Soudure sans plomb: enjeux et perspectives

Soudure sans plomb: enjeux et perspectives Dès 1er juillet 2006, la directive européenne ROHS interdit l usage du plomb dans la soudure électronique. Quels changements pour le quotidien de nos métiers techniques? Quelles alternatives : avantages, inconvénients et solutions. MGR LTSI Merci à tous de votre présence et de l intérêt que vous portez à ce thème. J ai eu la chance de participer à un séminaire sur la brasage sans plomb à l Ecole d Ingénieur d Yverdon en 2005, co-organisé par Egli, Fischer, Weller, Cobar (producteur de crème à souder et de flux) et EPM-IBL (fabriquant de machines à souder industrielles). En 2006, j ai introduit quelques exercices à ce sujet dans mon programme d atelier de 1ère année. Et depuis la rentrée 2007, j ai complètement migrer dans cette technique. Il n y a plus de plomb dans l atelier et les apprentis de 1ère ne savent pas ce qu est souder avec un alliage contenant du plomb! Je tiens à souligner que je ne sais pas TOUT à ce sujet mais TOUT ce que je sais, je vais vous le dire!! MGR - 12.02.08 1

Objectifs de formation Connaître les dernières informations à ce sujet Découvrir les différences entre alliages Appliquer de nouveaux référentiels de contrôles Appliquer de nouveaux référentiels de processus Une pause de 30 minutes est prévue entre 19h00 et 19h30. De plus ne pas hésiter à poser des questions contextuelles, c est même encouragé dans le but de pouvoir partager ses expériences. Par contre, il pourrait arriver que je n y réponde pas sur le champ car le thème fera pet-être l objet d une prochaine diapositive. MGR - 12.02.08 2

Les dangers du plomb Très faibles à basse température Très nocif à l évaporation (dès 450 C) Rejoint le cycle de l eau Troubles neurologiques Malformations de naissance Saturnisme Se cumule dans l organisme Le plomb exposé aux pluies acides se dissout dans le sol, rejoint les nappes phréatiques et se retrouve dans l eau potable! Le plomb peut détériorer chaque organe du corps, le plus sensible reste le système nerveux suivi des reins et cause la stérilité. Mais il augmente aussi notre temps de réaction, affaiblit la mémoire, provoque de l anémie et des troubles sanguins. MGR - 12.02.08 3

Les législations dans le monde Mais finalement tout le monde est entrain d y passer pour pouvoir vendre ses produits en Europe. Cela devient d ailleurs presque impossible de trouver des composants électroniques non conformes ROHS! La ROHS est la directive 2002/95/CE du parlement EU et du conseil du 27.01.2003. En fait, ce n est pas une interdiction absolue mais il faut qu il y ait une présence inférieure à 1000ppm (0.1% du poids) de plomb. Ce même jour a été adopté également la directive 2002/96/CE concernant les déchets d équipements électriques et électroniques nommée WEEE (Wast of Electrical and Electronics Equipment) Par ROHS, on entend: plomb, mercure, chrome hexavalent, PBB, PBDE et halogènes. MGR - 12.02.08 4

Où trouve-t-on le plomb? Batteries 79% Munitions 5% Peinture 4.7% Gaines 1.8% Feuilles de plomb 1.7% Matériaux de fonte 1.3% Tuyauterie 0.8% Bronze, laiton 0.8% Soudure mécanique 0.7% Soudure électronique 0.6% Divers 3.6% A votre avis, quels sont les domaines consommant le plus de plomb? Il y a quelques années, ce tableau comprendrait encore l essence qui contenait également du plomb. Elle est confondue aujourd hui dans les 3.6% de «divers». Pour comparaison, on compte un peu moins que 10g de plomb dans les soudures d une carte mère d un ordinateur. Une seule batterie au plomb de 9kg abandonnée équivaut donc à 1000 PC jeté dans la nature!!! MGR - 12.02.08 5

Où trouve-t-on les 0.6% A: joint SnPb 70% B: finition du PCB 25% C: finition composant 5% D: FR4 0% La finition du PCB comprend: l étamage des pastilles (parfois des pistes) et la métallisation des trous. Par interdiction de l usage du plomb, la ROHS comprend égal ou moins de 0.1% en poids total de la part du plomb dans la soudure. Ces 0.6% représentaient au niveau mondial 65 000 tonnes de besoin en plomb annuel! Et environ 40% se retrouvaient dans les décharges d enfouissement! MGR - 12.02.08 6

Champs d application Appareils ménagers Equipements informatiques Equipements de télécomunications Produits grand public Matériel d éclairage Outils électriques Jouets Equipement de loisirs Distributeurs automatiques tout ce qui est «consommation de masse» Tout ce qui est prototype, exercice didactique ou petite série interne n est pas touché pour notre établissement, (pour autant que la fourniture provienne d ancien stock). Par contre sitôt que notre travail sera en relation avec l extérieur, il faut revoir la question. D autant plus que tous les composants électroniques disponibles sur le marché européen sont maintenant sans plomb. Ca, c est certain. MGR - 12.02.08 7

Les exceptions Armes, munitions, matériel militaire Matériel de sécurité nationale Avionique Dispositifs médicaux implantés dans le corps Les soudures à haute température de fusion Les serveurs informatiques (jusqu en 2010) Et tout ce qui n est pas remplaçable par du sans plomb (ex: batterie au plomb!) Car rien n est sûr quant à la fiabilité du sans plomb. Pas assez de recul. La liste des exceptions est revue tous les 4 ans par la directive. MGR - 12.02.08 8

Le bon vieil alliage SnPb Diagramme de phase de l alliage Sn/Pb. En réalité la proportion de plomb était idéalement à 37% afin d obtenir une zone pâteuse nulle (point eutectique). MGR - 12.02.08 9

Alliages alternatifs avec l étain Avantages Inconvénients Argent Améliore l étalement Cher Cuivre Diminue la température de fusion - Zinc Diminue la température de fusion Oxydation rapide Indium Bismuth Améliore l étalement Diminue la température de fusion Améliore l étalement Diminue la température de fusion Cher et rare Toxique La température de fusion de l ancien alliage Sn60/Pb40 était à 183 C (Solidus), 190 C (Liquidus). La température de fusion de l étain pur est à 232 C et il s étale peu. Celle du plomb pur est à 327 C et il s étale beauco up. Voici donc les matériaux papables pour un nouvel alliage de remplacement. MGR - 12.02.08 10

Les alliages eutectiques Eutectique: mélange de 2 corps purs qui fond et se solidifie à une température unique et différente que celle des corps purs seuls. L eutectique le plus célèbre est l ajout de sel à l eau pour les routes gelées! MGR - 12.02.08 11

Les «SAC» Après des essais sur plusieurs années et avec plus de 100 configurations d alliages différentes, les grandes associations de fabricants ont opté pour les alliages SAC (NEMI pour les USA, JEIDA pour le Japon et Ideals pour l Europe). MGR - 12.02.08 12

Les «SAC» Solidus C Liquidus C Standard 95.5%Sn 3.8%Ag 0.7%Cu 95.5%Sn 3.9%Ag 0.6%Cu 96.5%Sn 3%Ag 0.5%Cu 217 220 Ideals (Europe) 217 225 Nemi (USA) 217 220 Jeida (Japon) Pour les dénominations: SAC387 = 3.8% Ag, 0.7%Cu et le solde de Sn (ce que j utilise, disponible chez Cédis, 0.7mm, 500g, 60.-) SAC396 = 3.9% Ag, 0.6% Cu et le solde de Sn SAC305 = 3% Ag, 0.5% Cu et le solde de Sn etc... MGR - 12.02.08 13

Conséquences Température de fusion plus élevée Nouveaux inconvénients MGR - 12.02.08 14

L aspect de surface On doit perdre l habitude de beaux joints de soudure lisses et brillants, c est désormais rugueux et mat! MGR - 12.02.08 15

Force coalescente (coalescent force) Expérience: En déposant des billes de soudure sur une plaque de cuivre, celles contenant du plomb s étalent, celles sans plomb restent dans leurs formes originelles. MGR - 12.02.08 16

La force de mouillage (wetting) MGR - 12.02.08 17

La force de mouillage (wetting) Exemple de poor wetting. MGR - 12.02.08 18

Angle de mouillage et remontée Lié à l effet de capillarité. Avec le sans plomb, il est presque à 90. Auparavant la règle était: pas plus de 45! La remontée est de 1/3 en moins avec les alliages sans plomb. MGR - 12.02.08 19

Auto-centrage (self-centering) MGR - 12.02.08 20

Auto-centrage (self-centering) Très important pour les BGA. Un contrôle radiographique devient presque nécessaire après le soudage d un BGA ou FBGA à plusieurs centaines de billes (en plus de tests de fonctionnement tels que JTAG). D abord, on pensait que cet énorme inconvénient associé à celui du peak de chaleur allait certainement provoquer l abandon du système à billes (BGA) mais il semble qu il n en est rien. MGR - 12.02.08 21

Effet popcorn Très sensible sur les BGA de nouveau, cet effet est provoqué par un gonflement du boîtier plastique sous l effet de chaleur excessive. Il est le plus souvent sous le circuit intégré et ne se voit pas autrement que par les rayons X. MGR - 12.02.08 22

Effet popcorn Cette déformation du boîtier diminue l espace entre le corps de la BGA et le PCB, ce qui élargit la place prise par la bille et provoque des court-circuits, voire un éclatement de la bille à l état pâteux à cause de la pression qu elle subit. MGR - 12.02.08 23

Effet popcorn Exemple maison. MGR - 12.02.08 24

Trous d air (air voids) Provoqué lors du dégazage de l alliage d étamage du PCB qui a une température de fusion plus basse que celle de la bille. MGR - 12.02.08 25

Trous d air (air voids) Exemple maison. IPC7095: Classe 3: 9% Classe 2: 9-20.25% Classe 1: > 20.25% MGR - 12.02.08 26

Effet de pierre tombale (tombstone) MGR - 12.02.08 27

Effet de pierre tombale (tombstone) L effet est d autant plus fréquent que la masse du composant est petite. Cela devient un cauchemar avec les boîtier 0402... MGR - 12.02.08 28

Effet de pierre tombale (tombstone) Et c est la plus grande cause d imperfections de production! MGR - 12.02.08 29

Filaments d étain (whiskers) C est une sorte de favori monocristal qui pousse sur l étain pur. L alliage SAC comprenant entre-autres étain et cuivre, les whiskers vont apparaître. Leur phénomène n est pas encore complètement expliqué. Il se résout pour l instant à un judicieux choix du flux dans sa capacité protectrice par film sur le joint. MGR - 12.02.08 30

Filaments d étain (whiskers) On comprend mieux pourquoi l avionique ne veut pas d alliage sans plomb... et tant mieux pour nous! MGR - 12.02.08 31

Filaments d étain (whiskers) Grave, ici une photo prise par la Nasa montrant l apparition de 28 micro-courtcircuits entre 2 corps après 3 ans dans des conditions ambiantes des plus normales. MGR - 12.02.08 32

Monticules (hillocks) Etude par microscopie électronique à balayage des variations morphologiques externes dans les échantillons suivants: couche de cuivre sur couche d'étain déposée à température ambiante, couche d'étain sur celle de cuivre déposée à 623 K, couche de cuivre déposée à température ambiante sur celle d'étain. Ces échantillons sont soumis à un vieillissement à température ambiante et à un recuit. Le vieillissement conduit à la formation de «whiskers» (trichites) et de «hillocks» (excroissances monticulaires). Le recuit donne seulement naissance à des «hillocks». Il est de 1 heure à une température de 150 C. MGR - 12.02.08 33

Peste de l étain (tin pest) Apparaît lorsque l étain est conditionné à une température inférieure à 13.2 C (passe d étain blanc à étain gris). MGR - 12.02.08 34

Coûts Soudure Sn60/Pb40 SAC387 3x plus chère 40.- / kg 120.- / kg Energie +15% Renouvellement des outils de production En grande partie à cause de la présence d argent, la soudure est 3x plus chère(prix catalogue Distrelec 2007). Mais actuellement la soudure Sn60/Pb40 prend également l ascenseur car elle devient rare... L énergie en jeu pour faire fondre l alliage augmente de 15%. Pour le simple technicien, il faut simplement un nouveau fer mais pour la production industrielle, les problèmes deviennent plus conséquents (expliqués par la suite). MGR - 12.02.08 35

Le problème des + 30 C La plupart des composants et des circuits imprimés ne supportent pas des températures supérieures à 235 C. MGR - 12.02.08 36

L impact de la température sur les composants Les circuits imprimés se délaminent dans les 2 à 4 mois suivants s ils ont été chauffés à plus de 260 C. MGR - 12.02.08 37

Moisture Sensitivity Level (MSL) Les composants supportant pendant quelques secondes la pointe à 260 C ont un MSL qu il faut respecter pour assurer cette caractéristique. Ceux ayant le niveau 1 peuvent être indéfiniment exposés à l air ambiant. En principe ceux qui n ont aucun MSL ne supportent pas les 260 C. MGR - 12.02.08 38

Moisture Sensitivity Level (MSL) Exemple de CPLD reçues il y a un mois MGR - 12.02.08 39

Les labels et codes Dénominations: www.wbc-europe.com e1 - SnAgCu (shall not be included in category e2) e2 - Sn alloys with no Bi or Zn excluding SnAgCu e3 - Sn e4 - Preplated (e.g., Ag, Au, NiPd, NiPdAu) e5 - SnZn, SnZnx (no Bi) e6 - contains Bi e7 - low temperature solder (</= 150C) containing Indium e0, e8, e9 symbols are unassigned at this time Lead free répond aux normes RHOS (égal ou inférieur à 0.1% en poids) Pb free va au delà avec 0% de plomb e* indique l alliage utilisé Si g* est noté, cela signifie «green» en plus du plomb, le composant est exempt d autres produits interdits (ex: halogènes) Ensuite presque chaque fabricant à sa dénomination dans le No de série MGR - 12.02.08 40

Les labels et codes dénominations Aujourd hui, on rencontre plus souvent ce genre de label. MGR - 12.02.08 41

Le test sans plomb A l image des tests de grossesses, apparaissent aujourd hui des test sans plomb. Il suffit de passer ce bâtonnet sur des joints de soudure, s il devient rose, il indique la présence de plomb! Gare aux fraudeurs!! La sanction en cas de non respect de la directive est de classe 5, jusqu à 1 500 par produit avec interdiction de vente (contravention grave). MGR - 12.02.08 42

Solutions brasage manuel Adapter les nouvelles températures eutectiques (panne entre 380 et 450 C) Utiliser un poste thermorégulé d au minimum 80W Diminuer la température de la panne en attente (Stop+GO) Préchauffer le circuit Adapter le flux en fonction des applications Acquérir un nouveau savoir-faire Les pannes se dégradent dès 380 C. Avec la soudure sans plomb, on réduit de 4x la durée de vie d une panne. Absolument passer de 50 à 80W afin d amener plus rapidement les calories au joint de soudure. Le nouveau système Stop+GO de Weller garde le fer à 150 C lorsqu il est dans son support et passe en 3 secondes à 380 C lors qu on le reprend en main. Utiliser de l eau distillée pour nettoyer les pannes par l éponge ou mieux abandonner l éponge et passer au nettoyage à sec (copeaux métalliques spéciaux). Souvent décaper les pannes, sitôt qu elles deviennent noires (3-4x par jour!). Les propriétés du flux en fonction des applications peuvent être: décapant, protecteur, tension-actif, viscosité, caloporteur. MGR - 12.02.08 43

La mort des anciennes pannes J ai fait l essai dans l atelier de souder sans plomb avec les anciennes pannes. Résultat: après 3 mois, complètement bouffées... MGR - 12.02.08 44

Le nettoyage à sec MGR - 12.02.08 45

L équipement de base 80W nett. à sec 380 C décapant panne panne LF flux Voici l équipement de base idéal pour maîtriser les nouvelles contraintes et acquérir un nouveau savoir-faire (valeur: env. CHF 420.-). Dans un atelier où du plomb peut encore être présent pour un temps, il faudrait avoir des postes dédiés pour chacune des technologies. Les pannes de type magnastat No 7 ont le point de Curie à 370, les No8 à 410 C mais elles n existent pas en version LF et l e poste n a que 50W. MGR - 12.02.08 46

A vous de jouer... Pour illustrer tout ce qui a été dit jusqu à présent, voici un moment d application. La partie SnPb a été soudée avec un alliage SnPb au préalable. A vous de souder l autre partie avec un alliage SAC. 1) Résistances, sans flux 2) DIP, sans flux 3) DIP, avec flux 4) SOIC, avec flux 5) 0805, 1x avec,1x sans flux 6) Faire fondre fil sur carré 7) Faire fondre pâte sur carré NB: Vous serez étonnés des bons résultats... MGR - 12.02.08 47

La refusion Selon les normes JEDEC: Le peak pour le sans plomb est plus haut (de 240 C à 260 C) et plus long (de 10s à 20s) Par convection: brassage de la chaleur, encore possible mais besoin d une grande maîtrise de la courbe de chauffe. Par IR: trop de différences de température sur un circuit (zone d ombre). De plus, la chaleur doit traverser les composants tels que BGA pour atteindre les billes de soudure. MGR - 12.02.08 48

La vague Modifier les anciennes installations: Traitement de surface de la cuve (cause: oxyréduction Ag/Sn - Cr) Travailler sous chapeau d azote (3x moins de scories) Adapter le flux en fonction des applications L oxyréduction est provoquée par la grande différence entre le potentiel de redox du chrome de la cuve (-0.8V) et l argent de l alliage (+0.8V) L environnement inerte sous azote diminue nettement l oxydation de l alliage, donc des scories et améliore la force coalescente et ses dérivés (mouillabilité, remontée, trous d air). L effet du chapeau d azote est également bénéfique pour les fours à refusion ainsi que pour le brasage manuel (il existe des fers qui souffle de l azote au moment du soudage). La meilleure façon de fluxer est celle par la mousse mais elle rend la machine très sale! (flux conseillé 397-BS) Drapeaux de soudure: bain pas assez chaud. L avance idéale est entre 1 à 1.2m/min MGR - 12.02.08 49

Le grand retour de la phase vapeur Le Galden remplace la fluorine et le fréon La refusion par phase vapeur a été pour un temps abandonnée à cause de l utilisation à l époque de la fluorine et du fréon, qui ont été interdit avec l entrée en vigueur des lois sur les CFC (destructeurs de la couche d ozone). A l apparition des alliages sans plomb, la basse température nécessaire dans le principe de la phase vapeur est devenu un atout sans réserve. Les techniciens ont dès lors remis l ouvrage sur le tapis pour concevoir un produit pouvant remplacer le fréon. Solvay a développé le Galden, il n est interdit par aucune législation. Il existe le type 200 C et le 2 30 C. Je pense que cela deviendra prochainement le système par excellence dans la technologie SMD. Pas besoin de maintenance. Besoin de moins de flux dans la crème à braser et pas de nettoyage avec un flux no clean. Prix du Galden: env 100 /kg MGR - 12.02.08 50

La phase vapeur Voici les courbes de température mesurées sur 4 points d un pcb de 262x300 mm. Tous les points arrivent à la température Liquidus de 220 C pour cet alliage et n'excèdent pas les 230 C de la vapeur du Galden. MGR - 12.02.08 51

Merci pour votre attention Je reste bien sûr à votre disposition pour tout complément d information que je pourrais vous donner ou que vous pourriez m apporter dans vos futures expériences. MGR - 12.02.08 52