SECTIONNEUR A BASE DE NANOTHERMITES
IV.4. Réalisation et caractérisation du court-circuit avec pastille de Cu soudée/collée
Différentes méthodes de collage/brasage/soudage sont disponibles au LAAS pour connecter la pastille de Cu prédécoupée sur les deux pistes du PCB supérieur :
- Le brasage qui correspond à l’assemblage de deux pièces à l’aide d’un métal
d’apport différent de la composition des deux pièces. La fusion du métal d’apport permet d’assembler les deux pièces qui ne fusionnent pas entre elles. Au laboratoire nous disposons de plusieurs techniques de brasage ; une première à l’aide d’une crème à braser déposée manuellement ou par un procédé de sérigraphie. Une seconde qui utilise un fer à souder. Dans les deux cas, le métal d’apport est composé d’étain dont la température de fusion est de 232 °C.
- Le collage à l’aide de colle conductrice dont les températures d’utilisations sont au
maximum de 300 °C.
Trois types de collage/brasage (cf. Figure IV.9 (a)) ont été mis en œuvre et caractérisés en terme de tenue en courant de 80 A, comme prévu dans le cahier des charges, et de tenue à l’arrachement de la pastille après collage/brasage.
- Configuration A- Brasure tendre avec de l’étain déposé au fer à souder
(composition Sn62PbAg2),
- Configuration B- Brasure tendre avec de la crème à braser (composition
Sn42Bi57.6Ag0.4),
- Configuration C- Collage à l’aide d’une colle conductrice époxy (référence H20 E
CHAPITRE IV
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Figure IV.9 : Photos (a) des trois PCB avec différentes techniques de collage/brasage de la piste en cuivre. (b) Schéma du dispositif de test de mesure de courant.
IV.4.1.
Caractérisation de l’état ON en fonction de l’intensité du
courant
Pour chaque courant testé, de 10 à 80 A par pas de 10 A, la température à la surface de la pastille de cuivre est mesurée à l’aide d’un thermocouple collé en surface comme présenté en Figure IV.9 (b). La température est mesurée après l’application de la consigne en courant pendant 10 secondes. Entre chaque courant de test, nous attendons que la température de la piste redescende à 25 °C (température ambiante de la salle d’expérimentation).
La Figure IV.10 présente pour chacune des configurations, l’évolution de la température en fonction du courant.
Figure IV.10 : Evolution de la température au bout de 10 secondes en fonction du courant envoyé au travers de la pastille de cuivre.
Comme attendu, l’augmentation de l’intensité du courant engendre une augmentation de la température en surface de la pastille en cuivre mesurée au bout de 10 secondes. Cependant, quel que soit la méthode d’assemblage de la pastille sur les pistes, un courant de
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80 A pendant 10 secondes peut y être appliqué sans détérioration de la connexion électrique. La température de la pastille atteint 185 °C dans la configuration C (collage avec de la colle conductrice) et 164 °C dans la configuration B (brasure avec de la crème à braser), ce qui est cohérent avec le dimensionnement de la section de la pastille de cuivre (cf. Norme IPC 2221 section IV.3.1) qui prévoit une élévation de température de 165 °C pour une section de cuivre de 0,8 mm².
IV.4.2.
Caractérisation de la force requise pour arracher la pastille au
circuit imprimé
La Figure IV.11 schématise le banc de caractérisation de la force d’arrachage de la pastille de Cu en fonction de la technique d’assemblage : collage ou brasage. Une force F comprise entre 0 et 100 N est appliquée uniformément sur la face inférieure de la pastille de
Cu de surface 38,5 mm2. Un capteur de force Kistler (référence 9333A) enregistre la force au
cours du temps comme le montrent les courbes de la Figure IV.11 pour chaque configuration testée. Dans chaque cas, la force augmente jusqu’à une valeur maximale puis chute brusquement jusqu’à zéro lors de l’arrachage de la pastille.
Figure IV.11 : (a) Schéma du banc de mesure de la force d’arrachage.(b) Graphique de l’évolution de la force en fonction du temps pour chaque configuration d’assemblage de la pastille de Cu.
Le Tableau IV.2 récapitule les résultats sachant que trois tests ont été réalisés pour chacune des configurations d’assemblage. La force d’arrachage la plus importante est obtenue pour la configuration A (88 ± 33 N), alors que la plus faible est mesurée lorsque la pastille de Cu est assemblée suivant la configuration B (41 ± 7 N). De plus, nous notons une dispersion plus importante en configuration A (écart type égal à 38 % de la valeur moyenne de la force d’arrachage) par rapport aux deux autres assemblages : écart type de 17 % et 10 % pour les configurations B et C, respectivement. En conséquence, nous ne retiendrons pas la configuration A (brasure au fer à souder) car la reproductibilité de l’assemblage de la piste en cuivre n’est pas satisfaisante, pouvant entraîner des problèmes des défaillances lors du montage du démonstrateur.
CHAPITRE IV
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Les pressions d’arrachage de la pastille de cuivre déterminées simplement à partir de l’Équation IV. 3 sont reportées dans le Tableau IV.2.
é
² 10 Équation IV. 3
Tableau IV.2 : Tableau des résultats des tests de force d’arrachage.
Numéro PCB
Type d'attache pastille Cu
Force arrachage (N) Pression arrachage
pour PCB trou 7 mm de diamètre (MPa)
Valeur Moyenne Ecart type
1 Configuration A 113,2 88 33 2,3 ± 0,9 2 65,4 3 50,4 4 Configuration B 45,7 41 7 1,1 ± 0,2 5 44,1 6 33,0 7 Configuration C 43,9 42 4 1,1 ± 0,1 8 37,2 9 45,4
IV.4.3.
Résumé
Nous avons validé les principes généraux de notre concept de sectionneur consistant en une pastille de Cu de 100 µm d’épaisseur, collée ou brasée sur deux pistes de Cu déposées sur un PCB. La pastille de largeur 0,8 cm supporte des impulsions de courant de 80 A pendant 10 s, puisque la température en surface mesurée reste inférieure à 200 °C tolérée, pour l’application. Notons que la largeur et l’épaisseur de la piste pourraient être augmentées pour réduire l’échauffement, sans trop impacter les conditions de l’arrachage de la piste, car ces dernières dépendent seulement du type d’assemblage (collage ou brasage) et de la surface de collage/brasage. Pour des raisons de facilité de réalisation, nous braserons la pastille avec de la pâte à braser.
La pression à générer pour arracher la pastille de Cu, en fonction de la technique d’assemblage (brasage ou collage), a été évaluée entre 0,9 et 1,3 MPa, largement atteignable à partir d’un actionnement pyrotechnique.
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