Utilisation du plomb

Oct 22, 2023

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Plusieurs segments du marché électronique restent exemptés des restrictions sur les matériaux sans plomb telles que la législation sur la restriction des substances dangereuses (RoHS). Ces segments de marché ont tendance à être des appareils électroniques utilisés dans des environnements difficiles et/ou qui ont des fonctionnalités critiques pour la vie/le système. Alors que ces segments de marché, qui incluent l'avionique, peuvent utiliser des soudures contenant du plomb, il est de plus en plus difficile de se procurer des composants avancés dans des configurations non conformes à ROHS. Les équipes de conception de produits qui continuent d'utiliser des processus de soudure étain/plomb sont confrontées au dilemme de savoir comment utiliser des composants BGA (ball grid array) qui ne sont disponibles qu'avec des sphères de soudure sans plomb dans leurs processus d'assemblage. Cet article traite de plusieurs aspects de l'utilisation de composants BGA sans plomb dans un processus de brasage étain/plomb : (1) métallurgie mixte ; (2) solidification; (3) moustaches d'étain. Les méthodologies possibles d'utilisation sans compromettre l'intégrité du produit seront discutées.

L'entreprise mixte de métallurgie

La législation environnementale a eu un impact significatif sur l'industrie électronique en termes d'ensembles de matériaux utilisés dans les produits électroniques. L'interdiction de matériaux tels que le cadmium, le chrome hexavalent, le mercure et le plomb a éliminé un certain nombre de composants électroniques et de procédés matériels qui étaient historiquement utilisés dans la fabrication de produits électroniques. L'élimination du plomb pour les alliages de soudure a sans doute le plus grand impact sur les produits électroniques en raison de son rôle de principal matériau fonctionnel mécanique et électrique. La figure 1 illustre comment les tendances mondiales d'utilisation de la soudure montrent le remplacement des alliages de soudure étain/plomb par des alliages de soudure sans plomb depuis 2004, tel que suivi par le programme statistique mondial de soudure IPC.

Les équipes de conception de produits qui continuent d'utiliser des processus de soudure étain/plomb sont confrontées au dilemme de l'utilisation des composants BGA qui ne sont disponibles qu'avec des billes de soudure sans plomb. La combinaison d'un alliage de pâte à souder étain/plomb avec un composant BGA avec des billes de soudure sans plomb se traduit par une microstructure de joint de soudure à "métallurgie mixte" qui présente une mauvaise intégrité du joint de soudure dans de nombreux environnements d'utilisation de produits. Trois solutions industrielles ont émergé comme méthodologies acceptables pour résoudre le problème potentiel d'intégrité des joints de soudure d'une métallurgie mixte (c.-à-d. pièces sans plomb utilisées sur un assemblage étain/plomb, condition). La première solution consiste à envoyer le composant BGA sans plomb à un fournisseur de services externe pour qu'il soit "reballé" (c'est-à-dire que les billes de soudure sans plomb sont retirées et remplacées par des billes d'alliage étain/plomb). Le processus de reballage s'est avéré fiable, à condition que des procédures de processus strictement contrôlées soient suivies. L'avantage d'un composant BGA reballé est qu'il est transparent à un processus de soudure étain/plomb ; les inconvénients sont le coût et le temps nécessaires pour reballer le composant BGA.

Figure 1: Tendances mondiales d'utilisation de la soudure. (Programme statistique mondial de la soudure IPC)

Le rebillage d'un composant BGA nécessite le contrôle de plusieurs paramètres de processus clés : le niveau de sensibilité à l'humidité, la température/le temps de retrait/fixation de la bille de soudure et la propreté du composant BGA rebillé. Des tests de composants fonctionnels sont nécessaires pour s'assurer qu'aucun défaut de processus ou de composant ne résulte du processus de rebillage. L'exemple suivant illustre comment la conduite d'une évaluation fonctionnelle due diligence empêche l'introduction de BGA reballés défectueux dans les produits.

Un composant BGA présentait des erreurs fonctionnelles lors des tests de prototypes d'ingénierie. Le composant BGA en question avait été acheté auprès du fournisseur de composants en tant que BGA sans plomb et a ensuite été reballé à l'aide d'un alliage de soudure eutectique étain/plomb. Une radiographie du BGA suspect a révélé un vidage excessif du joint de soudure.

Figure 2:Image radiographique du suspect BGA.

Les enquêtes de l'industrie ont montré que le vide BGA, en général, n'est pas un problème d'intégrité du joint de soudure, mais est un indicateur clair d'un problème de conception de pastille ou de processus de soudure. Les pastilles BGA ne contenaient aucune technologie de microvia, on pensait donc initialement qu'un problème lié à un dépôt de pâte à souder ou à un profil de refusion était la cause profonde de la vidange. La figure 2 montre les vides excessifs observés dans les joints de soudure BGA lors de l'évaluation par rayons X.

Une analyse transversale métallographique a été effectuée pour vérifier que le vide observé dans le joint de soudure était un problème de processus de soudure. L'analyse transversale a révélé des épaisseurs de plaquettes de cuivre des composants si minces que, pendant le processus de refusion de l'assemblage, la bille de soudure fondue est entrée en contact avec le matériau stratifié BGA, ce qui a entraîné un dégazage qui a créé le vide. La mesure du placage du tampon de cuivre a révélé une barrière de placage au nickel inexistante, ce qui a permis une dissolution du placage de cuivre de 50 % à 100 % du tampon BGA.

Pour lire cet article dans son intégralité, paru dans le numéro de juillet 2017 de SMT Magazine, cliquez ici.