Le soudage des composants CMS

1.  Surfaces de soudage

Dès la conception du circuit imprimé, il est indispensable de tenir compte des surfaces de soudage des CMS. Elles sont dimensionnées en fonction des dimensions du composant, de  la précision de  la machine de placement et des  tolérances de fabrication du circuit imprimé. On adopte les valeurs suivantes : 


·  plan longitudinal : ± 0,3 mm
·  plan latéral, rotation possible du composant : ± 3°
·  il doit rester 0,2 mm entre le composant et l' extrémité de la plage métallisée
·  superposition minimale du composant et de la plage de soudure : 0,1 mm. 

Le tableau suivant donne les dimensions des plages de soudage pour les composants passifs :

Dimensions normales pour soudage par refusion.
En pointillés, possibilité de passage
de connexion entre les sorties du
composant.
Pour le soudage à la vague, il peut
être nécessaire d’augmenter
légèrement les surfaces. 


 Il existe des  tableaux donnant  les mêmes  renseignements pour  les composants actifs  (diodes,  transistors, circuits intégrés . . . ). 


2.  Le soudage

Pour  obtenir  des  connexions  électriques  de  qualité  et  éviter  les  courts-circuits,  le  procédé  de  soudage  revêt  une grande importance. Le type de soudage à utiliser dépend de la conception de la carte imprimée (simple face, double face. multicouche. etc.), des composants  fournis et des équipements de  fabrication. Alors que de nombreux CMS supportent  bien  le  soudage  à  la  vague,  la méthode  de  soudure  pour  les  circuits  intégrés  doit  être  parfaitement adaptée. 

Hormis  le soudage manuel, qui n' est employé dans  le montage en surface que pour  les réparations,  il existe deux procédés de soudage à la machine : le soudage au bain (à la vague, au trempé) et le soudage en refusion. 

Dans  le  soudage  au bain,  la  soudure  est  amenée  sur  le point de  connexion pendant  l'opération de  soudage  alors qu’en  refusion  le point de connexion est déjà  recouvert de  soudure. Pour cette  raison,  les conditions de  soudage sont nettement différentes dans  les deux méthodes  (p. ex. position et orientation des composants). Le soudage de certains circuits intégrés ne peut être fait qu' en refusion. 

• Le soudage à la vague 

Le  soudage  à  la  vague  est  actuellement  le  procédé  de  soudage  le  plus  utilisé  dans  la  fabrication  des  cartes imprimées. Il existe une série d' installations performantes qui conviennent pour les cas d' utilisation les plus divers.
La  température du bain est en général de 240 °C à 260 °C et  la durée du  soudage peut atteindre au maximum 5 secondes. Le flux est appliqué devant la vague par un ‘fluxer’ (dispositif d' alimentation en flux).
La forte densité de composants côté soudure de  la carte entraîne  le risque de courts-circuits et de zones d' ombres (mouillage imparfait des points de contact par la vague). Lors de la conception du circuit, une attention particulière doit être accordée au positionnement des composants.
La méthode employée  jusqu' à présent peut être améliorée par  le bain de soudage à double vague. Dans ce cas,  la première vague amène sous haute pression  la soudure sur  tous  les points à souder sans se préoccuper des courts-circuits pouvant être créés. La deuxième vague, qui suit immédiatement la première retire la soudure excédentaire et élimine les courts-circuits générés. 

•  Le soudage par refusion 

Dans  le soudage par  refusion  (en anglais  ‘reflow’)  la soudure nécessaire a  la connexion est déposée sur les points de contact, p. ex. sous forme de pâte a souder. Apres le placement des composants, la liaison est établie par fusion selon l' une des méthodes suivantes : 

·  le soudage en phase vapeur ou par condensation (Vapor Phase)
·  le soudage a l' air chaud
·  le soudage au fer
·  le soudage par infrarouge 


Le procédé de  soudage par  refusion  le plus moderne est  le  soudage en phase vapeur, également appelé soudage  par  condensation,  dans  lequel  le  composant  est  chauffé  pendant  environ  10  secondes  à  une température  bien  définie  (215  °C). On  peut  utiliser  un  poste  fixe  ou  un  système  continu. Ce  procédé consiste  à  produire  une  vapeur  de  température  bien  définie  en  portant  à  ébullition  un  liquide  inerte (neutre) (hydrocarbures fluorés spéciaux, point d’ébullition 215 °C) avec un serpentin de chauffage. Au-dessus de  la  zone de vapeur  est  installé un piège  à vapeur avec un deuxième gaz  (hydrocarbure  fluoré spécial,  par  exemple  du  fréon,  point  d’ébullition  48  °C)  et  des  serpentins  de  refroidissement  latéraux.
Cette barrière empêche que le coûteux liquide primaire ne s’échappe.
Lors  de  l' introduction  de  la  carte,  la  vapeur  se  condense  sur  toutes  les  parties  froides.  La  chaleur  de condensation provoque  l' apport momentané d' une grande quantité de chaleur uniformément  repartie  sur tous  les  composants.  En  veillant  à  une  régulation  appropriée  du  chauffage,  on  peut  assurer  une alimentation continue en vapeur. Ce procédé ne sollicite que très peu les composants car ceux-ci ne sont pas soumis à un échauffement excessif  (point d’ébullition du  liquide 215 °C) C' est  la seule méthode de soudage utilisable lorsqu'on monte des composants très rapprochés possédant une capacité calorifique très différente ou lorsqu' on ne peut pas amener une chaleur suffisante sur les points de soudure.
Le soudage à l' air chaud est une méthode économique très répandue. On peut ici recourir à un procédé à poste fixe ou en continu, avec ou sans gaz de protection. L' inconvénient réside dans le fait que le temps de chauffe  n' est  pas  constant  du  fait  des  différences  de  capacité  calorifique  des  composants.  Il  est pratiquement impossible d' adapter le profil de la température aux différentes capacités calorifiques.
Dans le soudage au fer ou par impulsion, la chaleur nécessaire au soudage est apportée aux connexions du composant  par  une  impulsion  de  courant  émise  par  un  fer  ou  par  un  poinçon.  Il  importe  avec  cette méthode que  les  connexions  soient  correctement maintenues  avant  et pendant  le  soudage de manière  à être bien appliquées sur  les contacts à souder. On utilise de préférence cette  technique pour  les boîtiers SO et Micropack.