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Comparaison de la fiabilité entre les joints de soudure au plomb et sans plomb
La structure microscopique des joints de soudure internes et la structure du composé intermétallique (IMC) à l’interface entre la brasure et le substrat de PCB déterminent les propriétés mécaniques des joints de soudure. Les techniques de brasage et le vieillissement ultérieur en phase solide, associés aux cycles thermiques, déterminent davantage la structure microscopique initiale et son évolution. Un IMC optimal est censé se former à l’interface afin d’assurer le mouillage et l’interconnexion métallurgique, de sorte que l’on puisse obtenir une résistance et une fiabilité satisfaisantes des joints de soudure. La structure microscopique interne des joints de soudure révèle les caractéristiques microstructurales du matériau, et les microscopes et technologies disponibles peuvent être utilisés pour obtenir ces informations.
• Soudures au plomb
En ce qui concerne le SnPb, sa microstructure est composée d’une phase riche en Sn et d’une phase riche en Pb.
• Joints de soudure sans plomb
Dans l’alliage SAC, la réaction métallurgique entre le Sn et les éléments secondaires Ag et Cu est le facteur principal déterminant sa température d’application, son mécanisme de durcissement et ses performances mécaniques.
Conformément au diagramme binaire de phases, trois types de réactions eutectiques binaires sont possibles entre les trois types d’éléments ci-dessus :
a). La réaction entre Ag et Sn a lieu à une température de 221 °C avec une structure eutectique dans la phase de base Sn et le composé intermétallique ε (Ag3Phase Sn) formée.
b). La réaction entre le Cu et le Sn a lieu à une température de 227 °C avec une structure eutectique dans la phase de base Sn et l’IMC η (Cu6Sn5) phase formée.
c). La réaction entre Ag et Cu a également lieu à une température de 779 °C, avec formation d’un alliage eutectique constitué d’une phase α riche en Ag et d’une phase α riche en Cu.
Les ingrédients des matériaux déterminent la structure microscopique, qui détermine à son tour le mode de rupture. Lors de l’utilisation des produits, la structure microscopique favorise la formation de minuscules sédiments. La dispersion des particules, leur répartition homogène et leur granulation sont bénéfiques à l’amélioration de la résistance à la fatigue. La durée de vie en fatigue sera toutefois réduite lorsque se produisent des phases acides et fragiles ainsi qu’un excès de cavités, entraînant une concentration des contraintes. L’amélioration de la répartition homogène de la déformation plastique dans une petite zone grâce au contrôle de la structure microscopique est une mesure efficace pour augmenter la résistance à la fatigue.
Influence de la structure microscopique de l’IMC d’interface des joints de soudure sur la fiabilité
• Structure microscopique de l’IMC d’interface
a). Forme et figure
Couche η- Cu6Sn5comprend trois types de formes et de figures :
1). Couche cellulaire rugueuse. Elle présente une zone de section contenant des dendrites entre lesquelles un espace si important est disponible qu’une interface rugueuse en contact avec la brasure est obtenue, ce qui ne constitue pas une structure compacte.
2). Couche compacte sur interface festonnée. Similaire aux particules cristallines dendritiques, cette couche présente une forme comparable mais avec un composé chimique compact. L’interface en contact avec la brasure a une forme festonnée.
3). Couche compacte sur interface plane. Avec l’augmentation de la teneur en Pb, de la température et du temps de réaction, la forme et l’aspect de la couche η commencent à se transformer d’une couche cellulaire rugueuse en une couche compacte sur une interface festonnée.
b). Éléments influents
1). Un taux de refroidissement élevé entraînera la formation d’une couche d’η-phase plate, tandis qu’un faible taux de refroidissement conduira à la formation d’une couche d’η-phase en petits amas.
2). Un court temps de brasage par refusion conduit à une couche d’η-phase plane, tandis qu’un long temps de brasage par refusion conduit à une couche d’η-phase en petits nodules ou festonnée.
c). Décoller
L’IMC qui se forme initialement entre le pad et la brasure en fusion se détache parfois de l’interface lorsque le temps de refusion ou le nombre de cycles de refusion augmente. Ce phénomène est généralement lié au Ni. Par exemple, il a tendance à se produire davantage sur la couche de placage Ni de l’ENIG.
1). L’IMC subit un décollement à l’interface de la couche de placage Ni ENIG à différentes teneurs en phosphore. Le décollement est déterminé par l’augmentation de la teneur en phosphore et la prolongation du temps de refusion.
2). Après un brasage par refusion de certaines soudures sans plomb (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi et SAC387) et de certains types de substrats métallisés [Cu, Ni(P)/Au et Ni(P)Pd/Au) pendant 20 minutes à une température inférieure à 250 °C, l’IMC d’interface et la plupart des couches d’IMC formées avec les deux premiers types de soudures se détacheront ou se décolleront de l’interface, ne laissant qu’une fine couche d’IMC sur l’interface. En ce qui concerne la SAC387 sur substrat [Ni(P)/Au et Ni(P)/Pd/Au], l’IMC de (Cu, Ni)6Sn5peut être bien connecté avec l’interface. En ce qui concerne la base Ni plaquée, cependant, trois types de brasures sans plomb peuvent être bien connectés avec le Ni3Su4IMC.
d). Effet de l’Au sur l’IMC entre la brasure SAC et le substrat en Cu
Les IMC formés par le Cu et la brasure SAC se comportent comme des galets. Après l’ajout de 0,1 à 5 % en poids d’Au au SAC387, la phase eutectique générée à la température de 204,5 °C contient 4 composites (AuSn4, Au3Sn, β-Sn et Cu6Sn5). Au-Cu-Sn étant un composé métallique ternaire, la majeure partie de l’Au dans la brasure s’écoulera et se déplacera vers l’interface. Dans la réaction d’interface, la participation de l’Au sera transformée d’un type ordinaire en forme de festons en un type composé constitué de (Au, Cu)6Sn5particules cristallines et β-Sn en forme d’île présentant une excellente répartition.
• Croissance de la couche IMC d’interface
La croissance de la couche d’IMC à l’interface exerce une influence extrêmement importante sur la fiabilité des joints de soudure. Des études ont montré qu’il n’existe aucune loi simple reliant l’épaisseur de l’IMC au temps. La condensation en phase liquide empêche la croissance de l’IMC, entraînant une croissance non uniforme.
En ce qui concerne les composants dont les broches sont plaquées au plomb, il existe une relation linéaire approximative entre la croissance de l’IMC et la racine carrée du temps, qui peut être considérée comme compatible avec la loi de diffusion. Cependant, pour les composants dont les broches sont plaquées SnPb, la croissance de l’IMC avec la brasure SAC présente une tendance évidente.
• Répartition des éléments sur l’interface du joint de soudure
Sur la base de l’impact des hautes et basses températures et de l’essai à haute température, on peut constater qu’une légère diminution se produit sur Ag3Structure du réseau de Sn pendant l’essai à haute température et changement évident vers un Ag granuleux3La phase Sn n’est pas affectée par l’intensité de brasage. Une température élevée est utilisée pour réaliser un essai d’accélération de la croissance de la couche d’alliage d’interface. Pour les composants dont les broches sont plaquées au plomb, il existe effectivement une relation approximativement linéaire entre la croissance de l’alliage et la racine carrée du temps. La croissance se produit sous un certain taux de contrôle de dispersion. Néanmoins, le composé chimique formé peut nettement réduire la résistance des joints de soudure, aussi bien lors des essais de chocs thermiques haute-basse température que lors des essais à haute température.
Les joints de soudure sans plomb présentent une dureté et une résistance plus élevées que les joints de soudure SnPb ainsi qu’une plus faible déformation, ce qui ne signifie pas pour autant une grande fiabilité des joints de soudure sans plomb. En raison de la moins bonne mouillabilité de l’alliage de soudure sans plomb, davantage de défauts ont tendance à apparaître, tels que des cavités, des déplacements et des effets de « tombstone », et la taille des cavités tend à augmenter.
• Fragilité et son mécanisme
1). Entre la couche de Ni(P) plaquée et la brasure SnPb, une réaction à long terme aura lieu avec formation de cavités de Kirkendall autour de la surface du Ni. Lorsque du cuivre disponible est fourni à la brasure, la fragilité devient plus complexe. Composé métallique ternaire (Cu, Ni)6Sn5s’accumule sur le Ni3Sn4formé à la surface du Ni, des cavités seront générées sur le Ni3Sn4(Cu, Ni)6Sn5au moment du vieillissement. Des problèmes similaires se produiront également lorsque la brasure SAC est utilisée pour se connecter au Ni, car ce type d’alliage de brasure contient une source de cuivre.
2). Le « black pad » est un phénomène particulier lié à la fragilité, largement reconnu, en particulier pour les finitions ENIG Ni/Au. Une fragilité évidente apparaît sur le pad ou autour de celui-ci en raison de la soudabilité insuffisante de la surface Ni(P), ce qui finira par réduire la résistance à la fatigue mécanique. Le « black pad » est corrélé au phénomène de fissuration des joints de soudure. Quoi qu’il en soit, l’effet néfaste du « black pad » est lié à une autre forme de fragilité, à savoir la dégradation au fil du temps de la structure optimale de l’alliage métallique.
3). La brasure SAC joue un rôle plus important que la brasure SnPb pendant l’effet de « black pad » et le processus de vieillissement, lorsque la structure de l’IMC devient fragile sur un pad ENIG Ni/Au. La soudure sans plomb doit éviter ou réduire les processus de fragilisation résultant de l’épaississement de l’or dans le revêtement Ni/Au.
4). Même le cycle thermique le plus courant exige généralement que les joints de soudure soient capables de supporter la charge de fluage générée à chaque cycle thermique. En conséquence, la structure de l’IMC sur le pad doit résister à la charge provoquée par le fluage de la soudure. Sous une charge mécanique externe, en particulier celle engendrée par un impact mécanique du système, le fluage de la soudure est généralement très élevé, car la déformation due au fluage dans les joints de soudure est trop importante. Par conséquent, même si la structure de l’IMC est pleinement capable de résister au cycle thermique, les connexions les plus fragiles apparaîtront tout de même lors des essais de force de cisaillement ou de traction.
5). L’Au avec brasure SnPb ajouté dans le procédé de brasage par refusion retournera progressivement à la surface du Ni lors du processus de vieillissement ultérieur, conduisant à (Ni, Au)3Sn4à accumuler sur Ni3Sn4IMC. L’interface ainsi générée est instable et diminuera avec l’amélioration de (Ni, Au)3Sn4épaisseur.
• Effets néfastes du vieillissement en phase solide sur la fiabilité des joints de soudure
Le vieillissement en phase solide peut éventuellement conduire à un épaississement de l’IMC d’interface, avec une forme passant de festonnée à une couche plane et uniforme. Pendant le vieillissement en phase solide, des IMC d’interface excessifs sont générés, avec une ségrégation de certains éléments chimiques qui ne participent pas au processus de formation de l’IMC. Comme l’effet Kirkendall entraîne une diminution de la densité du matériau au cours du processus de formation de l’IMC, un vieillissement excessif en phase solide génère un trop grand nombre de cavités à l’interface brasure/pad.
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