Séminaire Bodycote/Air liquide

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1 Séminaire Bodycote/Air liquide Impacts des réglementations sur les brasures de composants électroniques dans le secteur automobile Florence Le Strat, Cécile Plouzeau, Olivier Delannoye Direction de l Ingénierie des Matériaux Octobre 2010 Confidentiel RENAULT

2 Plan de la présentation Introduction Situation du sujet : les assemblages en électronique Point sur les directives européennes Impacts pour l industrie automobile Discussions et conclusion 2

3 Introduction Objectifs de l'électronique automobile ces 20 dernières années : augmenter la sécurité et le confort améliorer la performance des moteurs rendre les trajets plus confortables Climatisation régulée Applications : Airbag Conducteur passager et latéral Vitres avec commande impulsionnelle Multiplexage ORGANES Aide à la navigation 22 à 30 % du prix d un véhicule Direction assistée électrique Antidémarrage Injection électronique 3

4 Les assemblages en électronique Différents composants Composants à broches : montage en traversant Composant pour montage en surface : composants à pattes, à terminaison, à billes Différents procédés : Vague Vague sélective Fer machine automatique Reflow (four convection ou phase vapeur) 4

5 Spécificités des produits automobiles Grande série Bas coût : faire mieux à moindre coût Haute performance (durabilité, environnement) : les produits doivent être à "zéro défaut" au moment du montage, et présenter sur 10 ans un taux de pannes inférieur à 1/1000 par an Standardisation 5

6 Réglementations et directives européennes Réglementation Européenne VHU 2000/53: Le plomb est interdit dans toutes les pièces automobiles. Etat actuel de la réglementation : Certaines exemptions seront levées en janvier 2011 pour les pièces Electriques / Electroniques. 6

7 Réglementations et directives européennes Synthèse des évolutions de la réglementation européenne VHU 2000/53. Version actuelle de l exemption 8 de l annexe II de la 2000/53/EC L assemblage sur PCB devient exempté jusque début 2016 Cas particuliers de la soudure sur verre Les autres technologies d assemblage restent interdites à partir de début 2011 Traitement des impossibilités techniques 7

8 Réglementations et directives européennes L utilisation du plomb est autorisée jusqu au 1er janvier 2016 (véhicules NT*) pour les technologies suivantes : Report / assemblage des composants sur un circuit imprimé (=PCB) flexible ou pas, les leadframes métalliques, les substrats céramiques; Cela va couvrir essentiellement les matériaux utilisés pour assurer le brasage (par exemple, SAC305 qui remplace Sn63Pb37). La notion de «composants» couvre les composants électroniques, fils, broches, etc Finitions des broches de composants et des connecteurs; Finitions des pistes des circuits imprimés; Les capacités aluminium et le press fit sont traités par les annexes 8(c) et 8(f). Les exemptions couvrent les technologies d assemblage, pas les produits eux-mêmes! 8

9 Réglementations et directives européennes Le plomb utilisé dans des technologies d assemblage par brasure sur des supports qui ne sont pas des circuits imprimés doit être éliminé avant le 1er janvier 2011 (véhicules NT). Pour ces technologies d assemblage, il n y a donc pas de changement par rapport à la version précédente de la directive 2000/53/EC. Les pièces carry-over sont également impactées par cette fin d exemption. Les technologies impactées sont les suivantes : Les brasures entre fils ; Les brasures entre un fil et une broche (moteurs, relais, bobinages, connecteur hors PCB) ; Les liaisons par brasure entre une broche et une patte de composant (exemple une diode brasée directement sur une broche de moteur) ; Finitions des pièces hors composants : interrupteurs, contacts par exemple Et bien d autres *NT = Nouveau Type 9

10 Réglementations et directives européennes Une seconde Directive intervient RoHS : Restriction de l usage de certaines substances dangereuses Plomb Mercure Chrome hexavalent Cadmium Ignifuges à base de diphényle polybromé PBB Ignifuges à base d éther diphényle polybromé PBDE Le champs d application englobe 8 catégories : gros et petits appareils ménagers, équipements informatiques et de télécommunicationsn équipements d éclairage, Le transport n est pas à ce jour intégré. 10

11 Impacts Premier impact : s adapter à la réglementation En terme d organisation : mettre en place un groupe de travail transversal pour proposer une stratégie -- > Renault «lead-free 2010» Tout développement (nouveau ou déjà lancé) doit être «sans-plomb» Substitution du plomb pour les brasures sur circuit imprimé; Substitution du plomb pour les brasures hors circuit imprimé; Substitution du plomb dans les étamages, finitions des composants et connecteurs 11

12 Matières et composants Impacts Sous-ensembles Produits Véhicule Mise en place de mise en conformité Demande auprès des fournisseurs si les matériaux répondent à l évolution de la réglementation Rassembler les déclarations des fournisseurs dans les dossiers techniques 12

13 Impacts Deuxième impact - engager une analyse de risques sur les nouveaux produits Fiabilité Conséquences sur les lignes d assemblage Adapter les profils thermiques sur les équipements et les procédés Développer la maîtrise des flux spécifiques Adapter le standard de contrôle 13

14 Impacts Troisième impact Durabilité - maîtriser les mécanismes de vieillissement des nouveaux Cibler la conséquence sur les produits, en terme de durabilité Comparer les modes de vieillissement de ces alliages par rapport au brasure SnPb (référence) D où modification des Cahier des charges avec de nouveaux tests de validation Augmentation du nombre de cycle pour fiabilité 2000 cycles de 1 heure de - 40 à +125 C, et montée en température maîtrisée - Comportement moteur 14

15 Impacts Alliages SAC (Sn-Ag-Cu) SnPb 63/37 50 ans d utilisation Sn99Cu Tf 227 C + Ag Augmentation de la coulabilité Mais interrogation sur la tenue aux vibrations Et augmentation des coûts SAC 105 Ag 1%, Cu 0,5% SAC 305 Ag 3%, Cu 0,5% Tf C 90% du marché SAC 405 SAC 387 (eutectique Tf 217 C) Dissolution du Cu 15

16 Structure métallurgique SAC305 Matrice Sn Phase intermétallique Ag3Sn Phase intermétallique Cu6Sn5 Cu6Sn5 Eutectique ternaire Ag3Sn, Cu6Sn5, Sn Partenariat avec VALEO dans le cadre d une étude de fiabilité Produits Dendrite d Sn 16

17 Structure métallurgique SnCu Matrice Sn Phase intermétallique Cu6Sn5 Eutectique Cu6Sn5 Dendrite d Sn 17

18 Impacts Etude des évolutions structurales après vieillissement thermique Cyclages thermiques + différents CTE des matériaux (polymère, céramique, métal) => concentration de contraintes en cisaillement dans les joints de brasure Composant PCB Epoxy-fibre de verre Sous l action des contraintes thermomécaniques, la structure évolue Coalescence des phases intermétalliques Recristallisation en grains fins de l étain 18

19 Vieillissement des matériaux Dans les zones de fortes contraintes RECRISTALLISATION DYNAMIQUE Coalescence des intermétalliques présent dans l eutectique Ag3Sn primaire 500 cycles 2000 cycles Aspect général -40 C; +125 C 19

20 Evolution de structure du SAC C; +125 C 500 cycles 2000 cycles Coalescence des phases Ag3Sn et Cu6Sn5 Recristallisation de la matrice 5000 cycles En final décohésion au joint de grain Partenariat avec VALEO dans le cadre d une étude de fiabilité Produits 20

21 Impacts Quatrième impact - mettre en place de nouveaux moyens de caractérisations Analyse métallographique, méthode de polissage et de révélation chimique pour appréhender les microstructures et leurs évolutions, et pour mener à bien les analyses de défaillance. Même durée de cyclage Durabilité similaire 21

22 Impacts Applications de la calorimétrie différentielle DSC Rampe chauffage: 1 C/min 22

23 Conclusions Réorganisation des méthodologies d approbation des produits Les résultats de vieillissements pour les mêmes condition et durée de cyclage montrent une durabilité similaire Toutefois, il faut garder une vigilance pour assurer le passage et garantir des fiabilités malgré la grande diversité des produits Le nouveau challenge sera l évolution des profils de missions avec l introduction des véhicules électriques et la tenue aux contraintes thermomécaniques des brasures haute température. 23