Electronique sans plomb Quel coût pour quel gain?

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Agnès Fleury
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1 Electronique sans plomb Quel coût pour quel gain? Gérard-Marie MARTIN - Michel LE MEAU - Koupaia HENRY VALEO CEE - gerard-marie.martin@valeo.com Travaux partiellement menés dans le cadre d un projet PREDIT (CEPIA) avec comme partenaires Valeo, Alcatel, Schlumberger, STMicroelectronics, Tronico, Promosol, IXL

2 L alliage retenu en passe de devenir standard mondial : SnPbAg "Classics" SnAgCu SnAg T melting ( C) Sn content (%) Pb content (%)

3 L alliage retenu en passe de devenir standard mondial : 120 Tenue mécanique du joint (same chip: 0805 capacitor) 100% # 40 N Mechanical strength (%) SnAgCu SnPbAg Temperature ( C)

capacitor) 100% # 40 N Mechanical strength (%) 100 80

4 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

5 Applications de haute densité : téléphonie mobile Triple refusion de composants CMS Boîtiers de composants à fort # d entrée/sortie (BGAs, ) Connectique CMS (d après ALCATEL)

6 Applications automobile à forte T (125 et 150 C) sous capot : démarreur électronisé, alterno-démarreur,... - Double refusion de composants CMS - Boîtiers de composants numériques, analogiques et de puissance - Brasure de traversants «par point» en robot

.. - Double refusion de composants CMS - Boîtiers de composants

7 Applications pétrolières à très forte T (> 150 C) : - Refusion de composants CMS - Boîtiers de composants numériques et analogiques - critères très sévères de tenue en forte température (d après SCHLUMBERGER)

8 Applications automobile à tendance mécatronique : la carte électronique joue aussi le rôle d interconnexion, comme dans les tableaux de commande sur planche de bord Simple refusion + connectique par «vague» Substrats souvent simple face, de grande surface à très bas coûts

tableaux de commande sur planche de bord Simple refusion +

9 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

10 Procédé de refusion : - Mise au point de profil de température - Dispersion des température atteintes par les différents boîtiers de composants Four de convection forcée Usine VALEO de Meung/Loire

11 Profil de refusion proposé comme standard (d après STMicroelectronics)

12 from

13 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

14 Substrats : une large gamme! PCB density (Class) Current (A)

15 PCB density (Class) 7 Radars 6 Multi Media Access systems MMI with display Body Controller Complex HVAC MMI Light Low cost leveling HVAC MMI Engine control Blower control Wiper control Clutch control Motor control Power Body Switching Frequency (GHz) Current (A)

leveling HVAC MMI Engine control Blower control Wiper control

16 Substrats : des contraintes nouvelles en refusion - tenue des trous métallisés - tenue performances des résines utilisées Expansion in Z Résultats de fiabilité démontrés pour FR4 et +, FR4 FR4 High TG BT mais évaluations en cours pour substrats moins chers (d après Polyclad) Temperature ( C)

Résultats de fiabilité démontrés pour FR4 et +, FR4 FR4 High TG BT mais

17 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

18 Compatibilité entre : Package Resistor 0805 Melf 1206 CER 0805 CER 1206 CTA 2 SOT23 D2 Pack Resonator PCER3 SOP8 Ni SO14 Ni QFP 144 Ni PCB Resistor 2010 CER 1210 (2.2µF, 25V) PCB Bulk terminal or lead frame Al 2 O 3 / AgPbSi Al 2 O 3 / Ta Ba O BaTiO 3/ Ag BaTiO 3 / Cu FeNi *** FeNi *** Cu pur Al 2O 3 / Ag Cu(Fe)** Cu (pure) Cu(Ni)* Al 2O 3 / AgPbSi BaTiO 3 / Cu Surface finish Ni/ SnPb Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) Ni/ Sn (pure) SnPb SnPb Ni / SnPb Ni/Au Ni / Pd Ni / Pd Ni / Pd NiAu Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) NiAu Resistor 1206 Al 2O 3 / AgPbSi Ni/ SnPb Melf 2512 Thermistor 0805 SOP8 Al 2O 3 / CuNi BaOSi MnO, Ni Cu(Fe)** Cu(Fe)** Ni/ SnPb AgPd SnPb SnPb SO 14 Cu(Ni)* SnPb QFP 144 Cu(Fe)** SnPb SMB diode CTA 1 FeNi *** Cu / Sn * type Olin C7025 ** type Olin 194 *** type Alloy 42 - l alliage SnAgCu - les matériaux de base des broches de boitiers - les matériaux de finition des broches

Surface finish Ni/ SnPb Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) Ni/ Sn (pure) SnPb SnPb Ni / SnPb Ni/Au Ni / Pd Ni / Pd Ni / Pd NiAu Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) NiAu Resistor 1206 Al 2O 3 / AgPbSi Ni/ SnPb Melf 2512

19 Compatibilité entre l alliage de brasure et les matériaux One issue for high temperature: growth of Sn intermetallics (Sn-Cu, ) Example of Cu leadframe without Ni barrier and SnAg solder (T = 160 C 1000 hours) Example of Cu leadframe with Ni barrier and SnAg solder (T = 160 C 1000 hours)

leadframe without Ni barrier and SnAg solder (T = 160 C 1000 hours)

20 Profile des interdiffusions métalliques C5-V-c pourcentage massique P Au Ni Cu Ag Sn Pb

21 Corrélation entre La tenue mécanique des joints brasés et l épaisseur des intermetalliques Sn-Cu Mechanical Tenue mécanique strength (N) Diode Valide dans tous les cas! Epaisseur d'iml (µm) Intermetallic thickness (µm) SO8 SnAg SnAgCu SnPbSb

22 Remarques : 1- Effets négligeables en dessous de 140/150 C 2- Effet de la composition du leadframe (Cu+..) sur la croissance des intermétalliques: Epaisseur d'intermétallique Intermetallic (µm) growth (µm) Cu Cu pur Cu(Fe) alloy Théorie Theory Alliage CuFe2% Température Storage temperature de stockage ( C) ( C)

23 Composants BGA avec billes en SnAgCu

24 Boitiers BGA testés Thermal cycles between -65 C up to 150 C Importance of paste rheology, reflow profile and MSL level

25 Compatibilité entre : Package Resistor 0805 Melf 1206 CER 0805 CER 1206 CTA 2 SOT23 D2 Pack Resonator PCER3 SOP8 Ni SO14 Ni QFP 144 Ni PCB Resistor 2010 CER 1210 (2.2µF, 25V) PCB Bulk terminal or lead frame Al 2 O 3 / AgPbSi Al 2 O 3 / Ta Ba O BaTiO 3/ Ag BaTiO 3 / Cu FeNi *** FeNi *** Cu pur Al 2O 3 / Ag Cu(Fe)** Cu (pure) Cu(Ni)* Al 2O 3 / AgPbSi BaTiO 3 / Cu Surface finish Ni/ SnPb Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) Ni/ Sn (pure) SnPb SnPb Ni / SnPb Ni/Au Ni / Pd Ni / Pd Ni / Pd NiAu Ni/ SnPb Ni/ Sn (pure) NiAu Resistor 1206 Al 2O 3 / AgPbSi Ni/ SnPb Melf 2512 Thermistor 0805 SOP8 Al 2O 3 / CuNi BaOSi MnO, Ni Cu(Fe)** Cu(Fe)** Ni/ SnPb AgPd SnPb SnPb SO 14 Cu(Ni)* SnPb QFP 144 Cu(Fe)** SnPb SMB diode CTA 1 FeNi *** Cu / Sn * type Olin C7025 ** type Olin 194 *** type Alloy 42 - l alliage SnAgCu - les matériaux de base des broches de boitiers - les matériaux de finition des broches Spécification et règles de sélection des composants en fonction de leur profil de mission

26 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

27 Application choisie comme demonstrateur (jusqu à 150 C): le démarreur électronisé

28 Fiabilité des joints brasés en cyclage thermique Mechanical strength (N) Case Cu with Ni - Storage at 160 C Physique de défaillance: crack à l interface des intermétalliques épais SnAgCu SnAg Storage time (hour) Mechanical strength (N) Case Cu(Fe) without Ni - Storage at 160 C SnAgCu 10 SnAg Storage time (hour)

29 Comparaison entre SnAgCu and SnPbAg sur FR4/FR4 HTg Tenue mécanique RESTANTE après 1000 cycles -40, +150 C Tenue mécanique restante après cyclage (%) SnAgCu SnPbAg Composants individuels Chaque point représente un composant donné, tracé en fonction de tenue croissante

30 TESTS de FIABILITE enregistrés sur le démonstrateur (1) - standard (85 C/85 C) humidity tests for 1000 hours - combined humidity and bias tests at 85 C for 1000 hours - storage at 40 C for 168 hours - thermal cycles: cycles between 40 C and +140 C, with a cumulated time at 140 C of 1000 hours, cycles between 40 C and +150 C, with a cumulated time at 150 C of 400 hours. Those tests have been applied to both the board alone, and to the system as a whole, including the lead-trough soldering.

31 TESTS de FIABILITE enregistrés sur le démonstrateur (2) - mechanical chocks, consisting in drops of the product on a stiff ground - mechanical chocks, simulating the whole period of use of a starter with all the chocks corresponding to the launch of the core of the coil with its generating vibration on the board and the lead-troughs. In total, more than chocks before and after aging of the part. - aging of the system, with functional operation by steps of 10 C between 40 C and 150 C, cumulating more than functional cycles - vibrations at 150 C for 37 hours, according to the spectrum of the worse diesel case

32 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

33 Procédure pour le développement de nouveaux produits Evaluation en deux étapes : Etape 1 - Liste des procédés devant être utilisés Sont-ils disponibles? Si non => - délais dépendant de la complexité - ou passage en procédé sur FR4, mais plus onéreux

34 Procédure pour le développement de nouveaux produits Évaluation en deux étapes : Étape 2 - Qualification des composants - Sélection suivant guide établi pour un profil de mission - Qualification et garantie devant être assurée par les fournisseurs pour passer le profil de refusion (T plus élevée) pour déclarer le contenu en substances dangereuses L échéancier dépend des fournisseurs Plusieurs fournisseurs s y préparent, ou on même déjà des solutions

35 Quels coûts associés pour quels gains? Gamme des applications Procédés Substrats Composants Fiabilité Phasage d introduction Conclusions

36 Gains Coûts initiaux Coûts récurrents Diminution du plomb!! Fonctionnement à T Qualification des composants + haute intérêt de l automobile!! Fiabilité + élevée des joints brasés, pour la maj des composants Fours de refusion + homogènes en T taille de composants Boîtiers de composants modifiés si nécessaire (brasures en boîtier, plastiques d encapsulation, finitions des broches) Surcouts liés à la crème à braser plus onéreuse (au départ?) Procédés d assemblage un peu plus consommant en énergie, et en matières premières ( %?) Passage du CEM1 & 3 à FR4 onéreux si nécessaire Passage à des plastiques et matières plus résistantes en T si nécessaire (ex : connecteurs en «refusion»)

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