Un phénomène invisible mais essentiel
Dans le brasage à la vague des composants traversants, un phénomène physique discret mais fondamental détermine la qualité finale des assemblages : la capillarité. Cette force naturelle, qui permet au métal liquide de défier la gravité et de remonter spontanément dans les espaces confinés, constitue le mécanisme central permettant au brasage de remplir correctement les trous métallisés.
Contrairement à d'autres paramètres du procédé facilement observables comme la température ou la vitesse de convoyage, la capillarité reste un phénomène largement invisible qui s'opère en quelques secondes à l'échelle microscopique. Pourtant, son efficacité conditionne directement la conformité des joints de brasage, leur résistance mécanique et leur fiabilité électrique à long terme.
Cet article propose une exploration technique approfondie du phénomène capillaire dans le contexte spécifique du brasage à la vague : ses fondements physiques, les forces en jeu, sa dynamique temporelle, et les paramètres qui modulent son intensité et son efficacité.
Les fondements physiques de la capillarité
Définition et origine du phénomène
La capillarité désigne la capacité d'un fluide à se déplacer dans un espace confiné de faible dimension, sans intervention de forces externes comme la pression ou la gravité, voire contre ces forces. Ce phénomène tire son nom des vaisseaux capillaires du corps humain où il fut initialement observé.
Dans le brasage à la vague, la capillarité se manifeste lorsque le métal d'apport en fusion remonte spontanément dans l'interstice étroit formé entre la broche métallique du composant et la paroi du trou métallisé du circuit imprimé. Cette ascension peut atteindre plusieurs millimètres de hauteur, permettant au métal liquide de parcourir toute l'épaisseur de la carte, typiquement entre 1,6 et 3,2 mm.
Les trois forces motrices de la capillarité
Le phénomène capillaire en brasage résulte de l'interaction complexe entre trois forces fondamentales agissant à l'échelle moléculaire :
La tension superficielle du métal liquide représente la première force en jeu. À la surface d'un liquide, les molécules subissent une attraction asymétrique : elles sont attirées par leurs voisines latérales et inférieures, mais pas vers le haut où se trouve l'air. Cette asymétrie crée une tension qui tend à minimiser la surface du liquide. Pour les alliages de brasage, cette tension superficielle se situe typiquement entre 400 et 500 mN/m pour les alliages sans plomb, contre 350-400 mN/m pour les alliages étain-plomb.
Cette tension superficielle joue un rôle ambivalent dans la capillarité : elle fournit l'énergie nécessaire pour courber l'interface liquide-gaz (formation du ménisque), mais elle résiste également à l'augmentation de surface créée lors de l'ascension. L'équilibre entre ces effets dépend de la géométrie de l'interstice et des propriétés de mouillage.
L'énergie de mouillage constitue la deuxième force déterminante. Elle caractérise l'interaction entre le métal liquide et les surfaces solides qu'il rencontre : le cuivre du circuit imprimé, la métallisation intérieure du trou, et la surface de la broche du composant. Cette interaction dépend de l'affinité chimique entre les matériaux.
Le mouillage se quantifie par l'angle de contact θ que forme l'interface liquide-gaz avec la surface solide. Un angle faible (θ < 90°) indique un bon mouillage où le liquide "mouille" spontanément le solide. Un angle élevé (θ > 90°) traduit un mauvais mouillage où le liquide tend à former des gouttelettes isolées. Dans un brasage optimal, l'angle de contact entre l'alliage fondu et le cuivre doit être inférieur à 30°, voire proche de 0° dans les meilleures conditions.
Les forces d'adhésion interatomiques complètent le tableau. Au niveau microscopique, lorsque le métal liquide entre en contact intime avec les surfaces métalliques, des liaisons métalliques se créent à l'interface. Ces liaisons génèrent une force d'attraction qui tend à augmenter la surface de contact entre le liquide et le solide. Cette force d'adhésion devient le moteur principal de la capillarité lorsque le mouillage est excellent.
L'équation de Jurin : modélisation de l'ascension capillaire
La hauteur d'ascension capillaire dans un espace cylindrique peut être décrite par l'équation de Jurin, établie au XVIIIe siècle :
h = (2γ cos θ) / (ρgr)
Où :
- h est la hauteur d'ascension capillaire
- γ est la tension superficielle du liquide
- θ est l'angle de contact liquide-solide
- ρ est la densité du liquide
- g est l'accélération gravitationnelle
- r est le rayon de l'interstice
Cette équation révèle plusieurs relations fondamentales pour le brasage :
L'influence du rayon d'interstice : la hauteur d'ascension est inversement proportionnelle au rayon. Plus l'espace est étroit, plus la capillarité est forte. C'est pourquoi un jeu trop important entre la broche et le trou (supérieur à 0,25 mm de rayon, soit 0,5 mm de diamètre) réduit drastiquement l'efficacité capillaire. À l'inverse, un jeu trop faible (inférieur à 0,05 mm) empêche la pénétration initiale du flux et du métal.
Le rôle crucial de l'angle de contact : le cosinus de l'angle de contact apparaît au numérateur, rendant la capillarité extrêmement sensible au mouillage. Pour θ = 0° (mouillage parfait), cos θ = 1 et la capillarité est maximale. Pour θ = 60°, cos θ = 0,5 et la capillarité est divisée par deux. Pour θ = 90°, cos θ = 0 et il n'y a plus d'ascension capillaire. Cette dépendance explique pourquoi le flux, qui réduit l'angle de contact, exerce un effet si déterminant sur la capillarité.
L'effet de la tension superficielle : une tension superficielle élevée n'est pas nécessairement favorable. Bien qu'elle apparaisse au numérateur, elle est généralement associée à un mauvais mouillage (angle de contact élevé). Les alliages sans plomb, avec leur tension superficielle plus élevée que les SnPb, présentent justement ce problème : leur tension plus forte ne compense pas leur mouillage plus difficile.
La dynamique temporelle de la capillarité
L'équation de Jurin décrit la hauteur d'équilibre finale, mais ne renseigne pas sur la vitesse d'ascension. Or, dans le brasage à la vague, le temps de contact entre la carte et la vague est limité (typiquement 2 à 4 secondes), ce qui rend la cinétique capillaire cruciale.
La vitesse d'ascension capillaire dépend principalement de :
La viscosité de l'alliage : elle oppose une résistance à l'écoulement. Les alliages sans plomb présentent généralement une viscosité supérieure aux alliages SnPb à température équivalente, ce qui ralentit l'ascension. Cette viscosité diminue avec la température, expliquant pourquoi une température de vague légèrement supérieure améliore le remplissage.
La longueur du parcours : le temps nécessaire pour remplir un trou est proportionnel au carré de sa profondeur. Un trou de 3,2 mm nécessite quatre fois plus de temps qu'un trou de 1,6 mm. Cette relation quadratique explique les difficultés rencontrées avec les cartes épaisses.
La qualité de la métallisation : une surface parfaitement lisse et continue favorise un écoulement rapide. Les rugosités, discontinuités ou contaminants créent des points de blocage qui ralentissent ou stoppent l'ascension.
Dans des conditions optimales (flux activé, bon mouillage, température adéquate), la vitesse d'ascension peut atteindre 0,5 à 1 mm par seconde dans la phase initiale, puis ralentit progressivement à mesure que la hauteur augmente et que la température du métal diminue.
Les paramètres modulant l'intensité capillaire
L'influence de la température sur les propriétés du métal liquide
La température exerce une influence multifactorielle sur la capillarité, modifiant simultanément plusieurs propriétés du métal fondu :
Variation de la tension superficielle : elle diminue linéairement avec l'augmentation de température, typiquement de 0,1 à 0,2 mN/m par degré Celsius. Cette réduction facilite la déformation de l'interface et améliore la capillarité, mais l'effet reste modéré.
Réduction de la viscosité : l'impact est beaucoup plus significatif. La viscosité suit généralement une loi d'Arrhenius, diminuant exponentiellement avec la température. Une augmentation de 20°C peut réduire la viscosité de 20 à 30%, accélérant considérablement l'écoulement capillaire.
Amélioration du mouillage : à température plus élevée, les réactions chimiques à l'interface liquide-solide s'accélèrent. Les oxydes résiduels sont plus rapidement dissous, la diffusion interatomique s'intensifie, et l'angle de contact diminue. Cet effet est particulièrement marqué pour les alliages sans plomb qui nécessitent davantage d'énergie d'activation.
Cependant, la température ne peut être augmentée indéfiniment : au-delà d'un certain seuil (généralement 260-270°C pour les alliages sans plomb), les risques thermiques pour les composants et les phénomènes parasites (oxydation, évaporation du flux) deviennent prohibitifs.
Le rôle déterminant du flux dans la modulation capillaire
Le flux constitue le levier le plus puissant pour influencer la capillarité, agissant sur plusieurs mécanismes simultanément :
Réduction de la tension superficielle effective : les agents tensioactifs contenus dans le flux s'adsorbent à l'interface liquide-gaz, réduisant localement la tension superficielle. Cette réduction peut atteindre 20 à 30% dans la zone où le flux est actif, facilitant la déformation du ménisque et l'avancée capillaire.
Abaissement drastique de l'angle de contact : c'est l'effet le plus spectaculaire. Un flux efficace peut faire passer l'angle de contact de 60-80° (sans flux) à moins de 10°, voire proche de 0°. Selon l'équation de Jurin, cela multiplie potentiellement la hauteur capillaire par un facteur 5 à 10. Sans flux, la capillarité est généralement insuffisante pour remplir les trous, même avec tous les autres paramètres optimaux.
Élimination des barrières à l'écoulement : les oxydes présents en surface agissent comme des membranes solides qui bloquent l'avancée du métal liquide. Le flux dissout chimiquement ces oxydes, libérant le passage pour l'écoulement capillaire. Les contaminants organiques (huiles, résidus) sont également solubilisés ou décomposés.
Création d'un gradient de tension superficielle : lors de son activation, le flux crée des variations locales de tension superficielle (effet Marangoni) qui génèrent des micro-écoulements supplémentaires favorisant la pénétration du métal dans les interstices.
L'efficacité du flux dépend crucialement de son activation thermique. Un flux non activé (température de préchauffage insuffisante) reste inerte et ne produit aucun de ces effets. À l'inverse, un flux surchauffé ou dégradé perd son activité et peut même déposer des résidus qui bloquent le mouillage.
L'effet de la géométrie de l'interstice
Au-delà du simple rayon moyen, la géométrie tridimensionnelle réelle de l'espace entre broche et trou module significativement la capillarité :
Non-circularité de l'interstice : les broches ne sont jamais parfaitement centrées dans les trous. Cette excentricité crée un interstice de largeur variable. Le métal liquide remonte préférentiellement dans la zone la plus étroite où la force capillaire est maximale, créant une ascension asymétrique. Si le jeu minimal devient trop faible, il peut bloquer l'écoulement malgré un jeu moyen acceptable.
État de surface : la rugosité microscopique des parois influence l'écoulement. Une rugosité modérée (Ra = 0,5 à 2 µm) peut paradoxalement améliorer la capillarité en créant des micro-canaux supplémentaires et en augmentant la surface de contact. Une rugosité excessive (Ra > 5 µm) crée des irrégularités qui fragmentent le film liquide et ralentissent l'ascension.
Continuité de la métallisation : les discontinuités dans la couche de cuivre du trou métallisé créent des zones de non-mouillage qui interrompent l'ascension capillaire. Le métal liquide se bloque à ces points, créant des bulles d'air emprisonnées qui empêchent le remplissage complet.
Forme de la broche : les broches carrées ou rectangulaires créent des zones d'angle où la capillarité est localement renforcée. Ces zones favorisent l'amorçage de l'ascension mais peuvent aussi piéger des bulles d'air dans les coins opposés.
L'interaction entre préchauffage et capillarité
Le préchauffage exerce une influence indirecte mais fondamentale sur la capillarité à travers plusieurs mécanismes :
Activation progressive du flux : le préchauffage élève graduellement la température du flux déposé jusqu'à son point d'activation. Cette montée en température permet aux composés actifs de se décomposer et de réagir avec les oxydes de surface. Une rampe thermique trop brutale peut dégrader le flux avant qu'il n'ait pu agir ; une rampe trop lente ne permet pas d'atteindre la pleine activation avant le contact avec la vague.
Homogénéisation thermique : les différentes zones de la carte (zones cuivrées massives, zones isolantes, composants métalliques lourds) présentent des inerties thermiques variées. Le préchauffage permet de réduire ces écarts, assurant que toutes les zones à braser atteignent une température suffisante pour permettre un bon mouillage et une capillarité efficace.
Dégazage préalable : le préchauffage évapore l'humidité résiduelle et les solvants du flux, évitant leur volatilisation brutale au contact de la vague qui créerait des projections et perturberait la capillarité.
Réduction du choc thermique au contact de la vague : lorsque la carte préchauffée entre en contact avec la vague, le gradient thermique est réduit. Cela limite le refroidissement local du métal de la vague au contact de la carte, maintenant sa fluidité et sa capacité de mouillage optimales pendant toute la durée du contact.
Un préchauffage insuffisant (température de face supérieure inférieure à 90°C) compromet systématiquement la capillarité, même si tous les autres paramètres sont optimaux. C'est souvent la cause première des défauts de remplissage incomplet.
La durée de contact et la dynamique temporelle
Le temps pendant lequel la carte reste en contact avec la vague détermine directement si la capillarité a le temps de s'opérer complètement :
Phase d'initiation (0 à 0,5 seconde) : au contact initial, le métal de la vague doit d'abord mouiller la surface inférieure de la carte et l'extrémité des broches. Cette phase dépend fortement de l'efficacité du flux. Le ménisque se forme progressivement à l'entrée du trou.
Phase d'ascension rapide (0,5 à 2 secondes) : le métal remonte rapidement dans l'interstice sous l'effet de la capillarité. La vitesse est maximale dans cette phase initiale où le gradient de pression capillaire est le plus fort et où la température du métal est encore élevée.
Phase de ralentissement (2 à 4 secondes) : à mesure que le métal progresse vers le haut du trou, plusieurs facteurs ralentissent l'ascension : la force capillaire diminue (colonne liquide plus lourde à soulever), la température baisse (augmentation de la viscosité), et la distance à parcourir depuis la source (la vague) augmente.
Phase de stabilisation (au-delà de 4 secondes) : l'ascension se stabilise à une hauteur d'équilibre. Pour des cartes épaisses ou des géométries défavorables, cette hauteur peut être insuffisante si le temps de contact est trop court.
Les cartes de 1,6 mm d'épaisseur nécessitent généralement 2 à 3 secondes pour un remplissage complet. Les cartes de 3,2 mm peuvent nécessiter 4 à 5 secondes. Ce temps doit être confronté au temps de contact disponible, déterminé par la vitesse de convoyage et la largeur de la vague.
Les phénomènes parasites liés à une capillarité excessive ou déséquilibrée
Le phénomène de wicking (remontée excessive)
Lorsque la capillarité est trop intense ou que le temps de contact est excessif, le métal peut remonter au-delà du niveau souhaité, le long de la broche jusqu'au corps du composant. Ce phénomène, appelé wicking ou capillarité excessive, présente plusieurs inconvénients :
Consommation excessive de métal : le volume de brasage utilisé est supérieur au nécessaire, ce qui peut créer des défauts esthétiques et déséquilibrer la consommation globale d'alliage.
Risque thermique pour le composant : le métal liquide remontant au contact du boîtier du composant peut endommager les parties thermosensibles (joint plastique, encapsulation).
Fragilisation mécanique : une brasure trop haute sur la broche crée un point rigide qui transmet intégralement les contraintes mécaniques au composant, au lieu de les amortir. Cela augmente le risque de rupture en flexion de la carte.
Le wicking résulte généralement d'une combinaison de flux très actif, température élevée, temps de contact prolongé et jeu broche-trou important. Pour le contrôler, il faut agir sur ces paramètres en priorité.
Le drainage par gravité
À l'inverse, dans certaines configurations géométriques défavorables, le métal remonté par capillarité peut redescendre par gravité avant solidification. Ce drainage se produit lorsque :
La viscosité est insuffisante : si le métal reste trop fluide trop longtemps après la sortie de la vague, la gravité peut provoquer son écoulement vers le bas.
Le mouillage est médiocre sur une portion du parcours : si une zone présente un mauvais mouillage, l'adhésion locale est insuffisante pour retenir le métal contre la gravité.
Le refroidissement est trop lent : une solidification tardive laisse le temps au drainage de s'opérer.
Le drainage crée des joints de brasage avec une répartition inhomogène du métal, concentré en partie basse et insuffisant en partie haute.
La formation de bulles d'air emprisonnées
Un phénomène capillaire trop rapide ou mal initié peut emprisonner des bulles d'air dans le trou métallisé :
Mécanisme de piégeage : si le métal remonte très rapidement sur un côté de l'interstice (là où le jeu est minimal) avant que l'air n'ait eu le temps de s'échapper, il peut sceller l'ouverture supérieure et emprisonner une bulle. Cette bulle comprimée empêche le remplissage complet du volume.
Dégazage insuffisant : si le flux contient encore des solvants ou de l'humidité au moment du contact avec la vague, leur évaporation brutale crée des bulles qui perturbent l'écoulement capillaire.
Géométrie défavorable : les broches non cylindriques (carrées, rectangulaires) créent des zones d'angle propices au piégeage de bulles.
Ces bulles sont particulièrement problématiques car elles sont souvent invisibles en inspection visuelle standard et ne se révèlent qu'en coupe micrographique ou en radiographie X.
Conclusion : la capillarité, un phénomène complexe à maîtriser
La capillarité en brasage à la vague représente bien plus qu'un simple phénomène de remontée de liquide : c'est un processus physico-chimique complexe résultant de l'équilibre dynamique entre multiples forces à l'échelle moléculaire. Sa compréhension approfondie révèle que le remplissage des trous métallisés ne peut jamais être garanti par un seul paramètre isolé, mais nécessite l'optimisation conjointe de nombreux facteurs interdépendants.
Les forces motrices fondamentales (tension superficielle, mouillage, adhésion) sont modulées par la température, profondément transformées par le flux, contraintes par la géométrie des interstices, et limitées par le temps disponible. Cette multiplicité d'interactions explique pourquoi la maîtrise de la capillarité exige une approche systémique du procédé de brasage, où chaque paramètre doit être ajusté en tenant compte de son impact sur le phénomène capillaire.
La capillarité illustre parfaitement comment un mécanisme physique à l'échelle microscopique détermine la fiabilité macroscopique d'un assemblage électronique. Invisible et éphémère, se déroulant en quelques secondes dans un espace de quelques dixièmes de millimètre, elle conditionne pourtant la tenue mécanique et la continuité électrique qui assureront le fonctionnement de l'équipement pendant des années ou des décennies.
Comprendre ce phénomène dans sa complexité physique permet aux ingénieurs process de dépasser une approche empirique de réglage "par essai-erreur" pour adopter une démarche rationnelle basée sur la maîtrise des mécanismes fondamentaux, seule garante d'une production fiable et reproductible.