Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi la température de la panne du fer à souder ou du four de refusion doit être supérieure au point de fusion de l'alliage de soudure lui-même ? Si la pointe du fer à souder SAC305 fond entièrement à environ 220°C, pourquoi fixons-nous le pic de refusion ? températures 20 degrés de plus ? Pourquoi la pointe du fer à souder est-elle portée à 350°C ?
À première vue, cela peut sembler excessif. Mais une fois que l'on comprend la thermodynamique qui sous-tend le brasage, cela devient tout à fait logique. Tout se résume à la façon dont la chaleur se déplace et à la quantité de chaleur perdue avant d'arriver là où elle doit aller.
Le rôle des économies d'énergie
Lorsqu'une source de chaleur touche une surface, tout n'atteint pas instantanément la même température. L'augmentation de la température d'un objet prend du temps et de l'énergie. La chaleur doit circuler dans l'objet jusqu'à ce qu'elle s'accumule suffisamment pour provoquer un changement.
Considérez la source de chaleur comme un robinet qui déverse de l'énergie thermique au lieu de l'eau. Le fait de l'ouvrir ne remplit pas instantanément un seau. La vitesse à laquelle le seau se remplit dépend du débit, de la taille du seau et de la quantité qu'il peut contenir. Imaginons maintenant que le seau fuit : une partie de l'eau s'échappe constamment dans l'environnement.
C'est essentiellement ce qui se passe pendant la soudure. La chaleur n'apparaît ni ne disparaît, elle se redistribue simplement dans le système. Selon la loi de la conservation de l'énergie, chaque parcelle de chaleur que nous appliquons est distribuée quelque part dans le système. La soudure, les composants, le circuit imprimé et l'air ambiant absorbent et partagent tous cette énergie à des rythmes différents.
C'est pourquoi nous ne nous contentons pas de chauffer jusqu'au point de fusion, nous le dépassons. C'est comme essayer de remplir un seau qui fuit : un flux lent ne le remplira peut-être jamais, mais un flux plus rapide peut compenser la perte. Les degrés supplémentaires servent le même objectif. Ils compensent les pertes de chaleur dues à l'environnement et aux matériaux. Et plus les matériaux sont gros ou conducteurs, plus ils évacuent la chaleur du joint, ce qui en laisse moins pour la soudure elle-même.
Le rapport entre Newton et la soudure
La loi de Newton sur le refroidissement indique que la vitesse à laquelle un objet change de température est proportionnelle à la différence entre sa température et celle de son environnement. En d'autres termes, plus la différence de température est importante, plus la chaleur se transmet rapidement.
Dans le contexte du brasage, l'"objet" que nous essayons de chauffer est l'alliage de soudure et, peut-être plus important encore, la surface sur laquelle il est censé être mouillé, comme une pastille de circuit imprimé ou un fil de composant. Ces surfaces sont généralement à température ambiante ou légèrement élevée, alors que la pointe du fer à souder ou l'air de refusion sont beaucoup plus chauds. Plus l'écart de température est important, plus la chaleur pénètre rapidement et efficacement dans le joint.
Nous dépassons donc délibérément le point de fusion pour garantie suffisamment d'énergie thermique pour pénétrer dans la soudure et les matériaux environnants, assez rapidement pour déclencher la refusion avant que la chaleur ne soit perdue ailleurs.
Pourquoi la pointe du fer à souder doit-elle être beaucoup plus chaude que le point de fusion de l'alliage ?
Lorsque vous placez un fer à souder sur une pastille, vous n'essayez pas seulement de faire fondre un peu d'alliage. Vous essayez de transférer suffisamment d'énergie à l'ensemble de la masse thermique du joint. Cela inclut la pastille de cuivre, le fil du composant, le trou traversant plaqué et tous les plans ou vias en cuivre à proximité qui agissent comme des dissipateurs de chaleur.
Tous ces matériaux éloignent la chaleur de la zone du joint. Par conséquent, à moins que la pointe du fer ne soit nettement plus chaude que le point de fusion de la soudure, la chaleur n'entrera pas assez rapidement pour obtenir un joint complet, humide et fiable.
C'est pourquoi les températures des pointes de fer sont généralement comprises entre 315°C et 370°C, en fonction de l'alliage et de l'application. Cette marge nous donne le gradient dont nous avons besoin pour surmonter les pertes de chaleur et pousser le joint au-delà de sa température de liquidus de manière rapide et cohérente.
La science derrière les températures maximales des fours de refusion
Les fours à refusion sont encore plus précis. Lorsque nous fixons un profil de refusionEn ce qui concerne le chauffage, nous prévoyons un chauffage progressif, une courte période d'immersion, puis un pic rapide. Mais ce pic est critique. Il est intentionnellement fixé bien au-dessus du point de fusion de la soudure.
Pourquoi ? Parce que l'ensemble de la carte doit absorber suffisamment de chaleur pour que chaque joint de soudure puisse être refondu. La masse et la conductivité thermique des composants varient, et l'atmosphère du four (air ou azote) n'est pas efficace à 100%. De plus, la carte perd constamment de la chaleur dans son environnement.
Si nous ne visions que 220°C dans le four, la soudure ne fondrait jamais. En visant un pic de 235°C à 250°C, nous tenons compte de toutes ces variables et garantissons un mouillage homogène sur l'ensemble de la carte.
La dynamique des fluides de la brasure en fusion à haute température
Une fois que la soudure a franchi son point de fusion, elle ne se contente pas d'être un produit de consommation. fondre-Elle se transforme. Comme tout liquide, le comportement de la brasure en fusion est influencé par la température, et ces changements peuvent avoir un impact sur le mouillage et la qualité finale du joint.
Lorsque la brasure chauffe au-dessus de son point de fusion, sa viscosité diminue, ce qui signifie qu'elle s'écoule plus facilement. Cet écoulement amélioré peut aider l'alliage à mieux remplir les espaces, à enrober les fils et à se conformer aux surfaces des pastilles, en particulier dans les trous traversants ou les joints SMT complexes. Une température plus élevée réduit également légèrement la tension superficielle, ce qui permet à la soudure de mieux "mouiller" les surfaces avec lesquelles elle entre en contact.
Cependant, il y a un compromis à faire.
Pousser la soudure à trop haute température pendant trop longtemps peut augmenter le risque d'oxydation, de croissance intermétallique et d'endommagement des composants. Si la température est trop basse, vous risquez de ne pas obtenir un mouillage complet ou une refusion complète. Il existe une fenêtre thermique étroite où la soudure est la plus efficace - suffisamment chaude pour se comporter de manière optimale en tant que fluide, mais pas trop chaude pour ne pas commencer à dégrader les performances ou la fiabilité.
Implication pratique : Des articulations fiables et des résultats cohérents
En fin de compte, comprendre le transfert de chaleur dans le brasage n'est pas seulement une question de physique, c'est aussi une question de fiabilité. Tout bon joint est le résultat d'un équilibre réussi entre le transfert d'énergie, la compatibilité des matériaux et la synchronisation.
En appliquant intentionnellement une chaleur bien supérieure au point de fusion, nous.. :
- Assurer une refusion complète sur une variété de types de cartes et de composants
- Surmonter les effets de masse thermique et de dissipation de chaleur
- Maximiser le mouillage et la résistance des articulations
- Minimiser les défauts comme les joints froids, le vide ou les filets incomplets
Et nous faisons tout cela en travaillant contre la montre. La chaleur essaie toujours de s'échapper - des composants, de la carte, de l'air qui nous entoure. Plus nous comprenons et contrôlons ce processus, meilleurs sont les résultats.
Réflexions finales
La prochaine fois que vous allumerez un fer à souder ou que vous vérifierez un profil de refusion, ne pensez pas seulement à atteindre un chiffre. Pensez plutôt à pourquoi ce nombre a de l'importance. Il ne s'agit pas de force brute. C'est une question de précision, de planification et de physique.
Le brasage est un processus thermique et, comme tout processus thermique, il est régi par les lois du transfert de chaleur. La loi de Newton sur le refroidissement peut sembler théorique, mais en pratique, elle permet d'expliquer presque tous les défis et toutes les réussites que nous observons aujourd'hui dans le domaine de l'assemblage.
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