La modification des températures de fusion d’alliages comme SnBi par assemblage à phase liquide transitoire a été décrite dans le Chapitre I (I.1.2.3). Ce type de procédé permet de répondre à des problématiques d’assemblage où plusieurs étapes sont nécessaires (assemblage 3D à plusieurs niveaux ou sur les deux faces d’un même circuit imprimé)218. La conception des différents niveaux d’assemblage d’un système électronique et des procédés associés doit permettre d’éviter qu’un joint brasé ne subisse une nouvelle fusion lors des étapes suivantes. Dans le cas contraire, les risques liés à cette nouvelle fusion (fragilisation de l’ensemble, chute par gravité des composants électroniques situés sur la face inférieure du circuit imprimé) doivent être pris en compte ou évités. Lorsque le même alliage conventionnel est utilisé pour les deux faces d’un circuit imprimé, les composants brasés sur la première face sont généralement ceux qui possèdent les plus faibles rapports poids/surface brasée. Au moment du retournement du circuit imprimé et de l’assemblage sur la deuxième face, leur maintien est dû à la tension de surface entre l’alliage fondu et le substrat.219
Les méthodes de brasage basées sur les phénomènes de diffusion vont permettre de réaliser un assemblage à une température TA et d’obtenir un matériau qui aura besoin d’une température TB > TA pour fondre à nouveau. Le constituant métallique qui permet cette diffusion est incorporé sous forme de poudre (granulométrie variant de quelques microns23 à plusieurs dizaines de microns18) ou de feuillet (épaisseur de quelques microns218). La durée des procédés de ce genre (plusieurs dizaines de minutes) est beaucoup plus longue que celle d’un profil standard de brasage par refusion (quelques minutes) afin de permettre la diffusion entre les différents constituants. L’utilisation d’un précurseur métal-organique, de type formiate, qui génère de petites particules métalliques capables de diffuser rapidement au sein de l’alliage, constitue une approche innovante. La démarche de dopage de crèmes à braser SnAgCu à l’aide d’oxalates, d’acétates et de stéarates de métaux a déjà été décrite (cf. I.3.2).106,107 L’incorporation des dopants dans les composés intermétalliques, l’évolution du mouillage et de la résistance au cisaillement ont déjà été étudiées. En revanche, la méthode d’utilisation de formiates de métaux et l’étude de l’effet de leur décomposition sur la température de fusion d’alliages de brasure sont nouvelles.
Afin de concrétiser la démarche entamée en V.6.3, le formiate de bismuth a été mélangé mécaniquement à une crème à braser commerciale qui contient des microbilles d’alliage eutectique SnBi et une partie organique (flux de brasage). Ce mélange a été utilisé pour braser de petits pions en laiton (4 mm de diamètre) sur une surface plane constituée du même alliage de cuivre et de zinc. Le choix a été fait de limiter le rôle du formiate de bismuth à celui d’additif et de restreindre les essais à l’ajout de faibles proportions de précurseur (< 3% en masse) à la crème. La démarche proposée dans ce cas était de mettre en évidence un effet d’une modification mineure de la composition de la crème commerciale sans bouleverser sa formulation. Le brasage des plots en laiton a été réalisé lors d’un premier traitement thermique (Figure V.28.a). Différents taux d’additif ont été appliqués et comparés à un échantillon témoin (crème à braser sans additif). La plaque en laiton a été retournée (Figure V.28.b) avant de subir
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un deuxième traitement thermique afin de simuler l’étape d’assemblage de la deuxième face d’un circuit imprimé. L’objectif était de suivre la chute des pions au moment de la fusion de la brasure. Ces derniers ont été alourdis par de petites rondelles métalliques, d’abord pour déterminer la contrainte critique poids/surface brasée qui entraîne la chute de l’élément assemblé, ensuite pour faciliter la chute lors des essais de deuxième traitement thermique.
Figure V.28 : Assemblage réalisé à l’aide d’une crème à braser SnBi modifiée par ajout de formiate de bismuth (a), montage réalisé pour étudier la chute
des plots en laiton au moment du deuxième traitement thermique (b)
Figure V.29 : Mesure par ATD de la température de fusion de l’alliage SnBi après un premier traitement thermique : eutectique commercial (a), alliage modifié par ajout de formiate de bismuth (2,6% en masse) (b)
Pendant cette deuxième montée en température, il a été constaté que le pion brasé avec la crème sans additif tombait avant les pions brasés à l’aide de la crème modifiée par ajout de formiate de bismuth. Dans les conditions d’essai qui ont été choisies, le gain en température estimé est de quelques degrés. La comparaison par ATD d’un échantillon issu de la fusion de l’eutectique non modifié et d’un échantillon issu du traitement en température de l’eutectique dopé avec du formiate de bismuth (2,6% en masse) confirme le léger effet sur la température de fusion du matériau (Figure V.29). Du fait des taux de précurseur incorporé (de 0,5 à 2,6% en masse), le
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gain est faible. Il est en revanche fort si l’on considère l’augmentation de la contrainte d’arrachement à la température de brasage. La valeur de 0,8 kPa, mesurée pour une brasure témoin sans additif, est multipliée par quatre (3,1 kPa) pour un taux d’additif de 2,6%. Cela revient à augmenter considérablement la tolérance en ce qui concerne la masse des composants électroniques que l’on place sur la première face du circuit imprimé.
Ces résultats montrent l’intérêt concret de l’utilisation d’un précurseur comme le formiate de bismuth, en tant qu’additif à la composition d’une crème à braser. Il sera cependant nécessaire d’approfondir la compréhension des effets induits par cette modification de composition. Etant donné que l’augmentation de température de fusion est mineure pour les proportions d’additif employées, d’autres grandeurs physiques pourraient entrer en jeu dans l’évolution de la contrainte d’arrachement (viscosité du mélange solide/liquide, mouillage des surfaces brasées). La méthode de modification de la crème à braser qui a été choisie était la plus simple, mais une démarche d’optimisation de la formulation pourrait être proposée. La poudre de formiate de bismuth serait ajoutée dans un premier temps à l’alliage, avant d’utiliser une partie organique adaptée en volume et en composition qui permettrait la meilleure association possible entre les constituants. L'ensemble des travaux qui viennent d'être décrits a conduit au dépôt d'un brevet d'invention élargi à l'utilisation des formiates de métaux à la modification des propriétés de crèmes à braser à basse température.
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