Par Gayle Towell
Crasse La formation est une conséquence inévitable de soudage à la vague. Elle se produit lorsque la soudure en fusion entre en contact avec l'oxygène, formant des oxydes métalliques qui flottent à la surface du bain de soudure. Au fil du temps, ce sous-produit d'oxydation s'accumule et doit être éliminé pour maintenir la qualité de la soudure et la cohérence du processus. Bien que la présence de scories soit prévisible, la vitesse à laquelle elles se forment et les efforts nécessaires pour les gérer peuvent varier considérablement en fonction de plusieurs variables liées au processus et aux matériaux.
Une question fréquemment posée par les équipes de fabrication est la suivante : quelle quantité de scories est normale ? En réalité, il n'existe pas de référence universelle. Les taux de scories sont influencés par une combinaison de facteurs, notamment le processus d'alliage de la soudure, la température et l'agitation du bain de soudure, la présence de contaminants provenant de l'assemblage et l'état général de l'équipement. Ce qui peut être acceptable dans un processus peut être excessif dans un autre.
Cet article décrit les principaux facteurs contribuant à la formation de scories, examine le rôle joué par les méthodes d'affinage des alliages et explore des moyens pratiques de réduire les scories grâce au contrôle des processus et à l'optimisation des équipements. Une attention particulière est accordée à l'utilisation d'additifs tels que le phosphore et aux défis liés au maintien d'une réduction constante des scories au fil du temps.
Qu'est-ce que les scories de soudure et pourquoi se forment-elles ?
Lorsque la soudure fondue est exposée à l'air, elle réagit avec l'oxygène pour former des oxydes métalliques, principalement de l'oxyde d'étain dans la plupart des soudures électroniques. Ces oxydes, souvent combinés à des résidus organiques brûlés, flottent à la surface et forment des scories.
Si elles ne sont pas éliminées régulièrement, les scories peuvent perturber le processus, affecter le flux de soudure et compromettre la qualité des circuits imprimés.
Les scories résultent généralement d'une oxydation normale et non d'impuretés dans l'alliage. Cependant, une formation excessive ou rapide de scories peut indiquer des problèmes liés à la teneur en oxyde de l'alliage, à la température du processus ou à la turbulence.
Le taux de formation de scories est influencé par plusieurs facteurs, notamment la composition de l'alliage, la température du bain de soudure, l'agitation de la vague et la contamination provenant des cartes ou des composants.
Alliage et teneur en oxyde
La soudure en barre fabriquée à partir de métaux “ vierges ” n'est pas intrinsèquement à faible teneur en scories. Si le processus d'alliage introduit des oxydes ou ne parvient pas à les éliminer efficacement, la soudure obtenue peut présenter des taux d'oxydation similaires ou supérieurs à ceux des alliages recyclés mal traités. Les oxydes qui restent en suspension dans l'alliage contribueront directement à la formation précoce et continue de scories une fois que la soudure sera utilisée.
En revanche, les barres de soudure produites à l'aide de procédés contrôlés minimisant la formation d'oxydes ont tendance à former des scories plus lentement et de manière plus prévisible. Le facteur clé n'est pas de savoir si les métaux sont neufs ou recyclés, mais si les oxydes et les impuretés susceptibles de s'oxyder ont été correctement éliminés lors de l'alliage et du moulage.
Conditions thermiques
Température du pot de soudure est l'un des facteurs qui contribuent le plus directement à la formation de scories. Plus la température augmente, plus le taux d'oxydation augmente. Pour l'alliage eutectique Sn63/Pb37, les températures de fonctionnement typiques se situent entre 480 °F et 490 °F (environ 250 °C à 255 °C). Pour le SAC305 et les alliages sans plomb similaires, les températures du creuset sont généralement plus élevées, souvent comprises entre 500 °F et 520 °F (260 °C à 271 °C).
Le fonctionnement au-delà de ces plages peut accélérer considérablement la formation d'oxyde. Cependant, la réduction de la température du pot pour limiter les scories doit être mise en balance avec les besoins du processus, car une température trop basse peut compromettre le remplissage des trous, le mouillage et les performances globales de soudage.
Caractéristiques des vagues et agitation
L'agitation mécanique de la surface de soudure, en particulier celle provoquée par les vagues turbulentes, augmente la formation de scories. Lorsque la soudure est statique, la surface exposée à l'air est moindre et l'oxydation se produit plus lentement. Dans les systèmes qui reposent sur des vagues de puces ou qui génèrent un mouvement constant à l'interface soudure-air, la surface exposée augmente, ce qui accélère l'oxydation.
La conception de la vague, l'état de la pompe et l'utilisation des modes veille sont autant de facteurs qui déterminent la quantité de soudure exposée à l'air à un moment donné. Les systèmes équipés d'un contrôle intelligent des vagues qui réduisent l'agitation lorsqu'aucune carte n'est présente produisent généralement moins de scories au fil du temps.
Contaminants provenant des assemblages
Les circuits imprimés et les composants ajoutent à la complexité. Le cuivre, l'or, le nickel et d'autres finitions de surface peuvent se dissoudre dans le pot de soudure, modifiant subtilement le comportement de l'alliage et augmentant la formation d'inclusions intermétalliques ou d'oxyde. Les contaminants organiques, tels que les résidus de flux, peuvent également interagir avec la soudure fondue, créant des sous-produits indésirables.
Une analyse régulière du pot de soudure peut aider à identifier les niveaux croissants de contamination et à orienter les mesures correctives. Il est essentiel de maintenir les niveaux d'impuretés dans les limites recommandées par l'IPC, non seulement pour minimiser les scories, mais aussi pour garantir la fiabilité des joints.
Additifs et approches pour réduire les scories
Les efforts visant à réduire la formation de scories suivent généralement deux voies principales : modifier l'alliage de soudure lui-même ou modifier l'environnement dans lequel la soudure a lieu. Ces deux approches visent à ralentir l'oxydation et à limiter l'accumulation de matériaux inutilisables.
Pour atténuer l'oxydation et réduire les scories, certaines opérations utilisent des additifs tels que des tensioactifs pour soudure disponibles dans le commerce. Bien que ceux-ci puissent être efficaces, ils posent également des défis : maintenir un matériau supplémentaire dans le processus, garantir un dosage approprié et gérer l'instabilité potentielle ou les interactions involontaires avec l'alliage de soudure ou les contaminants.
Le phosphore comme additif réducteur de scories
Une méthode courante pour réduire les scories visibles consiste à ajouter du phosphore. Le phosphore agit comme un piégeur d'oxygène, s'oxydant de préférence avant l'étain dans l'alliage, ce qui réduit la formation de scories. Pour les fabricants qui travaillent avec des matériaux à forte teneur en oxyde, l'ajout de phosphore offre un moyen relativement simple d'améliorer l'apparence et de réduire quelque peu les déchets.
Cependant, l'utilisation du phosphore présente des inconvénients notables. Il a tendance à se déposer sur les composants en fer du pot de soudure, tels que les pompes et les déflecteurs, ce qui entraîne souvent des obstructions ou des accumulations en surface. Dans certains systèmes, ces accumulations peuvent perturber l'écoulement ou rendre les vagues instables. De plus, le phosphore est facilement éliminé du pot lors de l'élimination des scories, ce qui signifie que sa concentration peut diminuer avec le temps s'il n'est pas soigneusement surveillé et réapprovisionné.
À des concentrations élevées, le phosphore peut également nuire au mouillage. Des recherches ont montré que des teneurs en phosphore supérieures à 0,011 TP3T en poids peuvent contribuer au démouillage et à la fissuration des joints de soudure. Cela représente un risque à long terme pour les assemblages à haute fiabilité, en particulier lorsque les teneurs en phosphore ne sont pas analysées régulièrement, car l'analyse conventionnelle des pots de soudure n'inclut généralement pas cet élément.
Modification atmosphérique (inertage à l'azote)
Une autre approche consiste à réduire dès le départ la quantité d'oxygène disponible pour l'oxydation. Pour ce faire, on inertise l'environnement de soudage avec de l'azote. La réduction des niveaux d'oxygène ambiant à 50-100 ppm ralentit considérablement la vitesse de formation d'oxyde et, par extension, l'accumulation de scories.
Il a été démontré que l'inertage à l'azote réduit la production de scories jusqu'à 90% dans certains systèmes de soudage à la vague. Il améliore également le mouillage en réduisant la tension superficielle de la soudure fondue. Cependant, ces avantages s'accompagnent d'une complexité accrue : les systèmes d'inertage nécessitent une infrastructure de traitement des gaz, des équipements de contrôle du débit et, dans certains cas, des modifications de la machine à souder elle-même.
Réduire les déchets grâce à la stabilité des processus
Dans de nombreux cas, le moyen le plus efficace de réduire les scories n'est pas d'ajouter quelque chose de nouveau, mais de contrôler ce qui est déjà en place. Le maintien d'une température adéquate du pot de soudure, la réduction des turbulences de la vague et le bon état mécanique de l'équipement peuvent tous avoir un impact significatif sur les niveaux de scories. De plus, veiller à ce que les assemblages soient propres et compatibles avec l'alliage de soudure utilisé permet de réduire l'introduction de matières étrangères susceptibles de favoriser l'oxydation.
Les formulations avancées de soudure en barre fabriquées avec une faible teneur en oxyde en suspension, plutôt que celles qui reposent sur des traitements chimiques post-production, ont tendance à présenter un comportement à long terme plus stable en ce qui concerne les scories. Ces matériaux sont moins réactifs, moins sujets à la régénération d'oxyde pendant leur utilisation et généralement plus faciles à entretenir sur des cycles de production prolongés.
Gestion des scories et état du pot de soudure
Même dans des conditions optimales, la formation de scories est inévitable. C'est pourquoi il est essentiel d'entretenir régulièrement le pot de soudure et les équipements environnants. Une gestion efficace des scories ne consiste pas seulement à éliminer l'oxyde en surface, mais aussi à surveiller les niveaux de contamination, à identifier les premiers signes d'instabilité et à maintenir des paramètres de fonctionnement constants.
Élimination des scories et conditionnement des équipements
L'élimination des scories doit être effectuée avec précaution afin d'éviter d'enlever une quantité excessive d'alliage de bonne qualité en même temps que la couche d'oxyde. Dans certains cas, en particulier après un changement de soudure ou lorsque de la nouvelle soudure en barre est ajoutée, les oxydes résiduels ou les accumulations à la surface des parois du pot, des arbres de pompe ou des déflecteurs peuvent se mélanger à nouveau à la soudure. Une période de “ rodage ” contrôlée, pendant laquelle le pot de soudure est maintenu à température de fonctionnement dans un état statique pendant toute une nuit, peut aider à stabiliser et à séparer les oxydes en suspension de la nouvelle charge de soudure.
Après cette étape de conditionnement, un enlèvement minutieux mais délicat des scories accumulées permet de stabiliser le pot et de réduire le risque d'oxydation prématurée lors du démarrage.
Analyse du pot de soudure et intégrité de l'alliage
Si les scories sont un indicateur visible de l'oxydation, de nombreux changements chimiques se produisent dans le bain de soudure bien avant qu'ils ne soient perceptibles à la surface. Une analyse régulière du pot de soudure, généralement effectuée tous les mois ou tous les trimestres, permet de mieux comprendre l'accumulation de contaminants tels que le cuivre, l'or, le zinc, l'aluminium et le fer. Ces éléments peuvent pénétrer dans le pot à partir des terminaisons des composants, du placage des cartes ou même de l'alliage lui-même.
Des normes telles que IPC J-STD-001 et IPC J-STD-006 définissent les niveaux acceptables pour ces contaminants. Le dépassement de ces limites peut entraîner toute une série de problèmes, notamment :
- Réduction du mouillage ou de l'écoulement
- Défauts des joints (par exemple, vides ou remplissage incomplet)
- Modifications du comportement de fusion des alliages de soudure
Dans les systèmes sans plomb, des éléments tels que le nickel et le bismuth sont particulièrement préoccupants en raison de leur faible solubilité et de leur effet sur la formation intermétallique. Lorsque les niveaux de contaminants approchent les valeurs seuils, les mesures correctives peuvent inclure la dilution avec un alliage neuf, l'élimination des scories à forte teneur en contaminants ou, dans les cas plus graves, le vidage complet du pot et sa recharge.
Programmes de recyclage et de récupération des scories
Étant donné que les scories contiennent une quantité importante de métal utilisable, le recyclage est un élément important du contrôle des coûts dans les opérations de soudage à la vague. Une bonne gestion programme de récupération permet aux fabricants de récupérer la valeur de ce qui serait autrement considéré comme des déchets. Les scories collectées peuvent être traitées par des services spécialisés dans la récupération des métaux afin d'en extraire la soudure réutilisable, qui est ensuite créditée ou restituée sous une forme utilisable.
Alors que certaines installations tentent de mettre en œuvre systèmes de recyclage internes— telles que les équipements de réduction des scories sur site — ces installations peuvent poser de nouveaux défis. Dans de nombreux cas, ces systèmes reposent sur des traitements chimiques ou thermiques qui génèrent des fumées, augmentent les besoins en maintenance ou introduisent une variabilité dans la soudure récupérée. S'il n'est pas étroitement contrôlé, le recyclage interne peut entraîner une qualité inégale des alliages et des risques de contamination.
Pour la plupart des opérations, travailler avec un partenaire externe qualifié dans le domaine de la récupération offre une solution plus cohérente et plus rentable, garantissant que la soudure récupérée répond aux normes de qualité et minimisant les perturbations du processus de production.
Conclusion
La formation de scories est inhérente au soudage à la vague, principalement due à l'oxydation à la surface de la soudure. En fin de compte, un contrôle constant du processus, un choix approprié des alliages et un entretien régulier constituent le moyen le plus fiable de minimiser les scories et de préserver la qualité de la soudure. Un système de soudage bien géré ne se contente pas de réduire le gaspillage de matériaux, il favorise également la stabilité à long terme, la fiabilité des produits et l'efficacité de la fabrication.
Publié à l'origine dans Circuitnet