant après Larges zones de refusion - habituellement beaucoup de voids - réduction des voids significative même en cas de fortes épaisseurs de crème - bons résultats avec une pression < 20 mbar - 21

22 IBL: une gamme adaptée à toutes vos applications 22

23 Dimensions de cartes selon les modèles: Réf. Four tailles cartes max. L x l x h MiniLab SV260 SV x 275 x 80 mm 300 x 260 x 80 mm 560 x 360 x 80 mm SLC/BLC Version batch SLC309 SLC509 SLC609 SLC809 BLC509 BLC609 BLC x 350 x 80 mm 550 x 350 x 80 mm 650 x 350 x 80 mm 850 x 350 x 80 mm 550 x 540 x 80 mm 650 x 540 x 80 mm 850 x 540 x 80 mm SLC/BLC Version en ligne SLC509 SLC609 SLC809 BLC509 BLC609 BLC x 307 x 50 mm 640 x 307 x 50 mm 840 x 307 x 50 mm 540 x 400 x 50 mm 640 x 400 x 50 mm 840 x 400 x 50 mm VAC Version batch VAC645 VAC x 440 x 70 mm 635 x 640 x 70 mm VAC Version en ligne VAC645 VAC x 400 x 50 mm 635 x 400 x 50 mm CX Version batch CX600 CX x 646 x 80 mm 680 x 826 x 80 mm CX Version en ligne CX x 305 x 50 mm CX x 500 x 50 mm 23

24 Pour toutes questions, nous sommes à votre écoute! MiniLab SV 260 CX 800 SV 360 BLC 509 VAC 665 SLC/BLC Inline 8 chemin de Malacher - inovallée Meylan - France Tel Fax electronique@pyrox.fr 24