Brevet FR2797554A1 — publié le 20010216

PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES SUR UN SUPPORT ET DISPOSITIF ÉLECTRONIQUE OBTENU PAR CE PROCEDE. L'invention concerne le domaine des procédés d'assemblage de composants électroniques sur un support. Plus précisément, l'invention concerne de tels procédés d'assemblage comprenant une étape de brasure des broches de chaque composant sur le support. L'invention trouve en particulier une application dans le domaine de l'électronique automobile. Un type de brasure connu et très fréquemment utilisé pour souder des broches de composants électroniques sur des circuits imprimés, est constitué d'un alliage d'étain et de plomb ou d'un alliage d'étain, de plomb avec d'autres éléments en faibles proportions comme l'argent ou l'antimoine. Cependant, il est bien connu que le plomb et ses composés sont toxiques. Par souci de préservation de l'environnement, des recherches sont actuellement effectuées pour trouver des brasures sans plomb. Les nouvelles brasures sans plomb contiennent de l'étain en plus fortes proportions. Ces nouvelles brasures sont par exemple des alliages comprenant 96% en poids d'étain (Sn) et 4% en poids d'argent (Ag), ou bien encore 96% en poids d'étain, 3,5% en poids d'argent et 0,5 % en poids de cuivre (Cu). Ces nouvelles brasures ont un point de fusion supérieur aux brasures au plomb et nécessitent un chauffage à des températures voisines de 230 C à 260 C. Un exemple de brasure sans plomb constitué d'un alliage SnAgCu est décrit par exemple dans le brevet US- 5 527 628. D'une manière générale, les résultats présentés ci-dessous proviennent de mesures obtenues sur des brasures réalisées à partir d'une crème constituée d'une résine chargée de particules de l'alliage de brasure. La préparation de ce type de crème est décrite, par exemple, dans le brevet US-5 520 752. Une fois la crème déposée sur le support, et la broche du composant posée sur cette crème, le composant électronique est chauffé dans un four à une température variant en fonction du temps (généralement quelques minutes) selon un profil bien défini. Le paramètre le plus déterminant de ce profil pour la réalisation de ces brasures, est la température maximum du profil. Comme le montre les résultats présentés ci-dessous, les assemblages réalisés avec les nouvelles brasures sans plomb sont moins fiables que ceux réalisés avec les brasures traditionnelles au plomb. En effet, si l'on prend un composant électronique avec des broches de cuivre ordinaire (non purifié, présentant par exemple, un taux de 2% en poids de fer), que l'on réalise, de la manière indiquée ci- dessus, une brasure sur ses broches, on peut constater la formation de composés dits "intermétalliques" entre la broche et la brasure. Les composés intermétalliques sont en général particulièrement importants entre le cuivre et l'étain. Le cuivre entre non seulement, comme indiqué ci-dessus, dans la composition des broches de composants électroniques, mais aussi dans celle des couches déposées sur les circuits imprimés et auxquelles sont électriquement connectées ces composants. Ces couches de cuivre formant les pistes conductrices des circuits imprimés sont aussi appelées, selon la terminologie anglo- saxonne, Des mesures réalisées sur des brasures avec et sans plomb révèlent, comme le montre la figure 1, que l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques, observée au microscope électronique à balayage, augmente avec la température maximum du profil du four. Les composés intermétalliques se forment donc déjà pendant le court moment de l'assemblage des composants sur leur support. Mais d'autres mesures réalisées sur des brasures avec et sans plomb, observées au microscope électronique à balayage, révèlent aussi, que l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques est très sensible aux conditions de stockage du composant, lorsque le composant est brasé sur son support avec des brasures sans plomb. Ainsi, l'effet du temps de stockage à hautes températures est illustré par la figure 2. Cette figure 2 représente l'évolution de l'épaisseur de composés intermétalliques, observée au microscope électronique à balayage, en fonction de la durée de stockage, pour un stockage à 160 C, pour différents alliages de brasure. On observe alors que lorsque les brasures sont réalisées avec des alliages sans plomb, avec des températures maximales de profil de four de 240 C, 250 C ou 265 C, l'épaisseur de composés intermétalliques formés augmente très rapidement. Par contre, lorsque la brasure est réalisée à 265 C, avec un alliage au plomb (dont la concentration pondérale est supérieure ou égale à 45%), l'épaisseur de composés intermétalliques évolue beaucoup plus lentement au cours du temps de stockage, pour atteindre un plateau. On constate, par ailleurs, que les premières fissures apparaissent après environ 250 heures de stockage pour les alliages sans plomb alors qu'il n'en est pas observé avec les alliages au plomb. Or ces effets du temps de stockage à hautes températures, sur la formation de composés intermétalliques est particulièrement critique, puisque certains composants électroniques sont susceptibles d'être soumis à des températures élevées (130 C et au dessus). C'est le cas notamment, si ce sont des composants destinés à être utilisés au voisinage d'un moteur de véhicule automobile ou si ce sont des composants dissipant beaucoup de chaleur. En effet, la formation de ces composés intermétalliques est une cause importante de défaillance des brasures sans plomb. Comme le montre la figure 3, plus l'épaisseur en composés intermétalliques est importante plus la tenue mécanique de la brasure diminue (sauf pour les brasures au plomb avec lesquelles il ne se forme pratiquement pas de composés intermétalliques). Pour limiter la croissance de composés intermétalliques à l'interface des broches des composants et de la brasure, il a été proposé, selon l'art antérieur, de recouvrir les broches des composants d'une couche continue de nickel, préalablement à la brasure. La figure 4 représente schématiquement une broche 2 de composant 4, brasée sur un plot 6 conducteur en cuivre, de circuit imprimé 8, le plot 6 et la broche 2 étant recouverts d'une barrière de nickel 10, elle-même recouverte d'une couche de palladium 12, le palladium permettant d'améliorer la mouillabilité du nickel par la brasure 14. Il est alors constaté que, dans des conditions de stockage équivalentes à celles exposées ci-dessus, la barrière de nickel 10 évite la formation de composés intermétalliques. Corrélativement, les propriétés de tenue mécanique des brasures 14 sans plomb sur des broches 2 protégées par une barrière de nickel 10, sont équivalentes, voire supérieures, à celles de brasures 14 avec plomb. Ainsi, comme le montre la figure S, lorsqu'un composant est soudé avec des broches de cuivre ordinaire (ayant par exemple un taux de 2% en poids de fer), mais que ces broches ne sont pas protégées par une barrière de nickel, on remarque que la tenue mécanique diminue avec le temps de stockage, lorsque des brasures sans plomb sont utilisées, alors que celle-ci reste constante dans le temps, lorsqu'une brasure avec plomb est utilisée. Par contre, comme le montre la figure 6, si les broches sont recouvertes de nickel, la tenue mécanique reste globalement constante quelle que soit la durée de stockage et quelle que soit la brasure utilisée. La valeur absolue des forces de rupture des figures 5 et 6 ne peut être comparée dans leurs valeurs absolues, car les composants testés ne comprenaient pas le même nombre de broches. Cependant, l'ajout de couches de nickel est coûteux, et perturbant pour les technologies de mise en boîtier de composants, car il nécessite une modification importante des procédés d'assemblage des composants électroniques sur un support. Un but de l'invention est de réaliser des assemblages de composants électroniques présentant une grande fiabilité, dans une large gamme de températures d'utilisation, la réalisation de ces assemblages ne présentant pas les inconvénients présentés ci-dessus. Ce but est atteint grâce à un procédé d'assemblage de composants électroniques ayant des broches de cuivre, sur un support comprenant une étape de brasure des broches de chaque composant sur le support, avec un matériau de brasure ne contenant pas de plomb et ayant une concentration pondérale en étain supérieure à 75%, caractérisé par le fait que les broches sont en cuivre ayant une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%. En effet, de manière surprenante, le déposant a pu mettre en évidence que lorsque les broches sont en cuivre, mais que ce dernier présente une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%, l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques formés au cours de la brasure et de l'utilisation à des températures élevées (aux environs de 130 et au-dessus), est réduite d'un facteur très important (de l'ordre de 3 à 4), ce qui suffit pour préserver la fiabilité des assemblages. Grâce à cela, on obtient une tenue mécanique des brasures suffisantes, sans avoir recours à l'utilisation de barrières de nickel. Avantageusement la brasure a pour composition pondérale SnXAgyCuz, avec x compris entre 95,5 et 97,5, y compris entre 2,5 et 4 et z compris entre 0 et 1. Dans ce cas, la brasure a une composition pondérale qui peut être, par exemple, Sn96Ag4, Sn96Ag3,5Cu0,5 ou Sn96,8Ag3,6Cu0,7. Afin d'améliorer la mouillabilité des broches par la brasure, les broches de cuivre sont préférentiellement étamées à l'étain sans plomb préalablement à l'étape de brasure. Avantageusement, la brasure est réalisée sur le support, essentiellement sur une plage de cuivre ayant également une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%. Avantageusement encore, la surface de ladite plage de cuivre et/ou la surface des broches destinées à être brasées est, au moins en partie passivée, par une résine de passivation. Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif électronique, notamment de véhicule automobile, comportant au moins un composant électronique ayant des broches brasées sur un support, avec une brasure ne contenant pas de plomb et ayant une concentration pondérale en étain supérieure à 75 % , caractérisé par le fait que les broches sont en cuivre ayant une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui suit, ainsi qu'à l'aide de références aux dessins sur lesquels - la figure 1 est un diagramme représentant l'épaisseur, observée au microscope électronique à balayage, de la couche en composés intermétalliques formés, au cours d'un procédé de l'art antérieur, à l'interface entre des broches de cuivre ordinaire (avec un taux de 2% en poids de fer) et un alliage de brasure, en fonction de la température maximale du profil de four, pour différents alliages de brasure ; - la figure 2 est un diagramme représentant l'épaisseur, observée au microscope électronique à balayage, de la couche de composés intermétalliques formés, au cours d'un procédé de l'art antérieur, à l'interface entre des broches en cuivre ordinaire (avec un taux de 2% en poids de fer), et un alliage de brasure, pour différents alliages de brasure, avec ou sans plomb, au cours d'un stockage à 160 C, en fonction de la durée de ce stockage ; - la figure 3 est un diagramme représentant la tenue mécanique de brasures réalisées, selon un procédé de l'art antérieur, sur des composants électroniques ayant des broches de cuivre ordinaire (avec un taux de 2% en poids de fer), en fonction de l'épaisseur, observée au microscope électronique à balayage, de la couche de composés intermétalliques formés, à l'interface entre la broche et différents alliages de brasure ; - la figure 4 représente schématiquement la brasure d'une broche de composants électroniques sur un circuit imprimé, réalisée par la mise en oeuvre d'un des procédés de l'art antérieur ; - la figure 5, un diagramme représentant l'évolution des forces de rupture de brasures réalisées, selon un procédé de l'art antérieur, sur des composants dont les broches sont en cuivre ordinaire (avec un taux de 2% en poids de fer), sans barrière de nickel, en fonction du temps de stockage à 160 C, pour différents alliages de brasure ; - la figure 6 est un diagramme représentant l'évolution de la force de rupture de brasures réalisées, selon un procédé de l'art antérieur, sur des composants dont les broches sont en cuivre ordinaire (avec un taux de 2% en poids de fer), recouvert d'une barrière de nickel, en fonction du temps de stockage à 160 C, pour différents alliages de brasure ; - la figure 7 représente schématiquement en coupe transverse un composant électronique brasé sur un support, grâce au procédé selon l'invention ; - la figure 8 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S014 entier; - la figure 9 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S028 entier ; - la figure 10 représente schématiquement les lignes de découpage d'un composant électronique (S014) vu de dessus ; - la figure 11 représente schématiquement les lignes de découpage d'un autre composant électronique (S028) vu de dessus ; - la figure 12 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage d'une interface broche/brasure d'un composant S014 découpé selon la ligne en traits en pointillés, représentée sur la figure 10 ; - la figure 13 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage d'une interface broche/brasure d'un composant S028 découpé selon les lignes en traits en pointillés, représentées sur la figure 11 ; et - la figure 14 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant dit # Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est décrit ci-dessus dans le cadre de l'assemblage d'un composant électronique dit de type "S0 14", sur un circuit imprimé. Comme représenté sur la figure 7, un tel composant 4 comporte des broches 2. Ces broches 2 sont brasées sur un circuit imprimé 8 comportant des plots 6 conducteurs en cuivre. Chaque broche 2 est électriquement connectée et mécaniquement liée, à un plot 6, grâce à une brasure 14. Selon cet exemple, les broches 2 de ce composant électronique 4 sont en cuivre laminé. Ce cuivre a un taux en poids d'impuretés, et de fer en particulier, inférieur à 1% et préférentiellement inférieur à 0,5%. Pour simplifier, ces broches 2 seront par la suite dites en cuivre pur , par opposition au cuivre ordinaire des broches 2 ayant servi aux mesures obtenues sur les brasures réalisées selon des procédés de l'art antérieur et exposées ci-dessus. On peut vérifier la composition de ces broches 2 de cuivre à l'aide, par exemple, de mesures aux rayons-X, sur un microscope électronique à balayage. Afin de faciliter la mouillabilité de ces broches 2 par la brasure 14, celles-ci sont étamées avec une couche d'étain pur , c'est-à-dire d'étain sans plomb. Selon l'exemple de mode de réalisation du procédé conforme à la présente invention, exposé ici, la brasure 14 est un alliage comportant 96% en poids d'étain et 4% en poids d'argent. Cet alliage de brasure est mis sous forme de particules globalement sphériques, dont la taille est généralement inférieure à 25 gm. La poudre ainsi formée est dispersée dans une pâte du type de celle généralement utilisée en électronique, dans ce type d'application. Cette pâte est généralement une résine. Selon cet exemple de mode de réalisation du procédé conforme à la présente invention, celui-ci comprend une étape de dépôt d'une couche de passivation, préalablement à l'étape de brasure, sur les plots 6 et sur les broches 2. Cette couche de passivation est par exemple constituée d'une résine. Au cours de l'étape de brasure subséquente à cette étape de dépôt d'une couche de passivation, on dépose la crème de brasure décrite plus haut, de manière à réaliser une goutte mouillant à la fois une broche 2 et un plot 6. Cette étape est répétée pour toutes les broches 2 devant être électriquement connectées à un plot 6. Le composant est alors mis dans un four pour subir un traitement thermique, selon un profil de température bien défini, mais classique (avec préchauffage entre 150 C et 170 C, etc.). La température maximum du profil est de 230 C. Afin de tester la fiabilité des brasures obtenues par le procédé selon l'invention, un composant S014 ayant subi les étape décrites ci- dessus, a été stocké pendant 1000 heures, à 150 C. La figure 8 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S014. Sur cette photographie, on observe principalement trois zones ayant des contrastes de gris différents. La zone la plus foncée correspond à la broche de cuivre pur. La zone la plus claire correspond à la brasure (SnAg). La zone intermédiaire entre la zone la plus foncée et la zone la plus claire correspond à une couche de composés intermétallique (Cu6Sns) de 12 gin d'épaisseur. A titre de comparaison, des mesures analogues à celles exposées au paragraphe précédent ont été réalisées sur des composants de type S028 , ayant des broches 2 de cuivre ordinaire comprenant 2% de fer. La figure 9 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S028. Sur cette photographie, on observe principalement trois zones une zone supérieure ayant un contraste très foncé qui correspond à la broche de cuivre comprenant 2% en poids de fer, une zone inférieure qui correspond à la brasure (SnAg), et une zone intermédiaire entre ces zones supérieure et inférieure, correspondant à une couche de composés intermétallique (Cu6Sns) de 42 gm d'épaisseur. On constate donc que le procédé conforme à la présente invention permet de réduire considérablement l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques, susceptible de fragiliser la brasure. Cependant, les composants S014 et S028 sont structurellement différents. Les contraintes mécaniques appliquées aux broches 2, au cours du chauffage de stockage par le jeu des coefficients de dilatation thermique sont susceptibles d'être différentes. Dans le but de vérifier que ces contraintes n'influencent pas la formation de la couche de composés intermétalliques, des composants S014 et S028 ont été découpés avant d'être stockés 1000 heures à 150 C. La figure 10 représente schématiquement un composant électronique S014, vu de dessus. Deux lignes en traits en pointillés représente l'emplacement de deux lignes de découpage de ce composant. La figure 11 représente schématiquement un composant électronique S028, vu de dessus. Une ligne en traits en pointillés représente l'emplacement de la ligne de découpage de ce composant. Après ces découpages, les contraintes liées au traitement thermique des composants pendant le stockage de 1000 heures, à 150 C, se trouvent pratiquement annulées. Les composants S014 et S028 ainsi découpés sont stockés pendant 1000 heures, à 150 C. Les brasures sont alors observées dans des conditions similaires à celles correspondant aux figures 8 et 9. La figure 12 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S014 découpé comme indiqué sur la figure 10. Sur cette photographie, on observe principalement trois zones ayant des contrastes de gris différents. La zone la plus foncée correspond à la broche de cuivre pur. La zone la plus claire correspond à la brasure (SnAg). La zone intermédiaire entre la zone la plus foncée et la zone la plus claire correspond à une couche de composés intermétallique (Cu6Sn5) de 12 pm d'épaisseur. La figure 13 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant S028. Sur cette photographie, on observe plusieurs zones une zone supérieure ayant un contraste très foncé qui correspond à la broche de cuivre constitué de 2% de fer, une zone inférieure, ayant un contraste gris clair, qui correspond à la brasure (SnAg), et une zone intermédiaire entre ces zones supérieure et inférieure, correspondant à une couche de composés intermétallique (Cu6Sn5) de 40 gm d'épaisseur. Il découle de ces observations que les couches de composés intermétalliques sont d'épaisseurs équivalentes, que les composants 4 soient découpés ou non, c'est à dire que des contraintes soient appliquées ou non aux broches 2. Ces observations sont regroupées dans le tableau suivant Dans le tableau ci-dessus, en plus des résultats déjà présentés, figurent ceux obtenus par des observations effectuées sur un composant que l'on appellera La figure 14 est une photographie d'une observation au microscope électronique à balayage de l'interface broche/brasure d'un composant capteur . Sur cette photographie, on observe plusieurs zones : une zone portant la mention Melf ( Melf désigne un composant de type cylindrique, tel qu'une inductance ou une résistance), ayant un contraste très foncé qui correspond à du cuivre pur, une zone inférieure portant la mention pad ( pad désigne un plot 6 de contact sur le support 8) ayant un contraste très foncé, qui correspond également à du cuivre pur, une. zone ayant un contraste très clair correspondant à la brasure (SnAg), et deux zones intermédiaires, entre les zones de contraste foncé et clair, qui correspondent à deux couches de composés intermétallique Cu6Sn5 et Cu3Sn, ayant une épaisseur totale de 8 pm d'épaisseur. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage de composants électroniques (4) ayant des boches (2) de cuivre, sur un support (8) comprenant une étape de brasure des broches (2) de chaque composant (4) sur le support (8), avec un matériau de brasure ne contenant pas de plomb et ayant une concentration pondérale en étain supérieure à 75%, caractérisé par le fait que les broches (2) sont en cuivre ayant une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la brasure a pour composition pondérale SnXAgyCuZ, avec x compris entre 95,5 et 97,5, y compris entre 2,5 et 4 et z compris entre 0 et 1. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la brasure a pour composition pondérale Sn96 Ag4. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la brasure a pour composition pondérale Sn96Ag3,5Cuo,5. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la brasure a pour composition pondérale Sn96,sAg3,6Cuo,7. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les broches (2) de cuivre sont étamées à l'étain sans plomb, préalablement à l'étape de brasure, afin d'améliorer la mouillabilité des broches (2) par la brasure (14). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la brasure est réalisée sur le support (8), essentiellement sur une plage de cuivre (6) ayant une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la surface de ladite plage de cuivre (6) est, au moins en partie, passivée par une résine de passivation. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface des broches (2) destinée à être brasée est, au moins en partie, passivée par une résine de passivation. 10. Dispositif électronique, notamment de véhicule automobile, comportant au moins un composant électronique (4) ayant des broches (2) de cuivre brasées sur un support, avec une brasure (14) ne contenant pas de plomb et ayant une concentration pondérale en étain supérieure à 75%, caractérisé par le fait que les broches (2) sont en cuivre ayant une concentration pondérale en impuretés inférieure ou égale à 1%.