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WHISKER ETAIN. 2 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Introduction De nombreux métaux dont l'étain et le zinc produisent des "whiskers"

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Présentation au sujet: "WHISKER ETAIN. 2 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Introduction De nombreux métaux dont l'étain et le zinc produisent des "whiskers""— Transcription de la présentation:

1 WHISKER ETAIN

2 2 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Introduction De nombreux métaux dont l'étain et le zinc produisent des "whiskers" (excroissances) qui se forment spontanément après plusieurs mois voire plusieurs années, sur les revêtements electro-déposés en métal. Les whiskers varient en taille et en forme, ils peuvent se présenter sous la forme de très petites croissances nodulaires ou de longs filaments très fins. Les whiskers d'étain sont connus depuis longtemps et engendrent des courts-circuits dans l'équipement électrique. Plusieurs défaillances ont été largement rendues publiques comprenant les stimulateurs cardiaques dans les années 1980, plusieurs missiles, des satellites américains et récemment ils ont causé la fermeture d'une centrale nucléaire aux Etats-Unis. Bien que leur origine ait été établie récemment, on sait depuis longtemps qu'ils peuvent être évités en ajoutant du plomb pour créer des revêtements en alliage à base détain/plomb, beaucoup moins vulnérables à la formation de whiskers que les revêtements en étain pur. Toutefois avec l'introduction de la Directive RoHS, l'usage du plomb dans l'étain nest plus acceptable et les fabricants ont dû trouver de nouvelles solutions pour prévenir la formation des whiskers.

3 3 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Introduction Lillustration montre un whisker typique denviron 100 microns de long et microns de largeur. Les whiskers peuvent être plus longs et lon connaît des whiskers de plus de 1 millimètre bien que soit très inhabituel. Les défaillances se produisent lorsque les whiskers sont suffisamment longs pour établir un lien entre les terminaux des composants et généralement, seuls les circuits électroniques à pas fin sont vulnérables. Ces whiskers ne sont pas nécessairement un souci ; le risque nexiste que si les filaments sont longs et sur les circuits à pas fin. Des travaux importants ont été menés au cours de la dernière décennie sur lorigine de la formation des whiskers et comment éviter leur formation

4 4 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Pourquoi les whiskers se forment ? On a longtemps pensé mais on na pu le démontrer que récemment que les whiskers se forment pour relaxer les contraintes compressives qui existent dans les étamages. Ces contraintes se produisent naturellement dans les revêtements electro-déposés bien quils puissent être réduits grâce aux bains d'électrodéposition chimiques Un facteur qui a semblé être important était lutilisation dadditifs qui donnent un aspect brillant aux revêtements en étain. Létain brillant étant plus vulnérable que létain mat, les additifs furent présentés comme la cause de contraintes générées. Cependant, des études ont montré quil est possible de produire des surfaces en étain brillant résistant aux whiskers et que certains revêtements en étain mat peuvent produire des whiskers très longs.

5 5 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Pourquoi les whiskers se forment ? Une des principales causes des contrainte dans les revêtements en étain découle des phases intermétalliques sur linterface entre létain et les substrats. L'étain est souvent électrolysé sur le cuivre et le taux de diffusion du cuivre sur l'étain est beaucoup plus rapide que celui de létain sur le cuivre. Par conséquent, des composants intermétalliques en cuivre/étain se forment dans l'étain et le nombre d'atomes sur le revêtement en étain augmente. Puisque le volume na pas changé pour contenir les atomes supplémentaires, il en résulte une contrainte compressive qui provoque la sortie de létain hors du revêtement sous la forme de whiskers. La formation de whiskers peut être évitée soit en minimisant la formation intermétallique de cuivre/étain à laide d'une couche en nickel qui joue un rôle de barrière entre l'étain et le cuivre ou en modifiant la structure intermétallique par cuisson.

6 6 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Pourquoi les whiskers se forment ? Cependant dautres facteurs de contrainte favorisent la formation des whiskers. Létain électrolysé possède une structure en grain et la surface de ces grains oxyde au contact de l'air. Si lhumidité est très élevée, et des études récentes ont également démontré que si latmosphère est corrosive, loxyde produit est relativement volumineux et, se forme entre les grains, générant une contrainte à lorigine de la formation des whiskers. Lhumidité est donc utilisée pour tester les composants et déterminer leur vulnérabilité aux whiskers. Un troisième facteur est la contrainte due à lexpansion thermique différentielle entre le substrat et le revêtement. Le cuivre et l'étain possèdent des coefficients d'expansion similaires (TCE) et par conséquent les différences de température ont un effet moindre mais certains composants, principalement les CI japonais utilisent des substrats à faible TCE - le plus connu étant l'alliage 42 à base de fer et de nickel. Les contraintes compressives sont produites pendant le chauffage puisque l'expansion de létain est limitée par l'expansion plus faible du substrat. Les dommages physiques peuvent également générer des contraintes bien que des études ont montré quil ne sagissait pas de la cause principale. Toutefois le placage à létain des connecteurs et des prises peuvent favoriser la formation des whiskers suite à la déformation de la surface.

7 7 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Comment éviter les défaillances? Des recherches ont pu identifier les principaux facteurs et recommander des mesures pour minimiser le risque de formation des whiskers. INEMI a un site Web très utile qui décrit les principales méthodes pour la prévention des whiskers. Les approches principales sont : Éviter les dépôts détain par électrolyse – iNEMI recommande d'éviter les dépôts détain par électrolyse Les alternatives telles que les alliages à base de nickel/or ne produisent pas de whiskers mais létamage par immersion à chaud est également moins vulnérable. Épaisseur détain – ce n'est pas une directive puisque tout dépend du substrat. Avec l'étain plaqué sur le cuivre, une couche détain plus épaisse est moins vulnérable quune couche fine; en fait la longueur moyenne des whiskers semble être inversement proportionnelle à l'épaisseur d'étain. Toutefois, les recherches ont démontré que les couches de cuivre peuvent être efficaces et l'épaisseur d'étain optimale avec une couche intermédiaire de nickel est de 2 microns – une couche plus fine est difficile à souder et favorise la formation des whiskers longs. Barrières de nickel – très efficaces sur le cuivre. À l'origine ce procédé était impossible puisque les grillages étaient pré plaqués puis coupés et pliés. Le placage au cuivre était trop fragile et se fissurait au pliage mais un nickel plus ductile est maintenant disponible et de plus en plus utilisé. Il est important que le nickel soit non poreux autrement le cuivre peut se diffuser dans l'étain par le nickel et générer une contrainte.

8 8 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Comment éviter les défaillances? Placage à létain chimique – très important mais sur lequel les utilisateurs des composants ont peu dinfluence. Les facteurs comme les additifs, les impuretés, la température, etc. peuvent avoir une influence sur le phénomène des whiskers. De nos jours, ils sont conçus de façon que si un de ces facteurs varie, il y aura peu dincidence sur la formation des whiskers mais les bains de placage anciens étaient très vulnérables aux petites variations. Alliage en étain – de nombreux alliages dont les alliages à base détain/plomb peuvent engendrer des whiskers mais leur longueur et leur probabilité varie considérablement. Les whiskers détain/plomb ont tendance à être très courts bien que des travaux ont réussi à produire des whiskers assez longs. Les alliages à base détain/cuivre semblent être plus vulnérables que létain pur et les alliages à base d'étain/bismuth est également un peu moins vulnérable probablement en raison dun point de fusion plus faible et par conséquent une grande partie de la contrainte est dégagée au cours de la refusion. Substrat – Les whiskers d'étain sont plus susceptibles de se former sur les substrats à faible TCE tels que lalliage 42 qui doit être évité autant que possible. Les barrières de nickel ne sont pas efficaces sur l'Alliage 42 et les barrières de cuivre fournissent une efficacité limitée.

9 9 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Comment éviter les défaillances? Traitement thermique – Le processus de soudure chauffe les revêtements electro-déposés à une température proche de leur point de fusion. En théorie, cela réduit les contraintes à lorigine des whiskers mais certains travaux ont démontré que cela était toujours possible. Certains fabricants cuisent les grillages et les composants peu après la galvanoplastie. Le but étant de former une fine couche intermétallique à base d'étain/cuivre mais régulière entre le substrat de cuivre et le revêtement en étain. La structure est différente des cristaux irréguliers, se forme lentement et produit une contrainte dans les revêtements d'étain. Éviter les contraintes – Les contraintes doivent être évitées pendant l'assemblage de l'équipement puisquelles peuvent générer des whiskers. Il nest pas recommandé de courber les grillages bien que ceci ait seulement un effet secondaire. Les dommages physiques aux surfaces en étain sont plus significatifs et ont été présentés comme cause de défaillances. La seule option, lorsque des dommages physiques se présentent sur les connecteurs miniature ou sur les prises, est la substitution par des revêtements à base de nickel/or ou argent

10 10 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Les whiskers sont-elles une meance pour la fiabilité? La formation des whiskers détain a été largement étudiée ces dernières années mais les défaillances causées par les whiskers sont rares. Léquipement électrique utilisé dans les missiles militaires et les satellites ne sont pas fabriqués de la même façon que les équipements électroniques classiques. La fermeture récente de la centrale nucléaire a été causée par des whiskers qui se sont formés sur les diodes produites au début des années 1990 alors que la prévention des whiskers était inconnue tandis que le placage chimique d'étain moderne a été conçu pour éviter la formation des whiskers ou, s'ils sont produits, d'assurer qu'ils sont courts et ne causent pas de défaillances. Les concepteurs d'équipement électrique nont pas le choix sur les revêtements de finition des composants puisquun seul type est disponible pour chaque type de paquet. Par conséquent les fabricants doivent compter sur leurs fournisseurs pour produire des composants qui ne soient pas vulnérables aux whiskers. Mais cela ne signifie pas pour autant quils ne peuvent pas éviter la formation des whiskers, le suivi de certaines mesures préventives peuvent savérer utiles :

11 11 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Les whiskers sont-elles une meance pour la fiabilité? Suivez les directives de liNEMI autant que possible ; Évitez les étamages électrolysés sur les pièces faites sur mesure. Si ceux-ci doivent être utilisés, suivez les directives de liNEMI et un placage chimique « résistant aux whiskers ». Les whiskers détain ne présentent un risque que sur les composants à pas fins, évitez-les à moins qu'ils soient essentiels en raison des limitations despace; Utilisez des composants de sources fiables, certains fabricants ne peuvent pas contrôler les procédés de placage comme exigé ; Le processus de refusion semble être important dans la prévention des whiskers puisque la chaleur aide à dégager les contraintes. Les hautes températures des procédés sans plomb doivent être plus efficaces que celles de létain/plomb

12 12 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Les whiskers sont-elles une meance pour la fiabilité? Les tests sur les whiskers ne sont possibles que pendant le développement de nouveaux produits, trop longs pour être utilisés en assurance de qualité ou répondre aux demandes des clients qui demandent la preuve que les whiskers ne se formeront pas. Il est préférable de suivre une stratégie minimisant les risques en se basant sur les publications de l'iNEMI et des autres experts de lindustrie. Pour quune défaillance se produise, le whisker doit grandir dune surface, atteindre lautre et pénétrer la couche d'oxyde formée à l'air. Si le courant est suffisant, le whisker va probablement «éclater» comme un fusible et disparaître causant seulement une défaillance momentanée. Si le courant est très faible, rien ne peut arriver puisquil ny a pas suffisamment de puissance pour percer l'oxyde. L'espacement entre les terminaux est généralement plus long que la plupart des whiskers et la probabilité que deux whiskers grandissent des terminaux adjacents et se réunissent est très faible. En pratique, les défaillances sur les équipements électriques en série sont extrêmement rares. Les whiskers se forment parfois mais ne causent pas de court-circuit puisquils ne sont pas assez longs. Les revêtements electro-déposés modernes sont conçus pour résister aux whiskers et, même s'ils se forment en raison dun contrôle de placage insuffisamment, ils doivent être assez courts.

13 13 Gold Balance Besancon – March 2006 – M Cote FCI Besancon Conclusion Avec les nouvelles directives RoHs et autres restrictions sur lutilisation du plomb, les whiskers détain sont devenus un sujet dinquiétude et des recherches se poursuivent. De nombreux fabricants sinquiètent sur les défaillances imprévues qui pourraient survenir à l'avenir. Il nexiste pas de test rapide pour détecter la vulnérabilité aux whiskers, les seuls tests disponibles prennent jusqu'à six mois et il n'y a pas de garantie que les tests « accélérés » disponibles simuleront avec précision les conditions au-delà de 15 ans. Il y a clairement un risque, mais les recherches des 10 dernières années ont identifié le facteur principal, la contrainte compressive, et indiqué des mesures pour minimiser le risque. Généralement, les fabricants auront peu ou pas de choix sur le revêtement utilisé mais des mesures préventives peuvent être prises pour éviter les défaillances. Un développement récent qui pourrait aider est lacceptation par la Commission européenne d'une exemption pour le plomb dans les revêtements de finition en alliage à base détain des composants à pas fin (autres que les connecteurs). La plupart des composants ont déjà subi le passage de l'étain/plomb à létain, reste à savoir si les fabricants reviendront à la combinaison étain/plomb pour leurs produits à pas fin.


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