Brevet FR3101561A1 — publié le 20210409

Le SIA est un alliage sans plomb destiné à souder des composants électroniques traditionnels et des composants montés en surface (CMS). L'invention SIA est conçue pour remplacer entièrement les alliages étain-plomb et pour avoir une température de solidification de 182/183 ° C. L'alliage SIA est conçu pour respecter les spécifications des composants électroniques, en particulier la température maximale autorisée. La composition et la microstructure du SIA sont conçues pour améliorer la résistance mécanique aux chocs et à l'allongement. Dans des modes de réalisation préférés, l'alliage SIA contient du Bismuth (Bi) dans une plage de 25-30% et un ou plusieurs éléments comme de l'Argent (Ag) dans la plage de 0,1-1%, du Cuivre dans une plage de 0,1-0,5%, le reste étant de l'Etain (Sn). La composition SIA préférée est l'Etain (Sn) 72%, le Bismuth 27,2%, l'Argent (Ag) 0,5% et le Cuivre (Cu) 0,3%. D'autres additifs peuvent être utilisés à moins de 1% de la concentration massique comme le Nickel (Ni), le Cobalt (Co), le Zinc (Zn), le Germanium (Ge), le Phosphore (P), l'Indium (In), le Magnésium (Mg), le Néodyme (Nd ), le Titane (Ti) et le Rhénium Re. L'alliage SIA (Supreme Improved Alloy) peut également être utilisé pour souder du cuivre et d'autres matériaux comme des tubes pour la plomberie. L'alliage SIA peut être utilisé en pâte avec du flux de soudure, en barre, en poudre ou en fil. Alliage de soudure sans plomb appelé SIA à base de Sn et Bi et d’additifs de Cu et d’Ag limités à 1 %. Domaine de l'invention: : L'invention concerne généralement une soudure sans plomb pour composants électroniques et composants à base d'alliages de cuivre ou d'autres métaux comme les alliages de Nickel ou de Bismuth ou l'alliage d'Etain. Le SIA est un alliage à base d'Etain (Sn) et de Bismuth (Bi) qui contient des petites quantités spécifiques d'Argent (Ag) et de Cuivre (Cu). Contexte de l'invention: Traditionnellement, l'alliage utilisé en électronique pour souder les composants était le Sn / Pb à la composition eutectique de Sn60Pb40 ou Sn63Pb37 en pourcentage massique. La température de fusion est de 183 ° C. En 2006, le plomb a été totalement interdit dans les alliages en raison de la toxicité. ROHS, la directive européenne de restriction des substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques est en vigueur depuis 2016. Sur la base de cette obligation, tous les fabricants d'électronique ont opté pour le SAC 305 ou le Sn-Cu ou le Sn100C en tant que nouveaux alliages autorisés. Ces alliages ont une température de fusion entre 217 ° C et 227 ° C. Les alliages Sn-Bi ont été rejetés en raison de la basse température de fusion de 140 ° C et très cassants. De nombreuses recherches ont été effectuées par des concurrents pour améliorer la résistance, la mouillabilité et la durabilité des alliages lorsqu'ils sont exposés à l'humidité ou aux contraintes de température. En conséquence, la température de consigne utilisée dans les équipements à vague et les fours à refusion est très élevée, généralement entre 265 ° C et 285 ° C. Ces températures sont trop élevées et ne respectent pas les spécifications des composants. La mouillabilité et la durabilité des alliages SAC305, Sn-Cu, Sn100C sont également de performances moyennes. Depuis 2006, aucun alliage n'a été trouvé pour atteindre l'objectif de 183 ° C de température de fusion sans plomb (Pb) ou sans métaux coûteux comme l'Indium (In) ou l'Or (Au). Un nouvel alliage appelé LMPA a été proposé sur le marché en 2018 par le fabricant Interflux. Cet alliage a été indiqué avec 176 ° C de température de fusion et une augmentation de la résistance en ajoutant de l'antimoine (Sb). Les problèmes de cet alliage LMPA sont nombreux car en fait la température de solidification est de seulement 155 ° C et il est très cassant quand un choc mécanique est appliqué sur des composants soudés avec lui. Les alliages utilisés aujourd'hui présentent de nombreux problèmes tels que des difficultés de soudage, une faible durabilité, un coût élevé, une dégradation des composants en raison de la température élevée du processus, une reprise difficile des composants, une consommation d'électricité, une utilisation d'azote pour réduire la formation de scories, des contraintes sur les équipements, des vides à l'intérieur de la soudure et plus encore. Résumé de l’invention : Le but de cette invention est de remplacer entièrement l'alliage Sn-Pb utilisé dans le passé par un nouveau et non d'améliorer les alliages actuels. Le nom de l'alliage de l'invention est SIA en tant que Supreme Improved Alloy (Alliage suprême amélioré). Les objectifs sont : 183 ° C de température de fusion Pas de plomb Coût réduit par rapport au SAC305 Bonne mouillabilité sur cuivre et composants électroniques Écart de température en phase pâteuse faible Conforme Rohs Bonnes résistances aux chocs mécaniques et aux vibrations Conserver les paramètres de consigne des équipements comme pour l'alliage Sn-Pb Respecter les spécifications des composants électroniques en termes de température. Pas de formation de moustaches (whiskers) Couche intermétallique réduite Compatible avec les flux à base d'eau ou d'alcool De bons résultats dans la durée de vie Bonne conductivité électrique et thermique Être capable de produire du fil à souder Réduire l'empreinte carbone Pour trouver les métaux pouvant être utilisés, de nombreux tests de mélanges de métaux et de fusions ont été effectués. Le premier objectif de la température de fusion 182/183 ° C a été atteint en utilisant les métaux Etain (Sn) et Bismuth (Bi). Une caractéristique importante est de diluer totalement le Bismuth dans l'étain, pour limiter la formation eutectique. Des limites de composition possibles ont été déterminées entre 70 à 75% d'Etain (Sn) et donc de 25 à 30% de Bismuth (Bi). La composition optimale est de 72% d'Etain (Sn) pour atteindre les 183 ° C de fusion. Avec le Bismuth inclus dans l'alliage d'Etain, il y a un problème de résistance. Les alliages Etain / Bismuth sont cassants. Les problèmes proviennent de la morphologie de solidification et des formations eutectiques métalliques. Le but de cette invention est de résoudre ce problème de morphologie et de fragilité. Pour limiter et supprimer la formation de composition eutectique et non homogène pendant la solidification, la structure interne doit être modifiée et déterminée et homogène. La structure métallique optimale consiste à obtenir des grains réguliers et une jonction entre les grains en tant que métaux standards. Nous devons éviter la formation cristalline. Pour atteindre cet objectif, la quantité d'additifs en masse doit être faible et inférieure à 1% du poids total de l'alliage. Nous devons sélectionner les additifs possibles comme le Cuivre (Cu), l'Argent (Ag) le Nickel (Ni), le Cobalt (Co), le Zinc (Zn), le Germanium (Ge), le Phosphore (P), l'Indium (In), le Magnésium (Mg) , le Néodyme (Nd), le Titane (Ti) et le Rhénium (Re). Le Tellure (Te) et l'Antimoine (Sb) ne sont pas utilisables en raison de la non dilution dans l'étain pour le Te et de la morphologie cristalline pour le Sb. Les meilleurs additifs sont l'argent et le cuivre en raison de la bonne mouillabilité avec l'étain de l'alliage et le cuivre des circuits imprimés. De plus, l'Argent et le Cuivre sont très bons en conduction électrique et thermique. Ces deux additifs vont générer un bon ciment entre les grains Sn / Bi et un bon chemin de conduction dans toute la structure de l'alliage. Le résultat attendu et obtenu dans cette invention est une très bonne qualité de résistance mécanique. Le cuivre est également sélectionné dans cette invention pour réduire la dilution du cuivre des pistes sur la carte du circuit imprimé. Cette réduction de la dilution du cuivre donne une épaisseur plus faible pour la couche intermétallique entre les pistes et les composants. Le résultat est une meilleure résistance de la soudure La composition optimale en masse de l'alliage SIA est la suivante : Etain 72% Bismuth 27,2% Argent 0,5% et Cuivre 0,3% Les résultats sont exceptionnels. Tous les objectifs ont été atteints. La température de fusion est de 182 ° C et les résultats des chocs mécaniques sont meilleurs de 80% par rapport à l'alliage SAC305. Voir un exemple de coupe transversale d’un alliage SAC305 par rapport au SIA dans la figure Voir les résultats des tests de choc mécanique entre différents alliages communs dans le tableau . Une masse est lâchée sur un composant (CMS Diode) de 0 gramme jusqu’à la valeur maximale. La masse est lâchée à 145 mm de hauteur. Une solution pour remplacer entièrement l'alliage Sn-Pb a été trouvée avec cette invention. Tous les objectifs ont été atteints. Un alliage de soudure sans plomb ayant une composition contenant: 70 à 75% en poids d'Etain (Sn), 25 à 30% en poids de Bismuth (Bi) et des additifs inférieurs à 1% du poids total de l’alliage. Un alliage de soudure sans plomb appelée SIA ayant une composition d'alliage contenant: 72% en masse d'Etain (Sn), 27,2% en masse de Bismuth (Bi), 0,5% en masse d'Argent (Ag) et 0,3% en masse de Cuivre (Cu) L’utilisation d'une composition d’alliage de soudure selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 pour souder des composants électroniques.