Darin Heisterkamp, Chef des ventes
SAFI-Tech, Inc.
Introduction
La technologie de la soudure est vieille de plusieurs milliers d'années, mais elle reste un composant essentiel de l'assemblage électronique, sans lequel aucun de nos appareils électroniques avancés ne fonctionnerait. Bien que le processus de soudure ait été quelque peu affiné à l'époque moderne, il consiste toujours à chauffer l'alliage métallique de soudure jusqu'à son état fondu et à appliquer le métal chaud aux points de contact pour créer un joint de soudure conducteur. Pour l'alliage métallique de soudure étain-argent-cuivre (SAC305) le plus populaire aujourd'hui, cette température de traitement se situe entre 240 °C et 260 °C, ce qui pose un énorme problème.
Les ingénieurs concepteurs qui développent les prochaines générations de produits électroniques sont poussés par la demande des consommateurs pour de nouvelles solutions qui ne se conforment pas aux formats existants, qui sont beaucoup plus petites et plus riches en fonctionnalités. Pour répondre à cette demande, il faut de nouveaux matériaux plus fins, plus légers et plus souples, et des conceptions plus denses, avec une miniaturisation et une intégration accrues. Malheureusement, ces nouveaux produits sont totalement incompatibles avec le soudage à haute température, mais ils ont quand même besoin des avantages des joints de soudure conducteurs entièrement métalliques pour fonctionner.
Nouvelle technologie Supercooled Soldering™
Figure1 : Microcapsule de métal liquide surfondu.
Figure2 : Graphique de calorimétrie montrant la gamme de liquide surfondu.
SAFI-Tech a développé une nouvelle technologie Supercooled Soldering™ utilisant le SAC305 qui peut résoudre ce problème. Le surfusion est un phénomène que tous les matériaux connaissent lors de la transition de phase du liquide au solide. Le processus de micro-encapsulation de SAFI-Tech crée un nouveau facteur de forme qui stabilise la phase liquide surfondue de SAC305 à l'intérieur d'une coquille de nanofilm, et étend l'utilité de cette phase liquide à des températures bien inférieures au point de solidification normal de l'alliage (voir Figure 1). Maintenant, le SAC305 peut être appliqué à travers cette gamme liquide étendue pour former des joints de soudure conducteurs entièrement métalliques à des températures mieux adaptées à chaque conception de produit (voir Figure 2).
Cette nouvelle technologie d'interconnexion de soudure évite les dommages thermiques aux composants et aux matériaux, et atténue les problèmes de qualité causés par le décalage du coefficient d'expansion thermique. Les microcapsules de métal liquide surfondues de SAFI-Tech se présentent sous la forme d'une poudre fine, qui peut être incorporée dans une formulation typique de pâte à braser. Comme le noyau métallique à l'intérieur des microcapsules est liquide, il peut s'écouler, se mouiller, coalescer et se solidifier pour former un joint de soudure après une action sur la coque. Comme pour les pâtes à souder existantes, cette action peut être effectuée par des flux de soudure qui dissolvent l'enveloppe et libèrent le métal liquide à une température cible pour lier les points de contact opposés (voir figure 3).
Figure 3 : Le flux de soudure dissout l'enveloppe des microcapsules pour former un joint de soudure.
Démonstration de produits
SAFI-Tech fait la démonstration de cette technologie de soudure surfondue utilisant le SAC305 en fixant un boîtier de circuit intégré BGA à un circuit imprimé à basse température. Comme les dimensions des boîtiers BGA augmentent avec une plus grande intégration, les composants de circuits intégrés deviennent plus sensibles à la déformation dynamique induite thermiquement par le processus de soudage à haute température, ce qui entraîne des défauts de fixation. Pour cette démonstration, SAFI-Tech a développé un prototype de pâte et un flux dont la température d'activation est de 180 °C, soit plus de 60 °C en dessous des températures de refusion normales du SAC305. C'est également la même gamme où le soudage à basse température avec les alliages BiSn se produit. La démonstration a été mise en place comme suit :
Carte de test
- PCB FR4
- Finition de surface ImmAg
- Contacts de test électrique
Conditions d'impression
- Pochoir en acier avec raclette en acier
- Ouverture de 480 µm de diamètre
- 4 mil d'épaisseur
Les figures 4 et 5 montrent les propriétés d'impression de la pâte et de la pâte appliquée au pochoir dans le motif de la grille du BGA sur la carte de circuit imprimé.
Figure 4 : Rhéométrie du prototype de pâte à braser surfondue.
Figure 5 : Pâte imprimée dans un motif de grille BGA
L'imagerie en coupe transversale du composant BGA après le soudage en surfusion montre une bonne formation du joint entre la boule de soudure SAC305 du BGA et la soudure SAC305 en surfusion de SAFI-Tech (voir Figure 6). L'assemblage de la carte BGA a été envoyé à STI Electronics pour une analyse préliminaire, où tous les joints BGA sont restés conducteurs sans aucune défaillance après 1000 cycles de choc thermique (-40 °C à 110 °C).
Figure 6 : BGA avec une boule SAC305 attachée à une carte FR4 soudée à 180 °C en utilisant la pâte à souder SAC305 surfondue de SAFI-Tech (refusion SAC305 normale à 240 à 260 °C).
Particulièrement intéressant est la présence claire de la couche souhaitable de composé intermétallique (IMC) Cu6Sn5 formé avec SAC305 à cette température (voir Figure 7). Les composés intermétalliques jouent un rôle important dans la résistance mécanique et la fiabilité du joint de soudure. Généralement, une couche IMC inférieure à 4 µm est préférée, et la couche IMC de soudure surfondue a été mesurée à 2.5 µm (voir Figure 8). Ceci est très similaire à une couche IMC typique formée avec SAC305 à des températures de refusion maximales conventionnelles.
Figure 7 : Section transversale de l'interface du joint de soudure SAC305 surfondu de SAFI-Tech montrant la couche de composé intermétallique (IMC).
Figure 8 : Cartographie de la ligne EDS de la couche de composé intermétallique (IMC) de 2,5 µm.
Développement ultérieur
SAFI-Tech poursuit son travail de développement sur le SAC305 surfondu, avec pour objectif d'atteindre un état liquide surfondu pour cet alliage proche de 0 °C (voir Figure 9). En outre, la technologie de micro-encapsulation brevetée et en attente de brevet de SAFI-Tech est agnostique vis-à-vis des alliages. Les développements futurs pourraient également inclure d'autres alliages importants pour l'industrie qui deviennent encore plus avantageux s'ils sont appliqués à l'aide de la technologie de brasage surfondu.
Figure 9 : Développement par SAFI-Tech de microcapsules SAC305 surfondues.
A propos de SAFI-Tech
SAFI-Tech, Inc. a été fondée en 2016 par le professeur Martin Thuo et le Dr Ian Tevis, co-inventeurs de la technologie de micro-encapsulation surfondue de la plateforme. SAFI-Tech apporte un nouveau paradigme full-metal no-heat aux technologies d'interconnexion et de métallisation conductrices pour la prochaine évolution de l'électronique. "SAFI" signifie propre ou pur, et guide l'entreprise dans ses efforts pour mettre sur le marché de nouvelles technologies ayant un impact économique et sociétal positif.
(Ce document est basé sur des travaux soutenus par le programme SBIR du ministère de l'Énergie des États-Unis, Office of Science, sous le numéro d'attribution DE-SC0020704). [This is automatically translated from English
