Les gens,
La température de service des composants électroniques d'une automobile moderne peut être supérieure à 125°C. Ces températures élevées posent le problème de la croissance intermétallique cuivre-étain dans les joints de soudure.
Souvent, nous ne pensons pas au fait que même la température ambiante représente une fraction considérable de la température de fusion de l'étain, par exemple 293K/505K = 0,5802. Rappelons que nous devons utiliser l'échelle Kelvin pour effectuer ces calculs. Or, 125C, c'est 0,788 du point de fusion de l'étain. Cette température est équivalente à celle du fer forgé d'un forgeron à 895C. La figure 1 présente un diagramme de température de forge. Notez que la température de 895 °C est supérieure à la température rouge.
Figure 1. Tableau des températures de la forge d'un forgeron
Quelle est donc la croissance intermétallique cuivre-étain de la soudure SAC à 125°C en fonction du temps ? La loi de diffusion de Fick nous indique que la croissance de l'intermétallique, D, est donnée par :
D = (k(T)t)^0,5 Eq 1.
Où k(T) est une constante de vitesse de croissance dépendant de la température et t est le temps. Siewert etal[i] ont réalisé des expériences au cours desquelles D a été mesuré pour différentes températures et durées pour les soudures SAC. Suivant l'exemple de Siewert, j'utiliserai le temps en heures. En utilisant les données des figures 2a à 2c pour les soudures SAC, j'ai pu tracer k dans un graphique d'Arrhenius(voir figure 2).
.
Figure 2. Tracé d'Arrhenius des données de Siebert
La figure 2 montre que Ln k = -6784,7/T+ 14,81 ou k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Ainsi, à 125C ou 398K, k = 0,1068. En utilisant cette valeur de k, nous pouvons tracer D en fonction du temps. Les résultats sont présentés à la figure 3. Notez que les deux échelles sont logarithmiques. En 1 000 heures (42 jours), l'intermétallique a grandi de 10 microns. En 3 ans, elle atteint 53 microns. Il convient d'être prudent, car les données de Siewet comportent des barres d'erreur. Mais j'ai l'impression que ces projections se situent à un facteur de deux près.
Figure 3. Croissance intermétallique en fonction du temps à 125°C dans une brasure SAC.
Quel est l'effet de ces intermétalliques épais dans un environnement automobile difficile ? Personne ne le sait, mais j'encouragerais quelqu'un à effectuer des expériences pour le découvrir.
Santé,
Dr. Ron
[i] Siewert, T. A. etal, Formation and Growth of Intermetallics at the Interface between Lead-Free Solders and Copper Substrates, APEX 1994.
