Caractérisation des PCB

Les défaillances électroniques sont liées à la condensation de l'eau à la surface des PCB. Cette condensation est plus ou moins facilitée selon la nature chimique et morphologique du substrat. L'état de surface des substrats étudiés étant un point clé de cette étude, il est important voire crucial de mettre en place un protocole de nettoyage des PCB avant toutes caractérisations ou études. Nous avons ainsi établi un protocole et vérifier qu'il permettait d'obtenir toujours un même état de surface. Ce protocole de prétraitement des PCB est décrit dans l'annexe A.

Dans un premier temps, nous avons observé au microscope électronique à balayage (MEB) un PCB quelconque (origine inconnue) afin d’identifier les différentes parties qui le constituent. Les images de la figure 3.1 montrent une coupe en épaisseur d'un PCB. Sur la vue de profil (figure 3.1a) on voit la résine époxy dans laquelle sont noyées des fibres de verre entre-tissées. La vue de face (figure 3.1b) montre la section de ces fibres et la rugosité de l’interface.

Figure 3.1 : différentes vues d'une coupe (dans l'épaisseur) du substrat du PCB. (a) fibres de verre entre-tissées

(vues de profil) dans la résine époxy ; (b) section des fibres et rugosité de l’interface.

Une vue de dessus du PCB montre que le substrat n'est pas lisse et présente une porosité qui s'est créée lors de son procédé de formation. Lors d'observations au MEB, on distingue des pores de deux tailles différentes, les uns ont un diamètre de l'ordre de 10 µm et les plus petits avec un diamètre de 1 µm se situent à l'intérieur des plus grands.

Figure 3.2 : (a) images MEB d'une vue de dessus du substrat d'un PCB; (b) image agrandie avec un angle de

45°.

Nous avons sélectionné quatre substrats de PCB parmi les plus utilisés chez Renault. La température de transition vitreuse (Tg) et le taux d’absorption d’eau donnent des informations quant aux propriétés physicochimiques du matériau liées à sa nature chimique. Ces informations sont fournies par les fabricants et regroupées dans le tableau ci-dessous (Tableau 3.1).

Tableau 3.1 : caractéristiques des quatre PCB étudiés. Tg est la température de transition vitreuse du matériau.

Substrat Fournisseur Tg / °C Absorption

d’eau / %

Présence halogène

370HR ISOLA PCL 180 0,15 OUI

EM825I Elite Material 150 0,10 OUI

EM827I Elite Material 175 0,12 OUI

R1566W Panasonic 150 0,14 NON

On note la présence d’halogène dans certains matériaux de PCB. Cet élément provient d'un composé utilisé en tant que retardateur de flamme.

La structure des quatre substrats a été tout d'abord caractérisée par MEB dont les images sont reportées sur la figure 3.3. Comme on peut le noter, les morphologies des quatre matériaux ne présentent pas de différence significative. En effet, ils possèdent tous une surface rugueuse présentant deux familles de pores dont les tailles caractéristiques sont de 1 et 5 µm, similaire à ce qui a été observé dans le cas du PCB de composition inconnue (figure 3.2). Au niveau structurel, les quatre PCB étudiés sont donc tous similaires.

370HR EM825I EM827I R1566W

Figure 3.3 : images MEB des différents substrats (370HR / EM825I / EM827I / R1566W).

La mouillabilité d'un substrat est caractérisée par la mesure de l'angle de contact d'un liquide sur le solide. Cette mesure est sensible, d'une part, à la nature chimique de la surface et d'autre part à sa morphologie. Afin de différencier l'état de surface des quatre échantillons sélectionnés, nous avons choisi le glycérol car il est non volatil, il permet ainsi de mesurer

l'angle de contact sur plusieurs heures nous assurant d'obtenir un état d'équilibre entre le liquide et la surface du solide. L’état de surface ayant un comportement stochastique, il était important de mesurer les angles de contact de plusieurs gouttes. Ainsi, six gouttes de glycérol ont été déposées sur chaque échantillon et mesurées après 20h de stabilisation. Les valeurs moyennes et leurs écarts sont reportés sur le graphe de la figure 3.4. On distingue deux comportements différents. Les échantillons 370HR et EM8271 sont plus mouillants vis-à-vis du glycérol que les deux autres substrats. La morphologie étant similaire, on impute ces différences à une variation de la composition chimique des substrats solides.

Figure 3.4 : mouillabilité des quatre substrats étudiés vis-à-vis du glycérol.

Afin de réduire le nombre d'échantillons étudiés dans la suite du travail, nous avons fait le choix d'en sélectionner deux, de mouillabilité différente. Ce qui a guidé notre choix est la présence ou non d'halogène. En effet, la présence de cet élément est supposée être un facteur aggravant des défaillances électroniques[42]. Nous avons donc sélectionné le R1556W qui est

le seul substrat sans halogène. Il nous a fallu ensuite choisir un des deux substrats les plus mouillants. Afin de justifier notre sélection, nous avons regardé une caractéristique qui nous a parue pertinente, la température de transition vitreuse, Tg. En effet, ce paramètre dépend de la nature chimique du matériau. Notre choix s'est donc porté sur le 370HR dont la Tg est différente du R1566W (tableau 3.1). De plus, ces deux matériaux ont une absorption en eau identique ce qui nous garantira un comportement vis-à-vis de l'eau identique et donc toute différence de comportement pourra être alors imputée à la différence de la chimie du matériau.

D'autres analyses ont été réalisées sur les deux matériaux sélectionnés afin de mieux les caractériser. Nous avons ainsi effectué une mesure de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (ou EDS pour Energy Dispersive Spectroscopy) sur le 370HR (figure 3.5 (b)) et le R1566W (figure 3.5(a)). L'analyse du 370HR montre clairement la présence de brome (Br), de calcium (Ca), de soufre (S) et de magnésium (Mg) utilisés couramment comme adjuvants dans les plastiques comme la résine époxy. Le silicium (Si) peut être ici un adjuvant de la résine époxy, mais plus probablement, il provient d'une trace de fibres de verre utilisées comme renfort dans ce matériau. Pour ce qui est du R1556W nous allons retrouver les mêmes adjuvants que le 370HR à l’exception du (S) soufre. Comme il a été indiqué par le fabricant nous ne notons pas la présence de Brome (Br) comme retardateur de flamme. Il a été remplacé par du phosphore (P) et de l’aluminium (Al) qui assurent les propriétés ignifuges du matériau.

Il est difficile de différencier l’aluminium du brome par une analyse EDX car leurs raies Kα sont respectivement de 1,486 keV et de 1,480 keV. La présence de magnésium, raie Kα 1,256 keV, peut masquer une raie secondaire du brome. Cela rend la différenciation du brome de l’aluminium délicate en présence de magnésium. Il est nécessaire de réaliser une déconvolution des spectres pour valider l’absence de brome du R1566W (figure 3.5(e)). Un pourcentage en masse de 0,09 % (figure 3.5(c)) étant suffisamment proche de zéro pour considérer le brome comme complétement absent du matériau. Le fabricant indique une présence de brome pour le 370HR. Nous détectons un pourcentage en masse de 2,93 % (figure 3.5(d)) de brome par analyse EDX, ce qui conforte sa présence (figure 3.5(f)) contrairement au R1566W (figure 3.5(e)).

R1566W 370HR

Figure 3.5 : analyse EDX des PCB 370HR et R1566W (a) spectre du R1566W, (b) spectre du 370HR, (c)

quantification pour le R1566W, (d) quantification pour le 370HR, (e) déconvolution du spectre du R1566W, (f) déconvolution du spectre du 370HR.

La caractérisation de ces matériaux par spectroscopie RAMAN des PCB n'a pas pu se faire car ils sont malheureusement fluorescents.