Si vous n'avez pas entendu parler récemment des alliages de soudure contenant du bi (bismuth), cela pourrait changer dans un avenir proche. Les soudures à bas point de fusion contenant du bi sont de plus en plus utilisées et gagnent en popularité en raison de leurs températures de fusion plus basses - 58Bi/42Sn est eutectique à 138°C et 57Bi/42Sn/1Ag fond à 137-139°C (les deux sont des alternatives sans Pb).
Une brasure à basse température est préférable aux alliages à température de fusion plus élevée, car les exigences de traitement à basse température peuvent réduire à la fois les dommages thermiques et les coûts globaux. Les défauts tels que la délamination ou le "pop-corning" peuvent être minimisés ou éliminés en utilisant des soudures à basse température. Les modes de défaillance par délaminage ou pop-corning se produisent dans les dispositifs sensibles à l'humidité (MSD) lorsque l'humidité qui s'est diffusée dans les composants en plastique se dilate rapidement sous l'effet de la chaleur. Ces alliages à basse température sont également intéressants pour les composants sensibles à la température, le processus de soudure par étapes ou les travaux de reprise.
Le métal de base de la plupart des soudures est l'étain, qui fond à 232oC. Un certain nombre d'éléments d'alliage sont utilisés pour abaisser la température de fusion de l'alliage. Ga, In, Bi et Cd sont efficaces pour réduire la température de fusion des alliages de soudure. Toutefois, le Cd n'est pas souvent pris en considération en raison de sa toxicité. Les alliages contenant du gallium ne sont pas pratiques car ils sont généralement liquidés à la température ambiante ou légèrement au-dessus. Il ne reste donc que le bismuth et l'indium comme alliages candidats pour les alliages de soudure à base d'étain à basse température. L'indium et le bismuth présentent tous deux des propriétés physiques uniques.
L'alliage BiSnAg a une température de fusion plus basse que les soudures étain-plomb standard (Sn63/Pb37 ou Sn63eutectique - 183oC), mais elle est suffisamment élevée dans de nombreux cas pour résister à la température de fonctionnement des produits finis. En outre, ses propriétés mécaniques sont similaires à celles du Sn63, mais cet alliage de soudure ne contient pas de plomb. L'alliage est presque eutectique à 137-139°C. Étant donné qu'une température de refusion de 20à 40oC au-dessus du liquidus est généralement recommandée, l'alliage BiSnAg ne nécessite qu'une température de refusion maximale d'environ 180°C. L'assemblage Sn63 nécessite généralement une température de 205-215°C (ou plus si l'on refusionne des BGA sans plomb - 225-230°C), et des températures de traitement de 240-245°C sont courantes pour l'assemblage sans plomb.
Les essais réalisés par HP concernant la résistance au cisaillement, la résistance au fluage, la résistance à la fatigue et d'autres caractéristiques mécaniques montrent que le BiSnAg présente des propriétés proches, voire supérieures, à celles du Sn63 dans la plupart des conditions, y compris une résistance raisonnable jusqu'à 90 °C.
Les alliages contenant du bismuth posent de réels problèmes. L'un des principaux problèmes est que le bismuth a tendance à être assez fragile et que, d'autre part, s'il est utilisé dans une application où il y a du plomb, il peut former un eutectique à bas point de fusion à 96°C. La formation d'un eutectique à bas point de fusion était une préoccupation majeure lorsque l'industrie a commencé à passer à l'ère du sans plomb ; la plupart des assemblages n'étaient que partiellement sans plomb et la contamination par le plomb était une réelle préoccupation. Au fur et à mesure de la transition, cette situation est devenue beaucoup moins problématique ; aujourd'hui, les matériaux contenant du plomb sont une option plus viable.
L'accent a principalement été mis ici sur la composition BiSnAg car, dès le début, HP a constaté que de faibles ajouts d'Ag (ou d'Au) augmentaient la durée de vie en fatigue thermique de l'alliage eutectique BiSn. Entre -25 °C et 75 °C (BiSnAg), tous les assemblages ont résisté à 7 000 cycles thermiques et ont même surpassé le Sn63. La résistance à la fatigue thermique du BiSnAg est comparable, voire supérieure, à celle du Sn63 (même dans la plage de 0 à 100 °C et en l’absence de contamination par le Pb). HP a émis l’hypothèse que l’Ag pourrait réduire la taille des grains et stabiliser la microstructure ; une microstructure plus fine est généralement idéale pour obtenir de meilleures propriétés mécaniques.
Dans le prochain article, je partagerai certaines des informations sommaires à prendre en compte lors de l'utilisation d'un alliage BiSnAg dans le processus SMT.
