Introduction
En tant que plaques tournantes centrales de l'Internet des objets (IoT), les passerelles de niveau industriel-sont largement déployées dans des environnements difficiles tels que l'extérieur, les sous-stations et les usines. Ces environnements sont souvent soumis à des surtensions induites par la foudre-et à des surtensions de commutation provenant des systèmes électriques, qui peuvent générer des surtensions instantanées pouvant atteindre plusieurs milliers de volts, durant généralement de l'ordre de la microseconde. Si la protection échoue, le courant intense peut détruire instantanément les modules de communication et les puces de contrôle principales de la passerelle. Pour établir un bouclier électromagnétique, les interfaces des passerelles industrielles sont généralement équipées de circuits de décharge constitués de tubes à décharge à gaz, de varistances et de diodes de suppression de tension transitoire. Au cours de la phase de fabrication du PCBA, la qualité de la soudure de ces composants de protection contre les surtensions détermine directement si l'ensemble du chemin de décharge peut résister à des surtensions de haute -intensité.
Voies de dommages et mécanismes de protection pour les puces de base de passerelle industrielle causées par les surtensions de foudre
Lorsqu'un coup de foudre se produit à l'extérieur, une énergie de pointe transitoire pénètre dans la passerelle via l'interface Ethernet, le bus RS485 ou les broches d'alimentation. Si l'impédance du circuit de protection est trop élevée ou s'il y a des défauts dans les connexions physiques, la surtension sera directement appliquée aux broches GPIO ou aux émetteurs-récepteurs internes de la puce de contrôle principale, provoquant une surcharge électrique et brûlant la structure semi-conductrice. Dans un système de protection complet, les composants de protection contre la foudre doivent être conducteurs en quelques microsecondes, voire nanosecondes, pour détourner une énergie élevée vers la terre et limiter la tension résiduelle à une plage que la puce centrale peut supporter. Ce chemin de décharge physique nécessite que chaque joint de soudure dans le processus de fabrication des PCBA ait une résistance série équivalente (ESR) extrêmement faible et une inductance série équivalente (ESL) extrêmement faible. Si un joint de soudure contient des défauts microscopiques difficiles à détecter à l'œil nu, lorsqu'il est soumis à un courant de test de surtension standard de 8/20 microsecondes, la zone défectueuse peut fondre, se fissurer ou même provoquer le détachement du composant lui-même du plot en raison d'une surchauffe localisée instantanée (effet de chauffage Joule), rendant la protection ultérieure totalement inefficace.
Le goulot d'étranglement du processus de soudage causé par la capacité thermique élevée des composants de protection contre les surtensions
Pour atteindre une capacité de transport de courant élevée-, les composants de protection contre les surtensions de qualité industrielle{{1}comportent souvent des boîtiers-de grand volume, des câbles épais ou des -patins de dissipation de chaleur-de grande surface. Par exemple, les diodes TVS haute-puissance utilisent généralement des boîtiers SMB ou SMC, tandis que les tubes à décharge à gaz en céramique comportent des électrodes épaisses et lourdes en métaux. Ces caractéristiques physiques entraînent de graves irrégularités de capacité thermique pendant leSoudure par refusion CMSscène. Étant donné que les dispositifs de protection contre les surtensions absorbent une quantité massive de chaleur, l'augmentation de la température dans cette zone est nettement plus lente que celle des petites résistances et condensateurs-montés en surface environnants. Si des profils de température de four conventionnels utilisés dans l'électronique grand public sont appliqués lors de la fabrication des PCBA, il est fort probable que la pâte à souder au niveau des fils des dispositifs de protection contre les surtensions ne fondra pas complètement, ou qu'une couche de composé intermétallique (IMC) d'épaisseur uniforme ne se formera pas entre les fils et les plages du PCB. Cette condition-où la surface semble être couverte mais l'intérieur n'est en fait pas eutectique, entraînant des joints de soudure à froid ou une soudure à froid-pose le plus grand risque pour les passerelles de qualité industrielle-lors des tests ultérieurs de surtension à haute tension-.
Optimisation des paramètres de soudage par refusion et contrôle de la couche d'alliage microstructural
Pour remédier aux défauts de soudure des composants à masse thermique élevée, les ingénieurs de procédés doivent ajuster avec précision la répartition de la température du brasage par refusion sans plomb-et établir une fenêtre de température dédiée. Pour les cartes de circuits imprimés contenant des composants de protection contre les surtensions à courant élevé, les zones de préchauffage et d'égalisation du processus de refusion doivent être étendues de manière appropriée. Dans la zone d'égalisation de la température (160 degrés à 190 degrés), la durée doit être maintenue pendant 100 à 120 secondes pour laisser aux fils métalliques épais suffisamment de temps pour absorber la chaleur et minimiser les différences de température dans tous les domaines. En entrant dans la zone de soudure, la température maximale doit être strictement contrôlée entre 242 degrés et 248 degrés, en veillant à ce que les fils des dispositifs de protection contre les surtensions restent au-dessus de la ligne liquidus (217 degrés) pendant 65 à 75 secondes. Un apport d'énergie précis permet aux composants actifs de la pâte à souder de fonctionner pleinement, favorisant la formation d'une couche de composé intermétallique (IMC) idéale d'une épaisseur de 1 à 3 micromètres entre les plots de cuivre et l'alliage d'étain. Cela garantit que les joints de soudure présentent non seulement une bonne conductivité électrique, mais possèdent également la résistance à la traction mécanique requise pour résister à des surtensions de courant élevées.
Conception de précision du treillis en acier et contrôle strict de la porosité
Pour les dispositifs de protection contre la foudre, la porosité des joints de soudure est essentielle à leur -capacité de transport de courant. Une porosité excessive réduit la section transversale conductrice efficace-du joint de soudure. Lorsque des courants de pointe de plusieurs ampères, voire de dizaines d'ampères, les traversent, les zones à forte porosité peuvent subir une électromigration localisée et un emballement thermique en raison d'une augmentation soudaine de la densité de courant. Le contrôle qualité doit porter simultanément sur la conception du pochoir et la sélection de la pâte à souder. Pour les dispositifs de protection contre les surtensions dotés de coussinets de dissipation de la chaleur-de grande surface-, les conceptions comportant des ouvertures à surface solide-sont strictement interdites ; au lieu de cela, un motif d'ouvertures en forme de grille ou en damier doit être adopté, le taux de surface ouverte étant généralement limité entre 65 % et 75 % pour garantir des canaux suffisants pour que le flux gazeux s'échappe pendant le brasage par refusion. Sur le site de fabrication de PCBA, -équipement d'inspection aux rayons X doit être déployé pour effectuer des tests 100 % non-destructifs sur les composants de protection contre les surtensions. Les critères d'acceptation de qualité stipulent que la surface de tout vide unique dans un joint de soudure d'un composant de protection contre les surtensions ne doit pas dépasser 10 % et que le taux de vide total doit être strictement limité à 15 % ou moins, éliminant ainsi tout point chaud potentiel de concentration de courant.
L'amélioration de la résistance aux surtensions de foudre des passerelles de qualité industrielle-est non seulement un témoignage de l'expertise en conception de circuits, mais également l'aboutissement de processus de fabrication-de normes élevées. Chaque joint de soudure qui résiste à des tests rigoureux est un tremplin vers le fonctionnement stable de produits de haute-qualité.
Faits en bref sur NeoDen
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2) Produits NeoDen : machines PnP de différentes séries, NeoDen YY1, NeoDen4, NeoDen5, NeoDen K1830, NeoDen9, NeoDen N10P. La série IN de fours de refusion, ainsi que la ligne SMT complète, comprennent tous les équipements SMT nécessaires.
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