L'avènement des alliages de brasage sans plomb, imposé par la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) depuis 2006, a révolutionné l'industrie de l'assemblage électronique. Cette transition, bien que nécessaire d'un point de vue environnemental, a introduit de nouveaux défis techniques, particulièrement en ce qui concerne la formation et l'évolution des composés intermétalliques (IMC) dans les joints de brasage.
Présentation des procédés de brasage
L'industrie électronique moderne emploie principalement trois procédés de brasage :
Brasage par refusion : Procédé majoritairement utilisé pour l'assemblage des composants à montage en surface (CMS). La pâte à braser est déposée par sérigraphie, les composants sont placés, puis l'ensemble traverse un four de refusion avec un profil thermique contrôlé.
Brasage à la vague : Technique traditionnelle employée principalement pour les composants traversants (THT) et certaines applications mixtes. Le circuit imprimé passe au-dessus d'une vague de soudure en fusion, créant les joints par contact direct.
Brasage manuel : Réalisé à l'aide d'un fer à souder, ce procédé reste indispensable pour les retouches, les réparations et certains assemblages spécialisés nécessitant une intervention humaine.
Différences avec le brasage étain-plomb
L'alliage eutectique Sn63Pb37, référence historique du brasage électronique, présentait des caractéristiques optimales : température de fusion de 183°C, mouillage excellent et formation d'IMC stables. Les alliages sans plomb, principalement à base d'étain avec des additions de cuivre, argent ou autres métaux, nécessitent des températures de fusion plus élevées (217°C pour Sn-Ag-Cu) et génèrent des IMC aux propriétés différentes.
Cette évolution thermique impacte directement la fiabilité des joints, car les températures de process plus élevées accélèrent la cinétique de formation des composés intermétalliques, influençant ainsi les propriétés mécaniques et électriques des assemblages.
Importance critique des composés intermétalliques
Les IMC constituent l'interface métallurgique entre l'alliage de brasage et les surfaces métalliques à assembler. Leur formation est inévitable et nécessaire pour assurer l'adhésion métallurgique, mais leur croissance excessive peut compromettre l'intégrité du joint. Cette dichotomie fait des IMC un paramètre critique dans l'optimisation des procédés de brasage sans plomb.
2. Alliages de brasage sans plomb
L'alliage Sn-Cu 99,3/0,7 : un exemple représentatif
L'alliage Sn-Cu avec 99,3% d'étain et 0,7% de cuivre représente l'une des compositions sans plomb les plus économiques et largement utilisées dans l'industrie. Sa composition quasi-eutectique (le véritable eutectique étant à 0,6% Cu) lui confère des propriétés intéressantes pour de nombreuses applications.
Propriétés physiques et thermiques
Température de solidus/liquidus : 227°C (solidus) à 229°C (liquidus), créant un intervalle de solidification de seulement 2°C, proche du comportement eutectique.
Résistivité électrique : Approximativement 15 µΩ·cm, légèrement supérieure à l'alliage Sn63Pb37 (13 µΩ·cm).
Conductivité thermique : 73 W/m·K, valeur satisfaisante pour la dissipation thermique dans les joints de brasage.
Module d'élasticité : 50 GPa, conférant une rigidité appropriée aux joints brasés.
Propriétés mécaniques
La résistance à la traction de l'alliage Sn-Cu 99,3/0,7 atteint environ 40 MPa, avec un allongement à la rupture de 35%. Ces valeurs, bien que légèrement inférieures à celles de certains alliages Sn-Ag-Cu, restent compatibles avec la plupart des applications électroniques standards.
La résistance au cisaillement, paramètre critique pour les joints de brasage, se situe entre 25 et 30 MPa selon les conditions de solidification et la microstructure résultante.
Influence sur la formation des IMC
L'alliage Sn-Cu présente une particularité dans sa réaction avec les substrats cuivrés : la présence native de cuivre dans l'alliage modifie la cinétique de formation des IMC par rapport aux alliages purement étain. Cette composition influence directement :
- La vitesse de dissolution du cuivre de surface
- L'épaisseur finale des couches d'IMC
- La morphologie des composés intermétalliques formés
Compatibilité avec les procédés de brasage
Refusion : L'alliage Sn-Cu convient parfaitement au brasage par refusion, avec des profils thermiques adaptés aux composants standards. Sa température de fusion relativement élevée nécessite toutefois des températures de pic comprises entre 245 et 255°C.
Vague : La fluidité acceptable de cet alliage en fait un candidat viable pour le brasage à la vague, bien que certains ajustements de paramètres (température, vitesse) soient nécessaires.
Manuel : La température de fusion élevée peut présenter des défis pour le brasage manuel, nécessitant des fers plus puissants et une technique adaptée.
3. Formation des composés intermétalliques dans le joint de brasage
Mécanismes de formation : nucléation, croissance et épaississement
La formation des IMC suit un processus thermodynamique et cinétique complexe en trois étapes distinctes :
Nucléation : Phase initiale où les premiers germes d'IMC apparaissent aux interfaces métal/alliage. Cette étape est gouvernée par la sursaturation locale en éléments métalliques et l'énergie d'interface.
Croissance : Développement bidimensionnel des germes par diffusion des espèces atomiques. La vitesse de croissance dépend du gradient de concentration et du coefficient de diffusion.
Épaississement : Processus de murissement où l'épaisseur des couches d'IMC augmente selon des lois paraboliques, contrôlé par la diffusion à travers les couches déjà formées.
Types d'IMC dans le système Sn-Cu
Le diagramme de phases Sn-Cu révèle la formation de plusieurs composés intermétalliques, dont deux sont prédominants dans les conditions de brasage :
Cu₆Sn₅ (phase η) : Composé primaire se formant directement à l'interface cuivre/étain. Structure cristalline hexagonale, riche en cuivre. Cette phase présente une croissance préférentielle et constitue généralement la couche la plus épaisse.
Cu₃Sn (phase ε) : Composé secondaire se formant entre Cu₆Sn₅ et le substrat cuivré. Structure orthorhombique, plus riche en cuivre que la phase η. Sa formation est généralement plus lente et son épaisseur reste limitée.
Facteurs influençant la formation des IMC
Température : Paramètre dominant gouvernant la cinétique de formation. Une augmentation de 10°C peut doubler la vitesse de croissance des IMC selon la loi d'Arrhenius.
Temps de brasage : La croissance des IMC suit généralement une loi parabolique t^n où n varie entre 0,5 et 1 selon les conditions et le type d'IMC.
Composition du flux : Les flux activés peuvent influencer la dissolution du cuivre de surface et modifier la morphologie des IMC formés.
État de surface du cuivre : L'oxydation, la rugosité et les traitements de surface (HASL, OSP, ENIG) affectent significativement la nucléation et la croissance des IMC.
Type de composant et masse thermique : Les composants à forte masse thermique créent des gradients thermiques locaux influençant la formation des IMC.
Impact des IMC sur les propriétés du joint
Résistance mécanique : Les IMC, généralement plus durs et fragiles que l'alliage de base, peuvent améliorer la résistance au cisaillement jusqu'à une épaisseur optimale (1-3 µm). Au-delà, la fragilisation domine et dégrade les propriétés mécaniques.
Conductivité électrique : Les composés Cu₆Sn₅ et Cu₃Sn présentent des résistivités électriques supérieures à celle du cuivre pur, mais restent acceptables pour la plupart des applications électroniques.
Fiabilité à long terme : L'épaisseur et l'uniformité des couches d'IMC déterminent la résistance aux cycles thermiques et au vieillissement des assemblages.
4. Différences selon le procédé de brasage
Brasage par refusion
Le brasage par refusion impose un profil thermique contrôlé, typiquement composé de quatre zones :
Zone de préchauffage : Montée graduelle jusqu'à 150-180°C pour activer le flux et éviter le choc thermique.
Zone de trempage : Maintien à température intermédiaire (180-200°C) permettant l'homogénéisation thermique.
Zone de refusion : Montée rapide au-dessus du liquidus (245-255°C pour Sn-Cu) avec un temps au-dessus de 217°C (TAL) de 60-90 secondes.
Zone de refroidissement : Descente contrôlée favorisant une solidification optimale.
Cette approche progressive limite la formation excessive d'IMC tout en assurant un mouillage complet. Les composants déjà brasés subissent une seconde exposition thermique pouvant épaissir les IMC existants.
Brasage à la vague
Le brasage à la vague présente des spécificités critiques :
Contact direct avec l'alliage en fusion : Les composants THT et les pistes du PCB sont directement immergés dans la vague de soudure à 250-260°C, créant des conditions de formation d'IMC différentes.
Temps de contact variable : Fonction de la vitesse de convoyage (0,5-2 m/min) et de la géométrie des composants.
Risque de reliquéfaction : Les composants CMS pré-brasés peuvent subir une reliquéfaction partielle, modifiant les IMC existants.
Influence de la hauteur de vague : Détermine l'immersion et donc l'exposition thermique des différentes zones du circuit.
La formation d'IMC en brasage vague est généralement plus rapide qu'en refusion en raison du contact direct avec l'alliage à haute température.
Brasage manuel
Le brasage manuel implique des défis spécifiques :
Contrôle thermique limité : La température du fer (300-380°C) et le temps d'application dépendent de l'habileté de l'opérateur.
Formation d'IMC localisée : La zone affectée thermiquement est limitée, mais les températures locales peuvent être très élevées.
Risque de surchauffe : Une application prolongée peut générer des IMC excessivement épais et fragiles.
Variabilité inter-opérateurs : La formation d'IMC peut varier significativement selon l'expérience et la technique de l'opérateur.
5. Évolution des IMC dans le temps et fiabilité
Croissance post-brasage et vieillissement
Après le brasage initial, les IMC continuent d'évoluer selon plusieurs mécanismes :
Diffusion à l'état solide : À température ambiante, la diffusion reste négligeable, mais s'accélère exponentiellement avec la température selon la loi d'Arrhenius.
Cycles thermiques : Les variations de température en service (marche/arrêt des équipements) accélèrent la croissance des IMC par activation thermique répétée.
Vieillissement isotherme : L'exposition prolongée à des températures élevées (stockage, fonctionnement) provoque un épaississement graduel des couches d'IMC.
Lois de croissance temporelle
L'épaisseur des IMC suit généralement une relation de type :
x = k × t^n
où :
- x = épaisseur de la couche d'IMC
- k = constante de vitesse (fonction de la température)
- t = temps
- n = exposant temporel (typiquement 0,5 pour la diffusion pure, pouvant atteindre 1 dans certaines conditions)
Effets sur les propriétés mécaniques
Résistance initiale : Les IMC fins (< 3 µm) renforcent généralement le joint par ancrage métallurgique.
Seuil critique : Au-delà de 5-10 µm d'épaisseur, la fragilisation devient prépondérante, réduisant la résistance à la fatigue et aux chocs thermiques.
Mode de rupture : Les joints avec IMC épais tendent à se rompre dans les couches intermétalliques plutôt que dans l'alliage de brasage.
Impact sur la conductivité électrique
L'évolution des IMC affecte la résistance électrique du joint :
Résistivité des IMC : Cu₆Sn₅ présente une résistivité de ~15 µΩ·cm, Cu₃Sn ~20 µΩ·cm, supérieures au cuivre pur (1,7 µΩ·cm).
Épaississement progressif : L'augmentation d'épaisseur des IMC se traduit par une hausse graduelle de la résistance de contact.
Seuils acceptables : Pour la plupart des applications, les variations de résistance restent négligeables jusqu'à des épaisseurs d'IMC de 10-20 µm.
6. Analyse des phénomènes critiques
Réactions avec composants à forte masse thermique
Les composants volumineux (connecteurs, transformateurs, condensateurs de puissance) créent des défis spécifiques :
Gradient thermique : La masse thermique importante génère un retard à l'échauffement, créant des gradients de température au sein du joint.
Temps de brasage prolongé : L'atteinte de la température de brasage nécessite souvent des profils thermiques étendus, favorisant la croissance des IMC.
Dissipation thermique : L'évacuation rapide de la chaleur peut créer des solidifications hétérogènes et des contraintes internes.
Fissuration et fragilisation des joints
Plusieurs mécanismes peuvent conduire à la défaillance des joints riches en IMC :
Contraintes thermiques : Les différences de coefficient de dilatation thermique entre IMC, alliage et substrat génèrent des contraintes cycliques.
Fissuration intergranulaire : Les joints de grain des IMC constituent des sites préférentiels d'amorçage de fissures.
Propagation de fissures : Une fois amorcées, les fissures se propagent préférentiellement dans les phases fragiles.
Influence des géométries de pads et types de PCB
Forme des pads : Les géométries rectangulaires favorisent la concentration de contraintes aux angles, tandis que les formes arrondies répartissent mieux les tensions.
Épaisseur de cuivre : Les pistes épaisses (70-105 µm) offrent un réservoir de cuivre plus important, influençant la formation d'IMC.
Type de substrat : Les PCB rigides, flexibles ou rigid-flex présentent des comportements thermiques et mécaniques différents affectant les IMC.
7. Méthodes de contrôle et d'évaluation
Micrographie et analyses métallographiques
Préparation des échantillons : Enrobage à froid, polissage graduel jusqu'au micron, attaque chimique sélective révélant les interfaces.
Microscope optique : Observation des couches d'IMC, mesure d'épaisseur, évaluation de l'uniformité et détection des défauts macroscopiques.
Mesures quantitatives : Détermination statistique des épaisseurs d'IMC sur populations représentatives, calculs de moyennes et écarts-types.
Microscopie électronique à balayage (SEM) et analyse X
Imagerie haute résolution : Le SEM permet l'observation détaillée de la morphologie des IMC, révélant la structure cristalline et les défauts microstructuraux.
Analyse compositionnelle EDS : La spectrométrie à dispersion d'énergie confirme la composition chimique des phases identifiées et détecte les éléments traces.
Cartographie élémentaire : Répartition spatiale des éléments chimiques révélant les gradients de composition et les zones de transition.
Radiographie X industrielle
Contrôle non destructif : Détection des vides, fissures et défauts internes sans altération des échantillons.
Analyse quantitative : Évaluation de la densité des joints, corrélation avec la qualité métallurgique.
Évaluation préliminaire de la brasabilité
L'application des normes J-STD-002 et J-STD-003 constitue une étape préventive essentielle :
Tests de brasabilité des composants (J-STD-002) : Évaluation systématique du mouillage des terminaisons de composants avec les alliages sans plomb, permettant de prédire la qualité d'interface et les risques de formation d'IMC défaillants.
Tests de brasabilité des PCB (J-STD-003) : Validation de la compatibilité des finitions de surface (HASL, OSP, ENIG, ImSn) avec les procédés de brasage sans plomb et évaluation de leur impact sur la formation d'IMC.
Critères de mouillage : Les tests standardisés définissent des seuils quantitatifs de mouillage (angle de contact, vitesse d'étalement) corrélés avec la qualité métallurgique finale des joints.
Paramètres thermiques critiques
Température de pic : Optimisation entre mouillage suffisant et limitation de croissance des IMC (245-255°C pour Sn-Cu).
Temps au-dessus du liquidus (TAL) : Compromis entre homogénéisation complète et formation excessive d'IMC (60-90 secondes).
Vitesse de refroidissement : Impact sur la microstructure finale et les contraintes résiduelles (2-6°C/s recommandé).
Gradients thermiques : Limitation des écarts de température simultanés sur le circuit (< 5°C/cm).
8. Bonnes pratiques et recommandations
Optimisation du profil thermique selon le procédé
Refusion : Adaptation du profil à la masse thermique des composants, utilisation de zones de convection forcée pour l'homogénéisation, validation par thermocouples multiples.
Vague : Contrôle strict de la température de l'alliage (±2°C), optimisation de la vitesse de convoyage selon la complexité des circuits, ajustement de la hauteur de vague.
Manuel : Formation des opérateurs aux techniques de brasage sans plomb, utilisation de fers à température contrôlée, limitation du temps d'application.
Type de composants et stratégies d'assemblage
Composants sensibles : Identification et traitement spécifique des composants limitant les profils thermiques.
Assemblage séquentiel : Organisation des étapes de brasage pour limiter les expositions thermiques multiples.
Conception pour la fabrication : Intégration des contraintes de brasage dès la phase de conception des circuits.
Gestion des flux et nettoyage
Sélection des flux : Choix d'activateurs compatibles avec les alliages sans plomb et les finitions de surface.
Application contrôlée : Quantités optimisées évitant les résidus excessifs et les défauts de mouillage.
Nettoyage post-brasage : Élimination des résidus de flux pouvant affecter la fiabilité à long terme.
Conformité aux normes IPC
IPC-A-610 : Critères d'acceptabilité des assemblages électroniques, spécifications visuelles des joints brasés, classification des défauts.
J-STD-001 : Exigences pour les assemblages électroniques brasés, procédures de brasage, critères de formation des joints.
IPC-9701A : Guide de performance des assemblages sans plomb, corrélation entre paramètres de process et fiabilité.
Ces normes fournissent les référentiels indispensables pour :
- Définir les critères d'acceptation des joints
- Établir les procédures de contrôle qualité
- Assurer la traçabilité des process de fabrication
- Garantir la conformité réglementaire
Validation et contrôle qualité
Plans d'échantillonnage : Définition de populations représentatives pour l'évaluation des IMC.
Critères d'acceptation : Établissement de seuils d'épaisseur d'IMC selon l'application et les exigences de fiabilité.
Suivi statistique : Mise en place d'un contrôle statistique des process (SPC) pour la maîtrise des paramètres critiques.
9. Conclusion
Synthèse des points critiques
La maîtrise des composés intermétalliques dans les assemblages sans plomb constitue un enjeu majeur de l'électronique moderne. Les principales conclusions de cette analyse technique sont :
Inévitabilité contrôlée : La formation d'IMC est un phénomène naturel et nécessaire, mais leur croissance doit être maîtrisée pour optimiser les propriétés des joints.
Spécificité des procédés : Chaque technique de brasage (refusion, vague, manuel) présente des caractéristiques particulières de formation d'IMC nécessitant des approches adaptées.
Compromis performance-fiabilité : L'optimisation des paramètres de brasage résulte d'un équilibre entre qualité métallurgique immédiate et durabilité à long terme.
Importance du contrôle des IMC pour la fiabilité
La fiabilité des assemblages électroniques dépend directement de la qualité des joints de brasage. Les IMC, en tant qu'interface critique, influencent :
- La résistance mécanique aux sollicitations
- La stabilité électrique dans le temps
- La tenue aux cycles thermiques
- La durée de vie en service des équipements
Un contrôle rigoureux des IMC, basé sur une compréhension approfondie des mécanismes physico-chimiques, constitue donc un prérequis pour garantir la performance des produits électroniques.
Perspectives d'évolution
L'évolution continue des technologies électroniques impose de nouveaux défis :
Miniaturisation croissante : La réduction des dimensions des joints accentue l'importance relative des IMC et nécessite des techniques de contrôle plus précises.
Nouvelles compositions d'alliages : Le développement d'alliages sans plomb innovants (micro-additions, alliages nanostructurés) ouvre de nouvelles perspectives d'optimisation.
Intégration 3D et assemblages hétérogènes : Les architectures complexes multiplient les interfaces et les contraintes thermiques, complexifiant la gestion des IMC.
Outils de simulation avancés : Le développement de modèles prédictifs de croissance des IMC permettra une optimisation plus fine des procédés.
L'industrie électronique continue d'évoluer vers des assemblages plus fiables et durables, où la maîtrise des composés intermétalliques demeure un facteur clé de succès. Cette expertise technique, combinée à une veille technologique permanente et à l'application rigoureuse des bonnes pratiques, garantit l'adaptation aux défis futurs de l'assemblage électronique sans plomb.
Références
-
IPC-A-610G - "Acceptability of Electronic Assemblies", IPC International, 2020. Standard de référence pour les critères d'acceptation des assemblages électroniques incluant les spécifications sur les joints de brasage sans plomb.
-
Tu, K.N. - "Solder Joint Technology: Materials, Properties, and Reliability", Springer, 2007. Ouvrage de référence sur la métallurgie des joints de brasage et la formation des composés intermétalliques dans les systèmes Sn-Cu.
-
Laurila, T., Vuorinen, V., & Kivilahti, J.K. - "Interfacial reactions between lead-free solders and common base materials", Materials Science and Engineering R, Vol. 49, pp. 1-60, 2005. Publication scientifique détaillée sur les réactions interfaciales et la formation d'IMC dans les alliages sans plomb.
-
IPC J-STD-001G - "Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies", IPC International, 2021. Norme définissant les exigences techniques pour les assemblages brasés incluant les procédures spécifiques aux alliages sans plomb.
-
Zhang, L., Xue, S.B., Zeng, G., Gao, L.L., & Ye, H. - "Interface reaction between SnAgCu/SnCu solders and Ni-P under bump metallization during multiple reflow processes", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 635, pp. 50-60, 2015. Étude approfondie de l'évolution des IMC lors de multiples cycles de refusion.