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Apr 08, 2023

Les alliages de soudure sans plomb existent depuis aussi longtemps que les gens font de la soudure, avec des sources remontant à environ 5 000 ans. La plupart de ces alliages étaient des combinaisons comme le cuivre-argent ou l'argent-or et étaient utilisés avec ce qu'on appelle le brasage fort. C'est une technique encore utilisée aujourd'hui pour assembler des métaux précieux et semi-précieux. Un développement beaucoup plus récent consiste à souder des composants électroniques ensemble, en utilisant le «soudage tendre», ce qui implique des températures beaucoup plus basses.

Les premiers brasages tendres utilisaient de l'étain pur (Sn), mais progressivement des alliages ont été recherchés pour résoudre des problèmes tels que le cycle thermique, la résistance aux chocs, la migration des électrons et le développement de moustaches dans les alliages à base d'étain. Alors que le plomb (Pb) a réussi à remplir ce rôle pour la plupart des applications de brasage, l'élimination progressive du plomb des produits, ainsi que les nouvelles exigences pour des composants de plus en plus fins ont nécessité le développement de nouveaux alliages de brasage capables de remplir ce rôle.

Dans cet article, nous examinerons les types de soudure sans plomb couramment utilisés pour les loisirs et l'industrie, ainsi que les dopants utilisés pour améliorer leurs propriétés.

Il y a une bonne raison pour laquelle l'étain (Sn) est si couramment utilisé dans la brasure tendre et les alliages de brasure : il fond à basse température (232 °C) et offre de bonnes propriétés de mouillage (capacité à s'écouler sur la pastille) en plus de sa capacité à se dissout bien avec la plupart des métaux. Cette dernière propriété est cruciale pour former un bon composé intermétallique (IMC). La qualité de cette limite IMC détermine la durabilité du joint. La granularité et le nombre (et la taille) des vides dans l'IMC affecteront cette durabilité.

Les deux types de soudure sans plomb les plus couramment utilisés sont le SnAgCu (étain-argent-cuivre, également appelé SAC) et le SnCu (étain-cuivre). L'alliage SnAgCu avec 3% d'argent et 0,5% de cuivre (SAC305) a été initialement approuvé pour une utilisation dans l'assemblage SMT, avec un certain nombre d'autres alliages SAC. Ces autres alliages sont des types à plus forte teneur en argent, tels que SAC387 (3,8 % Ag) et SAC405 (4 % Ag). Ces alliages d'argent supérieurs sont de véritables alliages eutectiques - changeant complètement de solide à liquide au point de fusion de 217°C. En revanche, SAC305 a une plage comprise entre 217 et 219 °C.

Bien que le SAC soit un alliage de soudure acceptable, l'ajout d'argent augmente son coût. Cela a poussé l'industrie à utiliser des alliages à faible teneur en argent (par exemple SAC0307) ou des alternatives sans argent, telles que SnCuNi.

La clé d'un assemblage fiable réside dans la qualité de l'IMC forcé. Il ne peut pas être trop épais ou trop granuleux, et de préférence ne doit pas avoir de vides Kirkendall.

L'IMC de chaque joint est soumis à différents types de vieillissement et d'endommagement :

Parmi ceux-ci, le cycle thermique et le choc thermique sont liés, en ce sens qu'ils sont tous deux causés par les températures ambiantes. Lorsqu'un joint est exposé à des températures changeantes, ses composants individuels seront soumis à une dilatation thermique, qui est susceptible d'être différente entre différents matériaux. La résistance à la traction du joint détermine alors à quel point la déformation résultante provoquera la formation d'une fissure.

Habituellement, sous cyclage thermique, l'IMC sera sujet à une recristallisation, ce qui provoque une rugosité de l'IMC qui permet la formation de fissures. Des études ont montré que l'ajout de nanoparticules de La2O3 améliore la fiabilité thermique, principalement en inhibant la croissance de l'IMC. Les alliages à haute teneur en argent présentent également une meilleure fiabilité thermique. L'ajout de 0,1% d'aluminium (Al) aux alliages à faible teneur en argent a également eu un tel effet, tout comme l'ajout de Ni, Mn et Bi aux alliages SnAgCu.

L'impact des chutes et les vibrations sont également liés, en ce sens qu'un certain type de déformation mécanique est appliqué, ce qui peut affecter le PCB, le joint et le composant. En particulier avec les puces BGA à grand nombre de broches, un impact de chute peut causer des dommages importants, testant des propriétés telles que la résistance au cisaillement des joints. Les modes de défaillance des vibrations mécaniques sont similaires à ceux des cycles thermiques, causés par le développement progressif de fissures.

Enfin, l'électromigration est la plus insidieuse de toutes, car elle ne nécessite aucune influence extérieure. L'effet ultime de l'électromigration est le transport de matière à l'intérieur de l'articulation et de l'IMC, provoqué par le mouvement progressif des ions, à mesure que la quantité de mouvement est transférée par les électrons et les atomes métalliques diffusants. Le courant dans le joint entre l'anode et la cathode provoque la formation de cavités. Au fil du temps, ces vides deviennent suffisamment grands pour que des fissures puissent se former dans le joint et l'IMC jusqu'à ce que le joint finisse par échouer. À des températures et des courants plus élevés, ce processus s'accélère.

La prévention de l'électromigration implique de réguler la température et la densité de courant, ainsi que d'ajuster la composition et la structure du joint de soudure pour augmenter sa résistance à l'électromigration. Il a été démontré que l'ajout de cobolt (Co) améliore la résistance à l'électromigration, tout comme l'ajout de nickel (Ni) et de bismuth (Bi), ce dernier diminuant également le point de fusion de l'alliage. Les deux semblent améliorer la résistance à l'électromigration en inhibant la croissance de l'IMC, qui semble être un élément clé.

Au cours des années 70, 80 et une grande partie des années 90, pratiquement toutes les soudures étaient effectuées sur des pastilles relativement grandes. La plupart, sinon tout, impliquent une soudure traversante à l'aide de boîtiers DIP ou similaires. Alors que la soudure montée en surface et l'utilisation de boîtiers plus petits tels que SOIC, TSSOP, QFN et BGA sont devenues monnaie courante, la résistance de l'IMC et sa durabilité sont devenues beaucoup plus problématiques à mesure que les pastilles devenaient de plus en plus petites.

Comme nous l'avons vu précédemment, l'électromigration est un enjeu majeur qui, avec ceux de la résilience thermique et mécanique, jouera un rôle majeur aujourd'hui et dans le futur. Les solutions à ces problèmes détermineront une grande partie de la durée de vie de nos appareils, ainsi que si la chute de ce nouveau smartphone sera une simple gêne, ou fracturera une demi-douzaine de minuscules billes de soudure sur le boîtier BGA principal au pas de 0,2 mm.

Bien que le SnCu en tant qu'alliage ne soit pas préféré pour le brasage car le cuivre a tendance à former un IMC plutôt grossier et cassant, une variante de micro-alliage qui peut concurrencer ou surpasser les alliages SnPb et SAC existe depuis les années 90, lorsque Nihon Superior développé SN100C, qui est SnCuNiGe. Malheureusement, cet alliage a été grevé de brevets jusqu'à tout récemment. Il a son point de fusion à 227°C, les 0,05% de Ni favorisant un joint brillant tout en réduisant l'érosion des plaquettes de cuivre. Les 0,009% de Ge favorisent le mouillage et préviennent la formation de scories.

Cet alliage eutectique étant moins cher que les alliages SnCuAg, et ses meilleures propriétés avec par exemple des retouches, il semble être un choix intéressant pour les professionnels comme pour les amateurs. Le brevet ayant expiré (mais « SN100C » toujours déposé), de nombreux fabricants ont maintenant ajouté cet alliage à leur catalogue, y compris Stannol et Felder (Sn100Ni+), ce qui le rend beaucoup plus facile à se procurer.

Au cœur des alliages de soudure se trouve le domaine de la science des matériaux, qui est par définition celui des compromis. Améliorer une qualité dans un domaine et dégrader une qualité dans un autre. Nous pouvons le voir lorsque nous examinons l'utilisation de micro-alliages pour améliorer la stabilité mécanique de l'IMC, ce qui entraîne une moins bonne résistance à l'électromigration, etc.

Parfois, on dit que nous avions trouvé l'alliage de brasage parfait avec de la soudure 63/37 SnPb, mais à mesure que l'électronique se miniaturise de plus en plus et que la recherche sur les alliages de brasage tendre progresse, nous pouvons voir apparaître un certain nombre d'exigences qui n'étaient même pas un problème. dans les années 1990, mais où nous pouvons maintenant appliquer de nouvelles connaissances pour les résoudre. La lecture d'articles scientifiques de 2005 sur le sujet par rapport à aujourd'hui montre vraiment le chemin parcouru.

L'une des propriétés les plus ennuyeuses de l'étain - les moustaches d'étain - reste l'une des plus difficiles à résoudre complètement. Bien que le plomb (Pb) ait inhibé le développement et la croissance des trichites d'étain, ce n'était pas une solution parfaite. Des alliages tels que SnCuNiGe à ce stade semblent offrir des performances comparables à cet égard et ont été recommandés comme solution de remplacement.

Avec des problèmes tels que le cycle thermique et la résistance au cisaillement des joints de soudure toujours plus petits, le raffinage des alliages que nous utilisons pour assembler les PCB est quelque chose qui mérite d'être abordé. Si nous pouvons faire de l'assemblage de plus de 500 boîtiers BGA en plomb et de leur fiabilité sur plus de 10 ans d'utilisation quotidienne une quasi-certitude, cela signifie moins de déchets électroniques qui doivent être recyclés ou qui finissent dans des décharges.

De même, avoir des alliages plus faciles à utiliser et plus fiables pour les amateurs devient également un sujet de plus en plus important. Les amateurs ne se contentent plus de bloquer quelques circuits intégrés DIP de la série 74 dans une carte à trou traversant. Plus souvent, nous voyons que QFN, TSSOP et des packages similaires sont utilisés. Avec un mouillage amélioré et un potentiel de pontage réduit des nouveaux alliages, cela devrait rendre la vie meilleure pour tout le monde.