Utiliser l'AMDE pour gérer le risque "Tin Whisker".

Les gens,

Les gens affirment à juste titre que nous ne comprenons pas bien les moustaches d'étain. Ils soulignent à juste titre que, même avec des mesures d'atténuation, nous ne pouvons pas être sûrs de pouvoir les éliminer. En outre, des études ont montré que les revêtements destinés à prévenir les whiskers d'étain ne fonctionnent pas toujours.

Cette situation apparemment inquiétante nous donne-t-elle moins d'espoir que Scrooge face au fantôme de l'avenir de Noël ? Certainement pas, si l'on examine la situation un peu plus en détail.

S'il est vrai que nous ne comprenons pas parfaitement les moustaches d'étain, il n'y a pratiquement rien que nous comprenions parfaitement. Lorsque je travaillais chez IBM et que nous avons découvert un nouveau mode de défaillance, un cadre supérieur a fait remarquer que si l'on peut augmenter le nombre de ce type de défaillance et faire disparaître les défaillances, on a une assez bonne compréhension pratique du phénomène. Cette situation est fondamentalement vraie pour les moustaches d'étain. Les moustaches d'étain se forment typiquement dans les revêtements d'étain sur le cuivre. Il a été démontré que les contraintes de compression dans l'étain sont l'une des principales causes des moustaches d'étain (voir figure 1). Ces contraintes de compression peuvent provenir de la formation intermétallique cuivre-étain (1a), des différences de coefficient de dilatation thermique (1b), des contraintes de corrosion (1c) et des contraintes mécaniques (1d).

Figure 1. Quelques-unes des causes des moustaches d'étain dues à des contraintes de compression dans l'étain.

L'augmentation des contraintes de compression accroît considérablement la formation de whiskers d'étain, tandis que la réduction de ces contraintes réduit considérablement la formation de whiskers d'étain.

Pour donner une idée quantitative de la présence de whiskers d'étain, Xu, Zhang, Fan, Abys, et al. [i] ont mis au point un indice Whisker (WI), défini comme suit :

WI = Sn*d*L*f(L)

pour mesurer la propension à produire des whiskers, où S est la surface ; n est le nombre de whiskers par unité de surface ; d est le diamètre des whiskers ; L est la longueur des whiskers ; et f(L) est une fonction non linéaire de la longueur, c'est-à-dire 1 pour une longueur de whisker de 1 micromètre et 500 pour une longueur de whisker de 50 micromètres.En utilisant cette métrique, ils ont démontré quantitativement que les contraintes de compression sont une force motrice majeure dans la formation des whiskers d'étain. Conformément à la théorie de la force motrice des contraintes de compression, ces chercheurs ont montré que les placages d'étain brillant ont tendance à avoir des WI de l'ordre de 100 000, alors que le simple fait de passer à un placage satiné brillant réduit l'indice WI à moins de 10. En outre, les gros grains dans le revêtement d'étain sont associés à de faibles contraintes, tout comme une finition mate ou satinée, de sorte que les gros grains sont un autre indicateur positif pour l'atténuation des whiskers d'étain. Cette situation ne tient même pas compte de la réduction supplémentaire des whiskers d'étain qui se produirait en ajoutant une fine couche de nickel entre le cuivre et l'étain ou en ajoutant 2% de bismuth à l'étain.

Pour être juste, nous ne pouvons toutefois pas supposer que ces types d'approches d'atténuation élimineront complètement les taches d'étain pendant les décennies que certains produits essentiels à la mission doivent servir.

Il a été démontré que les revêtements offrent des avantages considérables en matière d'atténuation, bien que la plupart des revêtements puissent être pénétrés par des whiskers d'étain, le parylène étant probablement l'exception. Toutefois, pour constituer une menace, la mèche d'étain doit pénétrer deux fois le revêtement, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Dans la plupart des cas, lorsqu'il se développe à partir de sa base, il n'a pas la rigidité nécessaire pour effectuer la deuxième pénétration. Les cas où une double pénétration s'est produite ont presque toujours été des cas où la couverture du revêtement était irrégulière.

Figure 2. Un whisker d'étain peut facilement pénétrer le revêtement à sa base, mais pour constituer une menace, il doit pénétrer dans un second revêtement. Au niveau de la deuxième couche, le whisker est long, faible et "mou" et il aura du mal à effectuer la deuxième pénétration.

Analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE) est une bonne stratégie pour évaluer les risques liés à l'étain. La mesure centrale de l'AMDE est l'indice de priorité du risque (IPR). Pour les whiskers d'étain, l'IPR est égal au produit de : (1) la probabilité de présence de bavures d'étain (P) ; (2) la gravité, si une bavure d'étain existe (S) ; et (3) la difficulté de détecter une bavure d'étain (D). Sous forme d'équation :

RPN = P*S*D

Prenons comme premier exemple un produit de consommation, tel qu'un téléphone portable d'une durée de vie de 5 ans. Avec l'atténuation, sur une échelle de 1 à 10, P pourrait être de 2. Pour S, nous pourrions donner une note de 3, car il est peu probable qu'une défaillance de l'appareil cause des dommages graves à quiconque.La détection (D) est un problème car les moustaches d'étain qui se forment plus tard ne peuvent pas être détectées pendant la fabrication ; par conséquent, nous devrions donner une note de 10 à D.L'IPR est donc : 2*3*10 = 60, ce qui n'est pas trop élevé.Par conséquent, avec P et S à des valeurs relativement faibles, une stratégie d'atténuation des whiskers d'étain serait probablement couronnée de succès pour n'importe quel produit de consommation.Il convient de souligner que la détermination des chiffres de l'IPR nécessiterait presque certainement des données justificatives, des sessions de brainstorming et l'adhésion de l'ensemble de l'équipe de produit. L'équipe devra également déterminer toute stratégie d'atténuation appropriée, par exemple en évitant les revêtements d'étain brillant sur les fils des composants et en utilisant éventuellement un flash de nickel entre le cuivre et l'étain.

Considérons maintenant un produit critique, tel que certains types d'équipements militaires. Si nous supposons que l'électronique a une durée de vie de 40 ans et qu'une défaillance peut entraîner des dommages corporels ou la mort, nous pourrions probablement aboutir à un consensus selon lequel l'IPR = 10*10*10 =1000, soit l'IPR le plus élevé possible. Cette situation exigerait l'utilisation de tactiques spéciales pour faire face au risque d'oxydation de l'étain. Ces tactiques seront discutées dans mon article et dans la présentation que je ferai à la conférence SMTA Pan Pacific 2019. J'espère que vous pourrez vous joindre à moi !

Santé,

Dr. Ron