Les polluants

Les polluants présents sur le PCB et notamment dans la zone entre les pistes peuvent modifier les propriétés physicochimiques du PCB et en particulier jouer sur la conductivité entre les pistes. Dans le cas des PCB, les polluants ioniques sont généralement associés à l’évolution de la conductivité en surface par leur propriété à rendre un film d’eau conducteur de courant. Les polluants organiques et les poussières [12] sont quant à eux responsables de l'augmentation de la mouillabilité du substrat vis-à-vis de l'eau.

1.4.3.1. Quelques normes industrielles

Des normes et des recommandations sur la quantité des polluants (le plus souvent exprimée en masse par unité de surface) ont été établies pour maitriser la pollution sur les cartes, les fournisseurs de PCB étant contraints de respecter une certaine qualité de leurs produis et de limiter les pollutions lors du processus de fabrication en usine. Les quantités de polluant pour le chlore et le brome sont récapitulées dans le tableau 2. La norme IPC est la plus couramment utilisée dans la littérature. Elle fixe une quantité maximale en NaCl à 1,56 µg.cm² [14].

Tableau 2 : Tableau récapitulatif des quantités de polluants maximales par unité de surface recommandées par

1.4.3.2. Les flux de soudure

Les flux de soudure sont utilisés pour rendre les pistes en cuivre plus mouillantes (activation de la surface) à l’étain en fusion sur les zones à étamer pour connecter les composants électroniques sur le PCB. Les flux sont des acides pouvant être organiques. Si ces flux ne sont pas neutralisés et/ou nettoyés convenablement, il représente une forme de contamination organique grave pour le PCB. Un effort particulier est porté sur la neutralisation de ces activateurs de surface. La chaleur provenant de la vague d’étain utilisée pour la soudure permet généralement de neutraliser les acides comme le montre le diagramme présenté sur la Figure 29 [29]. D’autres études ont également été réalisées pour caractériser différents activateurs comme par exemple les acides adipiques, glutamiques, succiniques ou maléiques car ce sont également des sources critiques de polluants [30]. Des acides non organiques sont également utilisés pour limiter la pollution organique finale du PCB. Il a été également montré que la présence seule de flux organique n’est pas suffisante, et qu’il semble nécessaire d’y ajouter de la poussière pour qu’un risque apparaisse.

Figure 29 : Pourcentage d’activateur, ici de l’acide carboxylique, restant sur un PCBA à différents moments de

la chaine de production (montrant ainsi l’influence de la température) [29].

L’ensemble de ces études sur les flux caractérisent dans la pratique des pollutions de process qui sont plus sévères que la pollution normale (due au stockage et à l’utilisation ultérieure du

PCB) que nous étudierons dans ce mémoire. On fera l’hypothèse dans ce qui suit que ces pollutions n’influent pas sur nos résultats car elles ont été traitées en sortie d’usine de production et que nous avons utilisé un protocole de préparation de surface afin d’être certain de nous en affranchir.

1.4.3.3. L’environnement

L’environnement dans lequel est utilisé le PCB est moins sévère que l’environnement normal de fabrication. Des précautions supplémentaires sont cependant à prendre dans le cas de l’utilisation dans certains milieux. Par exemple, dans les milieux agricoles, les produits chimiques qui sont quotidiennement utilisés contiennent des quantités de soufre importantes qui peuvent corroder les pistes en argent comme cela a été étudié par Minzari [3].

L’atmosphère environnante peut également être un facteur de pollution très important si elle contient une quantité anormalement élevée de poussières. L’impact de ces poussières a été étudié par l’équipe d’Ambat [12]. Dans les cas les plus courants, la simple gravité suffit à fixer la poussière à des endroits où elle ne représente pas de risque pour l’électronique.

Enfin, il faut noter qu’il existe des cas particuliers où l’environnement « normal » est en réalité sévère pour les PCBA. Cependant, ce ne sont pas ces cas d’utilisation que nous étudierons ici, nous chercherons par la suite à rester le plus représentatif possible de la réalité. Dans le cadre de notre travail, nous avons choisi de mettre au point un protocole de nettoyage afin que toutes les surfaces étudiées est le même état de départ.

1.4.3.4. Matière plastique constituant les PCB et PCBA

Les pollutions minérales les plus étudiées sont relatives au chlore et au brome. Des normes ont été mises en place comme nous l’avons présenté précédemment (voir Tableau 2) [15]. Ces éléments sont utilisés dans les matières plastiques qui entourent l’électronique. Les boutons, les boitiers, ainsi que les composants eux-mêmes. Ces polluants ont un impact sur la durée de

vie de l’électronique même après un traitement de surface [31] tel que le procédé HASL qui est l’un des plus couramment utilisés. Le bromure est utilisé comme retardateur de flamme, mais il est suspecté d’être impliqué dans les défaillances de l’électronique. Les éléments chimiques qui fonctionnalisent les plastiques, leurs donnant des propriétés mécaniques ou physico-chimiques, sont systématiquement utilisés dans l’électronique alors qu’ils représentent un risque de pollution normale. Ces éléments minéraux nous intéressent particulièrement dans ce projet de thèse car ils sont capables d’influer sur la formation du film d’eau à la surface du PCB ainsi que d’en modifier ses propriétés (en particulier sa conductivité).

1.4.3.5. Les pistes

Les éléments métalliques constituant les pistes peuvent de la même manière que la pollution minérale rendre le film d’eau conducteur. En effet les métaux peuvent passer sous leurs formes ioniques via des phénomènes électrochimiques liés à la corrosion des pistes.

La corrosion galvanique des pistes est évitée en déposant sur les pistes de cuivre une couche de nickel et d’or. Cependant, il a été montré par Medgyes et al. que la présence de ces éléments diminue le MTTF [32]. Ceci est illustré sur la Figure 30.

Le traitement des pistes en cuivre par une couche d’or reste indispensable pour limiter la corrosion de la surface des pistes. Le nickel quant-à-lui est indispensable pour limiter la corrosion galvanique entre le cuivre et l’or.

1.4.3.6. La brasure

Les principaux métaux, brasures et alliages ont été classés depuis longtemps (1987) en fonction du risque électrochimique qu’il présente pour la défaillance des PCB. Le classement des métaux est le suivant : Ag > Mo > Pb > Brasure > Cu > Zn > Bronze. Bien que le bronze arrive en tête de ce classement, il est malheureusement un piètre conducteur électrique et on lui préfèrera le plus souvent le cuivre pur [33].

Les brasures contiennent également des éléments métalliques pouvant aggraver le risque de défaillance électrothermique. La présence de ces métaux a été retrouvée dans les dendrites [5]. Les brasures au plomb étaient la technique la plus répandue avant qu’elle ne soit interdite pour des problèmes de toxicité. Elle a été remplacée par le SAC qui est un alliage sans plomb de SnAgCu. Les mesures de SIR avec différentes quantités de flux ont cependant montré que le risque de dendrite est plus important avec les nouvelles brasures sans plomb : AuNi > SAC > Sn Pb >> Cu [34].

Très récemment un nouvel élément a été ajouté dans les alliages de brasure, le Bismuth. Cet élément est un métal qui peut, d’un point de vue électrochimique, se corroder. Il est utilisé dans la métallurgie pour diminuer le point de fusion des alliages. On notera donc son utilité dans l’économie d’énergie qu’il permet de faire pour maintenir le bain d’étain servant à la vague d’étamage en fusion. L’ajout de cet élément a fait l'objet d’une étude comparative pour déterminer son impact sur le MTTF [35]. Il a été montré que l’alliage est bien plus résiliant pour la problématique de fiabilité de l’électronique si la concentration en Bismuth est inférieure à 3% en masse, comme le montre la Figure 31 (qui donne la teneur en Bi exprimée en concentration).

Figure 31 : Comparaison de l’évolution de la MTTF pour différentes quantités de polluants entre deux alliages

(le SAC305 et un alliage contenant 3% de Bismuth) [35].

L'ajout du Bismuth devrait se généraliser puisque bien que son coût soit important, cet inconvénient est compensé par l’économie d’énergie qu’il permet. Sa viabilité économique pourrait même être confortée par son comportement inhibiteur d’accident électrothermique.