L’un des revêtements de surface les plus largement utilisés sur les PCB dans la fabrication électronique actuelle est le nickel chimique / or par immersion (ENIG). En raison de son excellente planéité, de sa grande résistance à l’oxydation et de sa capacité à être utilisé sur des composants à pas fin, l’ENIG est couramment utilisé dans des produits comprenantCartes HDI, assemblages BGA, électronique automobile, dispositifs médicaux et équipements de télécommunications.
Les circuits imprimés sont de plus en plus soumis à de multiples cycles de refusion à mesure que les assemblages électroniques deviennent plus complexes et compacts. Plusieurs refusions à haute température se produisent sur un PCB pendantassemblage SMT double face, remplacement de composants, opérations de réparation et profils thermiques répétés. Bien que l’ENIG présente de bonnes performances dans de nombreuses applications exigeantes, une exposition prolongée à des cycles thermiques répétés peut affecter la soudabilité, les propriétés mécaniques et la fiabilité de l’ENIG.
Que se passe-t-il lors de plusieurs cycles de refusion ?
Cycle de refusion : le processus de chauffage d’une pâte à braser afin de la faire fondre et de créer une connexion électrique entre les composants et les pastilles du circuit imprimé (PCB). Les températures de pic de refusion typiques enfabrication sans plombsont comprises entre 240 °C et 260 °C, ce qui exerce une forte contrainte thermique sur les finitions de surface du PCB.
Une finition ENIG est composée de deux couches métalliques :
Nickel chimique : fournit une barrière de diffusion entre le cuivre et la soudure.
Or immersion : Empêche le nickel de s’oxyder avant la soudure.
Lors de la soudure, la fine couche d’or fond dans la brasure et celle-ci entre en contact avec la couche de nickel située sous l’or. Cette interface est continuellement modifiée lors des refusions répétées, ce qui peut affecter la fiabilité à long terme.
Croissance des composés intermétalliques
Un effet important d’un cycle de refusion multiple sur l’ENIG est la formation progressive de composés intermétalliques.
Lorsque la soudure en fusion entre en contact avec la couche de nickel, des composés de nickel et d’étain (Ni₃Sn₄) se forment à l’interface du joint de soudure. La croissance de l’IMC est essentielle pour l’adhésion du brasage ; cependant, si une trop grande quantité d’IMC se forme, la fiabilité du joint sera compromise.
Des études avec des expositions répétées au refusion indiquent qu’à chaque refusion, l’épaisseur des couches d’IMC augmente et la résistivité des joints de soudure s’accroît. Par conséquent, les joints de soudure exposés à des contraintes thermiques peuvent devenir cassants et moins capables de résister à la fatigue mécanique.
Une croissance excessive d’intermétalliques peut entraîner :
Fragilité des joints de soudure
Résistance mécanique réduite
Risque accru de fissures dans le système de tuyauterie
Diminue la tolérance au choc thermique et la stabilité
En général, les joints de soudure sur ENIG présentent des taux de croissance de l’IMC plus lents que ceux d’autres finitions à base de cuivre, mais des cycles de refusion répétés peuvent néanmoins entraîner un affaiblissement des joints de soudure au fil du temps, en particulier dans des environnements de fonctionnement sévères.
Enrichissement en phosphore et dégradation de l’interface
Le phosphore est présent dans la couche de nickel autocatalytique de l’ENIG à une teneur moyenne à élevée en phosphore. Des chauffages répétés provoquent une accumulation de phosphore à l’interface et une diffusion du nickel dans la brasure.
Une zone aussi riche en phosphore peut devenir fragile lors de multiples expositions thermiques, ce qui peut entraîner un risque de rupture au niveau de l’interface. Des fissures peuvent se former au niveau de l’interface moins bien assemblée lorsque des contraintes supplémentaires sont appliquées pendant l’utilisation.
L’enrichissement en phosphore peut entraîner :
Soudure faible
Mouillabilité réduite
Zones de rupture fragile
Joints de soudure qui ne parviennent pas à se lier correctement. - Défaillance des joints de soudure
Par conséquent, il est important de disposer d’une chimie ENIG stable et d’un bon contrôle du placage afin de garantir de bonnes performances d’assemblage.
Problèmes de « Black Pad » et de soudabilité
Un problème de fiabilité courant de l’ENIG est le phénomène de « black pad ». Lorsque trop de corrosion se produit sur la couche de nickel pendant le procédé d’or par immersion, une surface sombre contenant du phosphore se forme, ce qui perturbe le processus de liaison par soudure et conduit au « black pad ».
Bien que les défauts de black pad ne soient pas toujours évidents lors de l’inspection, la refusion peut également aggraver le problème en ajoutant des contraintes thermiques à des interfaces déjà fragiles, en raison du nombre de cycles de refusion. Parfois, les joints de soudure peuvent sembler bons au départ, mais ils finiront par défaillir en raison des vibrations, des cycles thermiques ou des chocs mécaniques.
En plus du phénomène de « black pad », plusieurs cycles de refusion peuvent également entraîner une diminution de la soudabilité en raison de :
Oxydation du nickel
Contamination de surface
Formation excessive d’IMC
Performance de mouillage réduite
Les problèmes de fiabilité deviennent de plus en plus importants en raison de la portabilité accrue, de la miniaturisation et de la complexité des produits électroniques.
Défis dans l’assemblage sans plomb
Les multiples cycles de refusion ont été accélérés lors de l’utilisation de soudure sans plomb. Les procédés de brasage sans plomb nécessitent des températures plus élevées et un temps plus long au-dessus du liquidus que les procédés de brasage traditionnels à base d’étain-plomb.
Ces conditions thermiques plus extrêmes accélèrent :
Dissolution du nickel
Croissance intermétallique
Oxydation
Fatigue thermique
Par conséquent, les surfaces ENIG sont plus susceptibles de se dégrader dans des conditions sans plomb après des cycles thermiques. Cela est particulièrement important pour les applications ayant une longue durée de vie, comme dans l’automobile, l’aérospatiale ou l’électronique industrielle.
Comment réduire les défaillances liées au refusion
Des conditions de refusion multiples obligent souvent les fabricants à prendre plusieurs précautions pour garantir la fiabilité des finitions ENIG.
Contrôle strict des processus
L’épaisseur du nickel, l’épaisseur de l’or, la teneur en phosphore et la chimie de placage sont soigneusement contrôlées afin de minimiser le risque de « black pad » et de problèmes de soudabilité.
Profils de refusion optimisés
Il est important d’éviter toute exposition thermique inutile. L’un des meilleurs moyens pour les fabricants de réduire les températures maximales, le temps au-dessus du liquidus et les cycles de retouche inutiles est de limiter autant que possible de tels extrêmes.
Stockage adéquat et gestion de l’humidité
Les performances de soudure peuvent être affectées négativement par l’humidité et la contamination. La fiabilité lors des processus de refusion répétés est améliorée par un stockage approprié, un stockage en armoire sèche et une manipulation adéquate des composants sensibles à l’humidité.
Finitions de surface alternatives
Si les performances à haute température constituent une exigence critique pour les applications, certains fabricants peuvent envisager d’utiliser soit l’ENEPIG, soit l’argent par immersion, en fonction des exigences d’assemblage.
L’ENIG reste l’un des revêtements de surface de PCB les plus fiables et polyvalents dans la fabrication électronique actuelle. Sa grande planéité, sa bonne résistance à la corrosion et sa compatibilité avec les pas fins facilitent la réalisation de PCB à haute densité et l’assemblage CMS avancé.
Mais plusieurs cycles de refusion peuvent entraîner de nombreux problèmes de fiabilité. Des expositions multiples à la chaleur favorisent la croissance de composés intermétalliques, l’enrichissement en phosphore, la fragilité des joints de soudure et, dans certains cas, peuvent aggraver des problèmes latents de “black pad”. Les effets sont encore amplifiés lorsque l’environnement est sans plomb, car des températures plus élevées sont utilisées pendant le traitement.
Pour garantir la fiabilité à long terme des joints de soudure, les fabricants doivent optimiser la qualité du placage ENIG, les profils de refusion et la gestion thermique pendant l’ensemble du processus d’assemblage par soudure.
Avec l’évolution des produits électroniques vers une plus grande densité et complexité, il devient de plus en plus important de collaborer avec un partenaire expérimenté en fabrication de PCB. PCBCart propose des services professionnelsService d’assemblage et de fabrication de circuits imprimésavec un système de contrôle qualité strict qui répond aux exigences de haute fiabilité des applications de fabrication électronique.
Ressources utiles
•Introduction et comparaison des finitions de surface pour circuits imprimés
•Les directives les plus complètes pour la sélection de l’état de surface
•Comparaison entre le procédé de fabrication de brasage au plomb et celui de brasage sans plomb dans les PCBA
•Éléments influençant la qualité du brasage SMT et mesures d’amélioration
