Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

How-To Tuesday: Soudure en surface

Photographie de Pat Molner

Soudure en surface

Techniques de fabrication de circuits modernes.

Par Scott Driscoll

Lorsque les téléphones cellulaires étaient rangés dans des mallettes, les composants électroniques fabriqués disposaient de câbles faciles à souder. Les téléphones se rangent désormais dans des poches et les plus petits périphériques montés en surface à l'intérieur sont en train de conduire à l'extinction de composants traversants.

Les SMD peuvent coûter moins cher que leurs équivalents classiques, et de nombreux nouveaux appareils, y compris la plupart des accéléromètres, sont uniquement disponibles au format SMD.

Si vous concevez des cartes de circuit imprimé, utiliser SMT (technologie de montage en surface) et placer les composants des deux côtés les rend moins chères et moins chères. Cela n’importe peut-être pas sur un robot, mais cela aide un projet à s’intégrer dans un moule à la menthe ou à suspendre un cerf-volant.

Les CMS sont conçus pour permettre à des machines précises de s'assembler en masse sur des PCB très compacts. Leurs minuscules pistes peuvent sembler impossibles à manipuler, mais il existe plusieurs méthodes peu coûteuses qui ne nécessitent pas de station de soudage SMT professionnelle de 1 000 $ et plus. UNE"

Outils

Photographie de Scott Driscoll

Ce dont vous avez besoin dépend de ce que vous faites et de son importance (voir l'article).

  • [A] Station de soudure
  • [B] stylo-feutre, flacon pinceau ou à aiguille Flux
  • [C] Pince coupante
  • [D] Soudure
  • [E] Lingettes non pelucheuses
  • [F] Plaque chauffante ou chauffe-pot ou poêle
  • [G] Outil de gaufrage thermique d'un magasin d'art
  • [H] pics dentaires
  • [I] ramassage sous vide
  • [J] Brucelles
  • [K] hémostatique
  • [L] pâte à souder
  • [M] Kit de retrait Chip Quik SMD
  • [N] PanaVise
  • [O] Marqueur indicateur de température ou thermocouple
  • [P] four grille-pain
  • [Q] Loupe ou loupe allumée
  • [R] pinceau acide
  • [S] Tresse à dessouder
  • [T] Nettoyant à pointe sèche ou éponge
  • [U] alcool isopropylique
  • [V] Microscope à zoom stéréo, 30x
  • [W] Station d'air chaud

[PAS MONTRÉ]

  • Panne à souder
  • Couteau X-Acto
  • Pochoir Mylar
  • Petite raclette

FORFAITS SMD TYPIQUES

  • [a] QPF208
  • [b] QPF44
  • [c] PLCC
  • [d] SOIC
  • [e] Condensateur électrolytique
  • [f] SOT23
  • [g] QFN
  • [h] Condensateur au tantale
  • [i] 805 résistance
  • [j] 603 résistance
  • [k] 402 résistance

Fers à repasser, air chaud et fours à pain

Nous allons examiner 3 méthodes de soudage SMD. Les composants les plus faciles ont des pieds ou d’autres contacts accessibles qui reposent à plat sur les pads du tableau. Ceux-ci, vous pouvez vous connecter avec un fer à souder. Une simple pression sur la pointe et un peu de soudure couleront naturellement sous le pied et établiront la connexion. C'est la magie de la soudure SMD - l'action capillaire fait le gros du travail à votre place.

Les autres packages SMD ont leurs contacts sur le dessous, hors de portée. Vous pouvez les souder de 2 manières: individuellement, en utilisant de la pâte à braser et un jet d’air chaud, ou en masse en plaçant tous les composants sur le tableau avec une pâte à souder entre chaque contact et son plot, puis en chauffant le tableau sur une poêle. ou dans un grille-pain pour «refondre» le plateau (faire fondre la pâte) et effectuer toutes les connexions.

SOUDURE SMD BASIQUE

Chaque méthode a ses propres outils et fournitures. Voici ceux dont vous aurez besoin pour souder au fer les CMS les plus simples: résistances, condensateurs et boîtiers de circuits intégrés à circuits intégrés.

>> Les pincettes industrielles à pointe fine vous permettent de saisir et d'aligner de petits composants. Les hémostatiques, les pics dentaires (pour la fixation de fils courbés) et un couteau X-Acto sont également utiles.

>> Flux est la sauce secrète dans la soudure en surface. Il élimine les oxydes des connexions afin que la soudure puisse s'y coller, et aide également à répartir la chaleur. Lors du soudage traversant normal, vous chauffez le joint avec un fer à repasser, puis vous le faites fondre, ce qui permet au flux dans le noyau de la brasure de fondre et de nettoyer le joint. Avec la soudure montée en surface, la soudure est souvent fondu sur le fer puis transféré au joint - un péché mortel en brasage régulier. Le flux a tendance à s'évaporer pendant ce transfert, vous devez donc ajouter davantage à la connexion directement. Flux existe en 3 types de récipients: stylo-feutre, flacon pinceau et flacon à aiguille.

>> Vous pouvez souder tous les composants, à l'exception des pics les plus fins, à l'aide d'une loupe éclairée et vous pouvez utiliser une loupe à 10 $ avec un grossissement de 10x. Si vous envisagez de faire beaucoup de travail SMD, procurez-vous un microscope stéréoscopique à zoom avec un grossissement jusqu’à 30 fois (essayez eBay).

>> Je recommande l’achat d’une station de soudage à température contrôlée d’au moins 50 watts, qui coûtera probablement entre 50 et 120 dollars. Un fer 15W bon marché fonctionnera sur certaines choses, mais sera plus lent et plus frustrant. Un bon fer à souder est particulièrement important si vous utilisez une soudure sans plomb, qui nécessite une chaleur plus élevée.

>> Les stations de soudage incluent une éponge, mais un nettoyant à pointe sèche vous permet de nettoyer une panne sans baisser sa température.

>> La sélection des pannes à souder est une question de préférence personnelle. Je préfère un petit burin ou une pointe de tournevis de 0,8 mm (1/32 ″) car il peut contenir un peu de soudure à son extrémité. Je ne recommande pas les pointes plus petites que 0,6 mm, car la soudure a tendance à s’éloigner de la pointe. Les pointes biseau / bêche / sabot sont conçues pour contenir une petite boule de soudure à la fin, ce qui est utile pour la technique de brasage décrite plus loin.

>> Utilisez des soudures à noyau fondant de 0,02 ″ ou 0,015 ″ de diamètre. Pour bien comprendre SMT, je vous recommande de commencer avec une soudure à base de plomb, qui est légèrement plus facile à utiliser.

>> La tresse ou la mèche à dessouder est un fin maillage de fils de cuivre que vous pouvez utiliser pour éliminer les excès de soudure.

>> Pour retirer des SMD sans station d’air chaud et de nombreuses buses spéciales, utilisez le kit d’enlèvement Chip Quik SMD (article # SMD1, 16 $ de chipquik.com). Le kit contient un métal à bas point de fusion qui, lorsqu'il est mélangé à la brasure existante, le fait fondre pendant quelques secondes - suffisamment longtemps pour que le composant se détache rapidement.

>> Un petit étau tel qu'un PanaVise.

Installer une résistance 1206

Nous sommes maintenant prêts à installer une résistance à montage en surface. Notez que l'élément résistif d'une résistance SMT est exposé et coloré, et qu'il doit être orienté vers le haut pour dissiper la chaleur. Le nombre 1206 signifie que le paquet mesure 0,12 ″ Ã — 0,06 ″. Un paquet 603 correspond à 0,06 "à — 0,03" et ainsi de suite. Commençons.

1. Ajoutez du flux aux tampons (Figure A). Cela peut ne pas être nécessaire pour les 1206, mais est utile pour les 603 et 402, où la fusion du fil de soudure directement sur la connexion risque de se déposer de manière excessive. Une pointe légèrement étamée peut fournir toute la soudure nécessaire. En règle générale, si vous faites fondre du fil de soudure directement sur une connexion, vous n’avez pas besoin de flux supplémentaire, mais si vous portez de la soudure sur le joint avec un fer à repasser, c’est le cas.

2. Ajoutez une petite quantité de soudure à 1 des 2 pastilles (Figure B).

3. Utilisez des pincettes pour maintenir le 1206 en place tout en touchant la jonction entre la puce et le tampon avec le fer. Vous devriez sentir la puce tomber en place lorsque la soudure se liquéfie en dessous (figure C).

4. Souder l'autre côté en tenant le fer afin qu'il touche la puce et la carte et en ajoutant une petite quantité de soudure (Figure D).

Installer un QFP (Package Quad Flat)

Les QFP sont des paquets de circuits intégrés carrés avec des pistes tout autour. La distance entre les dérivations, appelée pas, est généralement de 0,5 mm ou 0,8 mm, mais certaines sont de 0,4 mm.

1. Flux les pads (Figure E).

2. Alignez le QFP sur ses coussinets avec des pincettes ou des pics dentaires (Figure F).

3. Ajoutez une petite goutte de soudure à la pointe du fer. Cette partie est la clé: vous voulez qu’une petite goutte retombe au bout (Figure G).

4. Fixez un coin en faisant glisser la pointe étamée contre le bout de la sonde (Figure H). La soudure devrait rapidement passer sous la tête. Vérifiez l'alignement et fixez un coin opposé. Parfois, j'ajoute plus de flux sur les pistes après le virement de bord.

5. Continuez à toucher les orteils des fils avec le fer à repasser pour compléter la puce. Vous devriez être capable de souder plusieurs fils avec 1 charge de soudure sur la pointe. Avec de la pratique, vous pouvez faire glisser lentement la pointe sur les pieds et «souder-glisser» une rangée entière en une seule passe (Figure I).

6. Utilisez la loupe pour vérifier s'il y a des ponts et suffisamment de soudure (Figures J et K).

7. Supprimez toutes les connexions court-circuitées ou pontées en touchant les broches avec une pointe de fer propre ou en appliquant une mèche de soudure (Figure L).

Alternativement, il existe la méthode «flood and wick», qui consiste à inonder toutes les pistes de soudure, puis à enlever les ponts à l'aide de mèche. La tension superficielle retient de la soudure sous les mines, même après la mèche. Je n'aime pas argumenter contre quelque chose qui fonctionne, mais les professionnels du secteur ne recommandent pas cette technique car elle risque de surchauffer le tableau ou le composant, et la mèche pourrait détacher les pads.

Installer un PLCC (transporteur de puces au plomb en plastique)

Les PLCC ont des pattes qui se replient sous l'emballage plutôt que de rester collées vers l'extérieur. Les étapes sont similaires à celles de la soudure d'un QFP: fluxez les plaquettes (Figure M), alignez la pièce, collez certains coins, collez encore plus et soudez. Maintenez le fer en contact suffisamment longtemps pour que la soudure se mèche à l’arrière de chaque broche. J'aime poser une longueur de soudure de 0,02 po le long des broches, puis l'enfoncer dans chaque broche avec le fer à repasser (figure N).

SOUDURE DES SMD SANS PLOMB

Les outils suivants vous permettent de gérer des packages de circuits intégrés sans dérivations, comme les QFN (quad flat no-lead) et les BGA (ball grid array), qui défient toute soudure avec un fer à repasser.

>> Vous pouvez acheter une station à air chaud avec de l’air à température et débit contrôlés pour moins de 300 $ chez Madell (Figure O, background; madelltech.com). Instructables.com a également une merveilleuse gamme de machines à air chaud bricolage. Si vous vous sentez moins aventureux, un outil de gaufrage à la chaleur (Figure O, au premier plan) de 25 $ permet également de faire le travail. Évitez les pistolets thermiques ordinaires; leurs buses sont trop grosses et trop chaudes pour le travail SMD.

>> La pâte à souder est composée de minuscules billes de soudure flottant dans un gel fluxant. Il se présente sous 2 formes: en seringues, pour appliquer individuellement sur les contacts, ou en pots, pour appliquer en masse avec un pochoir et une raclette en mylar (voir encadré). Certains distributeurs exigent une expédition rapide de la pâte à souder, car sa durée de vie diminue sans réfrigération.

>> Une plaque chauffante peut préchauffer la carte à une température de 212 ° F à 250 ° F afin de limiter le temps et l'énergie nécessaires pour appliquer de la soudure ou de l'air chaud. C'est facultatif, mais il imite le processus de fabrication à grande échelle et réduit le risque d'endommager les cartes ou les composants. Le préchauffage est particulièrement utile si vous utilisez une soudure sans plomb ou si la carte contient de grands plans de masse absorbant la chaleur. Des préchauffeurs sont également disponibles auprès de Madell ou Zephyrtronics (zeph.com), mais une plaque chauffante Mr. Coffee de 7 $ US convient aux petites planches à simple face.

>> Vous pouvez refondre une planche dans un grille-pain. Recherchez-en un qui peut chauffer jusqu'à 250 ° C (480 ° F) en moins de 5 minutes, ce qui lui permettra de refondre toute la brasure P sans cuire le panneau. Étant donné que les fours à grille-pain n’ont pas leur vitesse de 0 à 480 ° F indiquée à l’extérieur de la boîte, je vous conseillerais d’en utiliser un petit ou un grand de plus de 1 400 watts.

Sparkfun.com propose également des didacticiels et des entrées de blog qui recommandent d'utiliser une poêle au lieu d'un four grille-pain pour les plateaux dotés à la fois de gros connecteurs en plastique et en métal. L'inconvénient d'un RD dans une poêle est qu'il ne fonctionne qu'avec des planches d'un seul côté.

>> Stencilsunlimited.com vend des marqueurs d'indication de température qui changent de couleur lorsqu'une température donnée est atteinte, pour vous permettre de savoir quand arrêter d'appliquer de la chaleur. Vous pouvez également surveiller la température avec un thermocouple.

>> Une brosse acide, de l'alcool isopropylique et des lingettes non pelucheuses nettoient les résidus de flux. Je conserve l'alcool dans un flacon pompe qui dispense au besoin et empêche le reste de s'évaporer.

>> Un outil de prélèvement par aspiration peut aider à placer des composants plus volumineux que les pincettes ne peuvent pas tenir, bien que les doigts fassent un travail décent aussi.

Installer un QFN (Quad Flat No-Lead)

La méthode recommandée avec ces puces consiste à utiliser un pochoir avec de la pâte à souder, mais vous pouvez également vous en tirer avec de la soudure ordinaire et de l’air chaud.

Il n’est pas nécessaire d’appliquer de la brasure sur le dissipateur thermique inférieur d’une puce, présent sur de nombreux ampères de moteur et régulateurs de tension, mais dans le cas contraire, il ne devrait pas dépasser 0,01 po d’épaisseur.

De plus, vous aurez probablement besoin de refondre individuellement avec un tir direct d’air chaud ou de le souder à travers un trou percé dessous.

1. Flux et étain les connexions inférieures sur le QFN (Figure P).

2. Flux et étain seulement les coussinets extérieurs (Figure Q).

3. Je recommande le préchauffage, en particulier si vous soudez le dissipateur de chaleur.

4. Appliquez de l’air chaud à environ 3/4 ″ dans un mouvement circulaire jusqu’à ce que vous sentiez la puce tomber. La tension superficielle de la brasure fondue devrait aligner la puce.

Vous pouvez également déplacer la puce avec des pincettes pour s’assurer qu’elle est correctement installée; il devrait revenir en position (Figure R).

5. Vérifiez les côtés avec une loupe pour vous assurer que les marqueurs sont alignés avec les électrodes (Figure S).

TYPES DE PÂTE À SOUDER

La pâte à souder se présente sous forme de seringues ou de pots. Avec une seringue, appliquez de petites gouttes en forme de Kiss de Hershey sur les tampons individuels du circuit imprimé et des lignes fines sur les emballages comportant des rangées de broches. J'aime les aiguilles de calibre 22. Au four, la pâte ira vers les connexions et évitera la formation de ponts (pour la plupart). Ne vous embêtez pas d’essayer de coller chaque petit contact individuellement, car il s’effondrera de toute façon quand il chauffera. Vous pouvez acheter des seringues de pâte à souder auprès de Chip Quik, Zephyrtronics, smtsolderpaste.com, etc.

La pâte en pots conserve sa forme et vous pouvez l'appliquer rapidement sur tous les tampons d'une planche à l'aide d'une raclette et d'un pochoir en mylar découpé au laser. Obtenir la bonne quantité de pâte - entre avoir trop peu de soudure et relier les conducteurs - nécessite quelques essais et erreurs. Pour le matériel de pochoir, essayez stencilsunlimited.com.

Les deux types de pâtes sont proposés dans des formules «sans nettoyage» ou hydrosolubles. Avec les pâtes hydrosolubles, les résidus de flux sont corrosifs et doivent être éliminés.

PROTOTYPAGE SMD

Prototyper avec des SMD est plus difficile que de brancher rapidement les composants à trous traversants sur une plaque de montage sans soudure, mais SchmartBoard (schmartboard.com) propose des cartes de dérivation qui permettent de porter tout SMD sur des broches à trous traversants standard de 0,1 ″.

Pour le prototypage, vous devez toujours souder la puce sur la carte de dérivation, puis retirez-la plus tard pour l'installer sur la carte finale (à moins que vous ne fassiez que souder dans la carte de dérivation, ce qui prend de la place). Mais les tableaux de discussion sont parfaits si vous avez un nombre limité de SMD à interfacer avec des composants traversants et que vous ne fabriquez pas votre propre circuit imprimé.

Selon mon expérience, il est plus rapide de sauter l’étape de la planche à pain et de passer directement à un prototype de circuit imprimé de tout le circuit. Vous pouvez corriger les erreurs en grattant les traces et en effectuant des sauts avec de petits fils «verts» de calibre 30. J’ai trouvé que dessiner des schémas sur un ordinateur est plus fiable que de traiter avec un million de fils de planche à pain, bien que ce soit moins immédiat.

SOUDER UNE PLANCHE DOUBLE FACE

Si le tableau comporte des composants des deux côtés, vous devez utiliser un grille-pain plutôt qu'une poêle.

1. Appliquez de la pâte à braser à l'aide d'une seringue ou d'un pochoir et d'une raclette (voir «Types de pâte à souder») sur n'importe quel côté de la carte contenant des composants plus légers (Figure T; les PLCC sont les plus lourds).

2. Placez les composants à l'aide d'une pince à épiler, de doigts ou d'un aspirateur. C’est bien si les composants les plus petits ne sont pas parfaitement alignés; ils se mettront en place lors de la refusion (Figure U).

3. Refaites le passage dans le grille-pain. J'utilise des pinces pour reliures pour le suspendre au-dessus du rack (Figure V). Les fabricants de pâtes et composants ont recommandé une séquence en 3 phases précise:

3a. Préchauffez et évaporez les solvants dans la pâte à 150 ° C (300 ° F).

3b. «Tremper» entre 150 ° C et 180 ° C (300 ° F à 350 ° F) pendant 1 à 2 minutes pour permettre au fondant d'éliminer les oxydes.

3c Faites fonctionner à environ 220 ° C (425 ° F) pendant 1 minute et demie pour faire fondre la soudure.

Ce que je fais, c'est simplement allumer le four au maximum, attendre que toute la soudure ait fondu, puis compter jusqu'à 15 et ouvrir la porte.

Des cartes et des BGA plus complexes pourraient nécessiter une plus grande précision. Un thermocouple ou un indicateur de température vous permet de voir quand vous avez atteint la température cible.

Pour plus de contrôle, des sites comme articulationllc.com et thesiliconhorizon.com vendent des contrôleurs qui se connectent à des fours pour grille-pain et vous permettent de programmer et d’exécuter des séquences temps-température, bien que la plupart des grille-pain ne chauffent pas assez vite pour donner à un contrôleur beaucoup de travail.

4. Une fois le premier côté refroidi, appliquez de la pâte à braser, placez les composants et faites cuire l'autre côté. La tension superficielle maintiendra les composants inférieurs plus légers en place.

Mes résultats avec le projet photographié ici étaient environ 25 connexions pontées sur le QFP à 208 broches avec un pas de 0,5 mm et un couple ici et là sur les autres boîtiers, mais la majorité s’est révélée OK.


Scott Driscoll ([email protected]) est un spécialiste en soudure certifié IPC. Il est titulaire d’une maîtrise en génie mécanique et en technologie de la musique de Georgia Tech. Il fait des recherches et écrit des guides pratiques sur le site Curiousinventor.com.


Références:

https://makezine.com/16/primer

http://Instructables.com

http://articulationllc.com

http://chipquik.com

http://curiousinventor.com

http://madelltech.com

http://schmartboard.com

http://smtsolderpaste.com

http://sparkfun.com

http://stencilsunlimited.com

http://thesiliconhorizon.com

http://zeph.com


De MAKE 16 - Page 134. Pour obtenir MAKE, abonnez-vous ou achetez des volumes uniques.


Dans le hangar de fabricant:

En savoir plus sur le kit Apprendre à souder dans le magasin Maker Shed

Part

Laisser Un Commentaire