SamsPcbGuide, Partie 10: Technologie - Soudage de composants sans plomb

Cet article est le premier article sur les technologies d'assemblage de PCB. Le dernier séminaire de PCB SOFT était consacré à la conception, garantissant la fabricabilité de la carte de circuit imprimé (DFM, design for manufacture). La question a été posée de savoir si les composants BGA sans plomb pouvaient être remis à neuf pour des applications hautement fiables. Les organisateurs du séminaire et les participants ont dit avec confiance que personne n'effectuait cette opération à forte intensité de main-d'œuvre et n'avait jamais rencontré de problème. Dans cet article, j'examinerai de manière critique cette question et tenterai de montrer le danger de telles opinions «généralement acceptées par l'industrie» sur les avantages de la méthode du doute universel de l'ancien René Descartes.


En 2006, la directive RoHS a été adoptée restreignant l'utilisation du plomb et d'autres éléments nocifs reconnus dans l'électronique grand public et industrielle. Cela a conduit au fait que la plupart des fabricants de composants électroniques sont passés à des boîtiers sans plomb, et la commande de composants dans des versions avec des fils contenant du plomb n'est pas toujours disponible. Dans le même temps, la technologie de brasage à l'aide de soudures à haute teneur en plomb n'a pas disparu (dans GOST R 56427-2015 , d'ailleurs, elle est appelée traditionnelle). Le choix de la soudure et / ou de la pâte à souder appartient au développeur de PCB, donc si le choix est fait en faveur d'une soudure contenant du plomb, il y a un problème de brasage de composants sans plomb (procédé anglais en alliage mixte), en particulier dans les cas de type BGA (proportionnalité des parts de soudeurs). Le problème principal est l'effet du mélange de soudure sur la fiabilité du joint. Le GOST ci-dessus donne une réponse sans ambiguïté:


Pour un RES de classe C selon GOST R IEC 61191-1-2010, une panne est inacceptable, l'équipement doit fonctionner à tout moment, y compris dans des conditions difficiles. Ces exigences s'appliquent non seulement aux équipements destinés aux applications militaires et spatiales, par exemple, les systèmes industriels responsables doivent également être fiables.

D'où vient cette exigence dans GOST? Ceci est une question pour les développeurs de la norme, qui, très probablement, ont traduit la norme étrangère, qui a probablement déjà 5-10 ans, et d'où elle vient n'est pas du tout comprise. Et en même temps, les participants au séminaire, dont j'ai parlé au début, représentant une tranche d'électronique domestique d'application précisément responsable, ont secoué négativement la tête au mot «rebillage». Ils ont peut-être une expérience positive, je ne dis pas, je suis simplement contre les généralisations et les assurances basées sur l'ignorance. Qui d'entre eux (et parmi vous lecteurs) a lu la norme? Et ceux qui suivent la norme sont sûrs que cette opération dans le processus de fabrication est nécessaire dans leur cas particulier? L'opération elle-même ne réduit pas la fiabilité? Qui a mené une étude expérimentale de la fiabilité de la technologie de montage en surface utilisée? Parce que le point entier se trouve dans l'expérience, dans l'expérience correctement définie. Une autre source d'information est l'analyse des données disponibles de chercheurs tiers. Ci-dessous, je résumerai plusieurs articles sur la fiabilité du soudage des composants sans plomb.

La température de fusion ( liquidus , T _L ) des soudures sans plomb est de 30 à 40 ^° C plus élevée que celle des soudures contenant du plomb; par conséquent, selon le profil thermique de la soudure et la répartition du champ thermique sur la carte de circuit imprimé, différents degrés de mélange dans le joint soudé peuvent être obtenus (Fig.1). La présence de zones de concentration et d'inhomogénéités à la fois des métaux eux-mêmes et des composés intermétalliques dans le joint de soudure (Fig.2) réduit sa fiabilité à long terme, car de telles macrostructures sont les endroits les plus probables pour la formation et la propagation de fissures (en particulier à basses températures). Bien que la plupart des articles de la liste de la littérature fournissent une analyse des microphotographies de la section transversale des composés, une théorie unifiée de la cause de la fissuration n'est pas tracée.



Le tableau 1 résume les résultats des travaux de recherche, qui étaient basés sur l'expérience typique suivante: pour une combinaison fixe de soudures, le composant BGA (dans certaines expériences, il s'agit d'une disposition de composant non fonctionnelle, dans laquelle il n'y a que des interconnexions pour les conclusions de la construction d'un circuit série), scellé avec divers profils thermiques, thermocyclé jusqu'à une défaillance fonctionnelle ou un non-contact. La dépendance à la taille du boîtier a également été étudiée, dans un certain nombre d'œuvres l'influence de l'emplacement du composant sur la carte de circuit imprimé, l'effet de l'adhésif comme «underfill», la finition de la carte de circuit imprimé, etc.




Lors de l'analyse des données présentées, il convient de ne prêter attention qu'aux indicateurs de fiabilité relative dans le cadre d'une expérience, ainsi qu'aux lois générales de toutes les expériences. L'une des conclusions est la suivante (cela se fait également dans la plupart des articles): lors de l'utilisation de la soudure traditionnelle pour des composants sans plomb, il est nécessaire d'obtenir un mélange complet des soudures à une température de pointe de 220 ... 230 ^o C, tandis que le temps de soudage au-dessus de T _L (SnPb) devrait être de 60- 120 s, temps au-dessus de T _L (SAC) ~ 30 sec.

Les articles n'indiquent pas explicitement si les composants BGA étaient en train de reballonner pour produire des billes contenant du plomb, mais les valeurs de fiabilité réduites pour ces cas suggèrent que le rebillage peut entraîner une diminution de la fiabilité. Un article sur le rebillage [8] rapporte les résultats positifs du cyclage thermique, cependant, la durée déclarée de l'expérience de 24 heures n'a pas pu fournir un nombre suffisant de cycles. Par conséquent, la question de la réduction de la fiabilité à la suite du rebillage reste ouverte, et le soudage mixte avec sélection expérimentale d'un profil thermique est recommandé comme scénario de base.

Je vous exhorte à traiter les données présentées avec un doute universel et à partager votre expérience expérimentale dans les commentaires.

Littérature

[1] Rick Gunn, «Impact des métaux mixtes sur la fiabilité»
[2] Richard Coyle, Raiyo Aspandiar, etc. «L'effet des niveaux de mélange de Pb sur la fiabilité des joints de soudure et le mode de défaillance des ensembles de réseaux de grilles à billes haute densité rétrocompatibles»
[3] Robert Kinyanjui, Quyen Chu, etc. «Fiabilité des joints de soudure des composants du réseau de billes à billes Sn-Ag-Cu (BGA) sans plomb dans le processus d'assemblage Sn-Pb»
[4] Robert Kinyanjui, Raiyo Aspandiar, etc., «Défis liés au profilage de refusion de paquets de réseaux de billes à grande et haute densité (BGA) utilisant des processus d'assemblage rétrocompatibles»
[5] Adam R. Zbrzezny, Polina Snugovsky, etc., «Reliability Investigation of Mixed BGA Assemblies»
[6] Richard Coyle, Richard Popowich, Peter Read, etc. «La relation entre l'assemblage rétrocompatible et la microstructure sur la fiabilité de la fatigue thermique d'un réseau de grille à billes extrêmement grand»
[7] Alan Brewin, Christopher Hunt, etc. «Fiabilité des joints formés avec une soudure en alliage mixte»
[8] J. Li, S. Poranki, M. Abtew, etc. «Évaluation de la fiabilité des BGA rebootés»