La miniaturisation croissante des joints de soudure dans les dispositifs microélectroniques les amène à supporter des charges mécaniques, électriques et thermodynamiques plus importantes, tandis que les exigences en matière de fiabilité ne cessent d’augmenter. Les technologies d’assemblage électronique, notamment la SMT (Surface Mount Technology), le CSP (Chip-Scale Package) et la technologie BGA (Ball Grid Array), doivent mettre en œuvre une connexion électrique et une liaison mécanique rigide entre différents matériaux au moyen de joints de soudure, de sorte que la qualité et la fiabilité de ces connexions déterminent la qualité et la fiabilité des produits électroniques. La défaillance d’un seul joint de soudure peut éventuellement entraîner la panne complète des produits électroniques. Par conséquent, la manière de garantir la qualité des joints de soudure constitue une préoccupation absolument essentielle pour les produits électroniques modernes.
La brasure traditionnelle SnPb contient du Pb (plomb) qui, avec les composés chimiques du plomb, constitue une substance hautement toxique dont l’utilisation à long terme causera des dommages extrêmes à la vie humaine et à l’environnement. Jusqu’à présent, la brasure sans plomb remplace constamment la brasure au plomb en raison de ses avantages en matière de protection de l’environnement. Cependant, la fabrication sans plomb diffère de la fabrication au plomb enProcessus de PCBA (assemblage de circuits imprimés)avec des paramètres modifiés. Par conséquent, il est très important de bien comprendre la comparaison entre le procédé de fabrication de brasage au plomb et celui de brasage sans plomb dans la PCBA, afin que les performances et les fonctions des produits électroniques ne soient pas compromises par les préoccupations environnementales.
Comparaison des propriétés entre la brasure sans plomb et la brasure au plomb
• La soudure sans plomb présente un point de fusion plus élevé que la soudure au plomb.
a. Le point de fusion de la brasure eutectique traditionnelle au plomb (Sn37Pb) est de 183 °C.
b.Point de fusion de la brasure eutectique sans plomb(SAC387) est de 217 °C.
Étant donné que la brasure eutectique sans plomb (SAC387) présente un point de fusion supérieur de 34 °C à celui de la brasure eutectique traditionnelle au plomb (Sn37Pb), la conséquence est :
1).La hausse de la température qui s’ensuit entraîne une oxydation facile de la brasure, avec une croissance rapide de composés chimiques entre les métaux.
2).Certains composants, tels que ceux avec boîtier en plastique ou les condensateurs électrolytiques, ont tendance à être plus affectés par la température de soudage que d’autres éléments.
3). L’alliage SAC exercera une contrainte plus importante sur les composants, de sorte que les composants ayant une constante diélectrique faible seront plus sujets aux défaillances.
4). De nombreux types de surfaces de brasage sont disponibles sur la surface de brasage sans plomb des composants. L’utilisation de l’étain dans la brasure est plus répandue en raison de son faible coût. Néanmoins, une fine couche d’oxydation a tendance à se former à la surface de l’étain. De plus, des contraintes peuvent apparaître après le placage électrolytique. En conséquence, des moustaches d’étain ont tendance à se former.
• La brasure sans plomb présente une moins bonne mouillabilité que la brasure au plomb.
Comparée à la brasure au plomb, la brasure sans plomb présente une mouillabilité nettement inférieure à celle au plomb. Une mauvaise mouillabilité tend à rendre les joints de brasure trop peu performants pour satisfaire aux exigences en termes de capacité d’auto-calibration, de résistance à la traction et de résistance au cisaillement. Une mauvaise mouillabilité peut entraîner un taux de rejet plus élevé des joints de brasure lorsque aucune modification n’est mise en œuvre pour compenser cet inconvénient.
• Comparaison entre la soudure sans plomb et la soudure au plomb sur le plan des caractéristiques physiques.
Le tableau ci-dessous illustre les différences de caractéristiques physiques entre la soudure sans plomb et la soudure au plomb.
|
Article
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0,7Cu
|
| Densité (g/m2) |
8,5 |
3,5 |
3,31 |
| Point de fusion (°C) |
183 |
217 |
227 |
| Résistivité (MΩ·cm) |
15 |
11 |
10-15 |
| Conductivité électrique (IACS) |
11,5 |
15,6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23,9 |
23,5 |
/ |
| Conductivité thermique (W/m·1k·1s) |
50 |
73 |
/ |
| Tension superficielle à 260 °C (mN/m) |
481 |
548 |
491 |
| Durée de vie en fatigue |
3 |
1 |
2 |
| Résistance au cisaillement (MPa) |
23 |
27 |
20-23 |
Comme le montre le tableau ci-dessus, la brasure sans plomb aura inévitablement une mauvaise influence sur la fiabilité des joints de soudure en raison des différences de performances de la brasure par rapport à la fabrication traditionnelle utilisant de la brasure au plomb. Du point de vue de l’influence mécanique, la brasure sans plomb typique est plus dure que la brasure au plomb. De plus, l’oxyde de surface généré, les contaminants de flux et les résidus d’alliage peuvent entraîner de mauvaises performances en termes de contact électrique et de résistance de contact. Ainsi, la conversion des produits électroniques de la fabrication au plomb à la fabrication sans plomb ne constitue jamais un simple remplacement, ni sur le plan électrique ni sur le plan mécanique, pour les raisons suivantes :
a. Comme le plomb est relativement mou, les joints de soudure produits par une fabrication sans plomb sont plus durs que ceux issus d’une fabrication avec plomb, ce qui entraîne une intensité plus élevée et une déformation plus faible, ce qui, toutefois, conduira certainement à une grande fiabilité des joints de soudure sans plomb.
b. En raison de la mauvaise mouillabilité de la brasure sans plomb, davantage de défauts seront générés, notamment des vides, des déplacements et des composants en position verticale (« tombstoning »).
Préoccupation globale concernant la fabrication sans plomb
Lors du passage de la brasure au plomb à la brasure sans plomb, la différence la plus marquante réside dans la teneur élevée en étain (>95 % en poids). Par conséquent, les problèmes suivants doivent être pris en compte en priorité.
• Croissance de moustaches d’étain
La moustache d’étain se développe à partir de la partie fragile de la couche d’oxyde d’étain sous forme d’étain monocristallin, se présentant sous la forme d’une structure colonnaire ou d’un filament cylindrique. Ses dommages comprennent :
a. Des courts-circuits peuvent se produire entre des broches voisines.
b. Une mauvaise influence peut être exercée sur les caractéristiques haute fréquence.
Une contrainte de pression est présente dans la couche de soudure à l’étain, ce qui est considéré comme la raison essentielle de la formation des moustaches d’étain. Par exemple, lorsque de nombreuses phases intermétalliques Cu6Sn5 irrégulières se forment, un grand nombre de défauts apparaissent, notamment l’accumulation de contraintes de pression dans la couche d’étain, la déformation des broches des composants et le décalage des CTE, qui entraînent tous la formation de moustaches d’étain. Les alliages à forte teneur en étain conduisent à la formation de moustaches d’étain, ce qui est particulièrement vrai pour l’étain pur. De nombreux alliages métalliques tels que le Pb ou le Bi peuvent cependant empêcher ou freiner la croissance des moustaches d’étain.
Les moustaches d’étain peuvent éventuellement provoquer des courts-circuits sur des composants à lignes fines, par exemple les QFP. Par conséquent, l’étain pur peut être plaqué sur des produits de bas de gamme et sur des composants dont la durée de vie est inférieure à 5 ans. En ce qui concerne les produits à haute fiabilité et les composants dont la durée de vie doit dépasser 5 ans, une couche de nickel d’une épaisseur inférieure à 1 μm doit d’abord être plaquée, suivie d’une couche d’étain d’une épaisseur de 2 à 3 μm.
• Croissance de dendrites métalliques
Les dendrites métalliques présentent des mécanismes de croissance différents de ceux des moustaches d’étain. Les premières résultent de l’électromigration ionique en électrochimie. Les dendrites métalliques provoqueront des courts-circuits qui entraîneront ensuite une défaillance du circuit.
• Génération de CAF
Le filament anodique conducteur (CAF) est un autre type de défaillance résultant d’une réaction électrochimique. Le CAF se produit à l’intérieur du circuit imprimé (PCB), causé par un filament conducteur anodique contenant du cuivre qui se développe de l’anode vers la cathode.
La CAF se développe dans une certaine mesure lorsque l’anode et la cathode sont reliées par des courts-circuits se produisant entre deux pôles, ce qui conduit finalement à une catastrophe. La CAF est un désastre pourassemblage de circuits imprimés à haute densitéet la soudure sans plomb à température plus élevée rend ce problème plus susceptible de se produire.
• Peste de l’étain
La peste de l’étain résulte du changement de phase polymorphe spontané de l’étain pur. Lorsque la température est inférieure à 13 °C, l’étain pur entraînera la conversion de l’étain blanc (dont la densité est de 7,30 g/cm3) dérivant de la structure carrée centrée vers l’étain gris (la densité est de 5,77 g/cm3) dans une structure cubique centrée. Théoriquement, la peste de l’étain entraînera un risque potentiel de fiabilité, mais elle est rarement observée, car des impuretés sont mélangées à l’étain.
Les problèmes évoqués ci-dessus sont des défauts possibles lorsque de la brasure sans plomb est utilisée. Néanmoins, ils peuvent être éliminés dès lors que des technologies de brasage avancées sont mises à profit au cours du processus de PCBA.
PCBCart propose des techniques de fabrication de brasage au plomb et de brasage sans plomb pour l’assemblage de circuits imprimés (PCBA)
