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Durée de vie des produits – La fiabilité des produits est elle remise en cause


Téléphone mobile, montres, satellites ou même centrales nucléaires aucune platine électronique n’est à l’abri d’un court circuit provoqué par un minuscule filament d’étain entre deux composants. Il s’agit d’une véritable maladie des circuits électroniques appelé «whiskers » qu’on peut traduire par « moustache d’étain». Les filaments qui composent ces moustache sont représentées sur la figure suivante :


SourceSciences et Vie n°1117 octobre 2010


Ces problèmes ont surtout été signalés suite à des incidents sur des centrales nucléaires, des satellites de télécommunication ou des systèmes d’armement. La raison en est que le diagnostic de ce type de problème requiert des équipements dont le coût les réserve à des applications dont le prix est élevé et pour lesquels les conséquences en cas de défaillance peuvent être dramatiques. Mais ce n’est pas parce que des investigations ne sont pas réalisées dans d’autres secteurs d’activité que le problème ne les concerne pas.

L’étain qui est à l’origine de la formation de ces filaments est très utilisé en électronique et si le problème est connu depuis les années 1940 l’explication du phénomène reste encore assez mal connue. C’est après de nombreux test qu’il est apparu que l’adjonction de plomb était de nature à réduire considérablement le phénomène.

Depuis le 1 Juillet 2006 une directive européenne interdit l’usage du plomb dans les équipements électroniques ce qui remet le problème des whisker sur le devant de la scène. La taille de ces filaments qui dépasse rarement le millimètre peut atteindre un centimètre et provoquer dans les circuits intégrés de plus en plus compact des court circuits qui, s’ils ne sont systématiquement destructeur font peser sur les équipements électronique un risque réel de panne.

En cherchant à comprendre l’origine du phénomène les chercheurs ont mis en évidence qu’il s’agit probablement la présence du cuivre qui est présent dans les circuits imprimés qui serait à l’origine du problème. En effet le cuivre diffuse par endroit vers l’étain puis réagit avec lui pour former un composé intermétallique (CuSn) très volumineux qui crée des efforts de compression au sein de la fine couche d’étain comme l’illustre le schéma suivant :


SourceSciences et Vie n°1117 octobre 2010


Dans l’état actuel des connaissances il est impossible de prévoir la vitesse de croissance des whiskers. Elle peut être de quelques semaines à quelques années. Le processus peut commencer rapidement ou le phénomène rester en sommeil des années.

Les pannes de produits électroniques victimes des whiskers font l’objet de peu d’informations de la part des industriels mais il est certain que tant qu’une parade ne sera pas trouvée ils contribueront à provoquer des pannes dans les équipements électroniques. Les spécialistes considèrent que la croissance des whiskers se révèle majoritairement dans les produits grand public au bout de 5 à 6 ans.

Pour aller plus loin dans la compréhension du phénomène des whiskers

De nombreux métaux dont l'étain et le zinc produisent des "whiskers" (excroissances) qui se forment spontanément après plusieurs mois voire plusieurs années, sur les revêtements electro-déposés en métal.

Les whiskers varient en taille et en forme, ils peuvent se présenter sous la forme de très petites croissances nodulaires ou de longs filaments très fins. Les whiskers d'étain sont connus depuis longtemps et engendrent des courts-circuits dans l'équipement électrique. Plusieurs défaillances ont été largement rendues publiques comprenant les stimulateurs cardiaques dans les années 1980, plusieurs missiles, des satellites américains et récemment ils ont causé la fermeture d'une centrale nucléaire aux États-Unis.

Bien que leur origine ait été établie récemment, on sait depuis longtemps qu'ils peuvent être évités en ajoutant du plomb pour créer des revêtements en alliage à base d’étain/plomb, beaucoup moins vulnérables à la formation de whiskers que les revêtements en étain pur. Toutefois avec l'introduction de la Directive RoHS, l'usage du plomb dans l'étain n’est plus acceptable et les fabricants ont dû trouver de nouvelles solutions pour prévenir la formation des whiskers.

L’illustration 1 montre un whisker typique d’environ 100 microns de long et 2 - 3 microns de largeur. Les whiskers peuvent être plus longs et l’on connaît des whiskers de plus de 1 millimètre bien que soit très inhabituel. Les défaillances se produisent lorsque les whiskers sont suffisamment longs pour établir un lien entre les terminaux des composants et généralement, seuls les circuits électroniques à pas fin sont vulnérables. Ces whiskers ne sont pas nécessairement un souci ; le risque n’existe que si les filaments sont longs et sur les circuits à pas fin. Des travaux importants ont été menés au cours de la dernière décennie sur l’origine de la formation des whiskers et comment éviter leur formation.


Illustration 1 Exemple d'un whisker d’étain long et plusieurs whiskers très courts – image par microscope électronique à balayage

Pourquoi les whiskers se forment

On a longtemps pensé mais on n’a pu le démontrer que récemment que les whiskers se forment pour relaxer les contraintes compressives qui existent dans les étamages. Ces contraintes se produisent naturellement dans les revêtements electro-déposés bien qu’ils puissent être réduits grâce aux bains d'électrodéposition chimiques

Un facteur qui a semblé être important était l’utilisation d’additifs qui donnent un aspect brillant aux revêtements en étain. L’étain brillant étant plus vulnérable que l’étain mat, les additifs furent présentés comme la cause de contraintes générées. Cependant, des études ont montré qu’il est possible de produire des surfaces en étain brillant résistant aux whiskers et que certains revêtements en étain mat peuvent produire des whiskers très longs.

Une des principales causes des contraintes dans les revêtements en étain découle des phases intermétalliques sur l’interface entre l’étain et les substrats. L'étain est souvent électrolysé sur le cuivre et le taux de diffusion du cuivre sur l'étain est beaucoup plus rapide que celui de l’étain sur le cuivre. Par conséquent, des composants intermétalliques en cuivre/étain se forment dans l'étain et le nombre d'atomes sur le revêtement en étain augmente. Puisque le volume n’a pas changé pour contenir les atomes supplémentaires, il en résulte une contrainte compressive qui provoque la sortie de l’étain hors du revêtement sous la forme de whiskers.

La formation de whiskers peut être évitée soit en minimisant la formation intermétallique de cuivre/étain à l’aide d'une couche en nickel qui joue un rôle de barrière entre l'étain et le cuivre ou en modifiant la structure intermétallique par cuisson.

Cependant d’autres facteurs de contrainte favorisent la formation des whiskers. L’étain électrolysé possède une structure en grain et la surface de ces grains oxyde au contact de l'air. Si l’humidité est très élevée, et des études récentes ont également démontré que si l’atmosphère est corrosive, l’oxyde produit est relativement volumineux et, se forme entre les grains, générant une contrainte à l’origine de la formation des whiskers. L’humidité est donc utilisée pour tester les composants et déterminer leur vulnérabilité aux whiskers.

Un troisième facteur est la contrainte due à l’expansion thermique différentielle entre le substrat et le revêtement. Le cuivre et l'étain possèdent des coefficients d'expansion similaires (TCE) et par conséquent les différences de température ont un effet moindre mais certains composants, principalement les CI japonais utilisent des substrats à faible TCE - le plus connu étant l'alliage 42 à base de fer et de nickel. Les contraintes compressives sont produites pendant le chauffage puisque l'expansion de l’étain est limitée par l'expansion plus faible du substrat.

Les dommages physiques peuvent également générer des contraintes bien que des études ont montré qu’il ne s’agissait pas de la cause principale. Toutefois le placage à l’étain des connecteurs et des prises peuvent favoriser la formation des whiskers suite à la déformation de la surface.

Comment éviter les défaillances
Des recherches ont pu identifier les principaux facteurs et recommander des mesures pour minimiser le risque de formation des whiskers. INEMI a un site Web très utile qui décrit les principales méthodes pour la prévention des whiskers. Les approches principales sont :
Éviter les dépôts d’étain par électrolyse – iNEMI recommande d'éviter les dépôts d’étain par électrolyse Les alternatives telles que les alliages à base de nickel/or ne produisent pas de whiskers mais l’étamage par immersion à chaud est également moins vulnérable.

Épaisseur d’étain
– ce n'est pas une directive puisque tout dépend du substrat. Avec l'étain plaqué sur le cuivre, une couche d’étain plus épaisse est moins vulnérable qu’une couche fine; en fait la longueur moyenne des whiskers semble être inversement proportionnelle à l'épaisseur d'étain. Toutefois, les recherches ont démontré que les couches de cuivre peuvent être efficaces et l'épaisseur d'étain optimale avec une couche intermédiaire de nickel est de 2 microns – une couche plus fine est difficile à souder et favorise la formation des whiskers longs.

Barrières de nickel
– très efficaces sur le cuivre. À l'origine ce procédé était impossible puisque les grillages étaient pré plaqués puis coupés et pliés. Le placage au cuivre était trop fragile et se fissurait au pliage mais un nickel plus ductile est maintenant disponible et de plus en plus utilisé. Il est important que le nickel soit non poreux autrement le cuivre peut se diffuser dans l'étain par le nickel et générer une contrainte.

Placage à l’étain chimique
– très important mais sur lequel les utilisateurs des composants ont peu d’influence. Les facteurs comme les additifs, les impuretés, la température, etc. peuvent avoir une influence sur le phénomène des whiskers. De nos jours, ils sont conçus de façon que si un de ces facteurs varie, il y aura peu d’incidence sur la formation des whiskers mais les bains de placage anciens étaient très vulnérables aux petites variations.

Alliage en étain
– de nombreux alliages dont les alliages à base d’étain/plomb peuvent engendrer des whiskers mais leur longueur et leur probabilité varie considérablement. Les whiskers d’étain/plomb ont tendance à être très courts bien que des travaux ont réussi à produire des whiskers assez longs. Les alliages à base d’étain/cuivre semblent être plus vulnérables que l’étain pur et les alliages à base d'étain/bismuth est également un peu moins vulnérable probablement en raison d’un point de fusion plus faible et par conséquent une grande partie de la contrainte est dégagée au cours de la refusion.

Substrat – Les whiskers d'étain sont plus susceptibles de se former sur les substrats à faible TCE tels que l’alliage 42 qui doit être évité autant que possible. Les barrières de nickel ne sont pas efficaces sur l'Alliage 42 et les barrières de cuivre fournissent une efficacité limitée.

Traitement thermique
– Le processus de soudure chauffe les revêtements electro-déposés à une température proche de leur point de fusion. En théorie, cela réduit les contraintes à l’origine des whiskers mais certains travaux ont démontré que cela était toujours possible. Certains fabricants cuisent les grillages et les composants peu après la galvanoplastie. Le but étant de former une fine couche intermétallique à base d'étain/cuivre mais régulière entre le substrat de cuivre et le revêtement en étain. La structure est différente des cristaux irréguliers, se forme lentement et produit une contrainte dans les revêtements d'étain.

Éviter les contraintes
– Les contraintes doivent être évitées pendant l'assemblage de l'équipement puisqu’elles peuvent générer des whiskers. Il n’est pas recommandé de courber les grillages bien que ceci ait seulement un effet secondaire. Les dommages physiques aux surfaces en étain sont plus significatifs et ont été présentés comme cause de défaillances. La seule option, lorsque des dommages physiques se présentent sur les connecteurs miniatures ou sur les prises, est la substitution par des revêtements à base de nickel/or ou argent.

Les whiskers sont-ils une vraie menace à la fiabilité ?

La formation des whiskers d’étain a été largement étudiée ces dernières années mais les défaillances causées par les whiskers sont rares. L’équipement électrique utilisé dans les missiles militaires et les satellites ne sont pas fabriqués de la même façon que les équipements électroniques classiques. La fermeture récente de la centrale nucléaire a été causée par des whiskers qui se sont formés sur les diodes produites au début des années 1990 alors que la prévention des whiskers était inconnue tandis que le placage chimique d'étain moderne a été conçu pour éviter la formation des whiskers ou, s'ils sont produits, d'assurer qu'ils sont courts et ne causent pas de défaillances. Les concepteurs d'équipement électrique n’ont pas le choix sur les revêtements de finition des composants puisqu’un seul type est disponible pour chaque type de paquet. Par conséquent les fabricants doivent compter sur leurs fournisseurs pour produire des composants qui ne soient pas vulnérables aux whiskers. Mais cela ne signifie pas pour autant qu’ils ne peuvent pas éviter la formation des whiskers, le suivi de certaines mesures préventives peuvent s’avérer utiles :
Suivez les directives de l’iNEMI autant que possible ;
Évitez les étamages électrolysés sur les pièces faites sur mesure. Si ceux-ci doivent être utilisés, suivez les directives de l’iNEMI et un placage chimique « résistant aux whiskers ». whiskers d’étain ne présentent un risque que sur les composants à pas fins, évitez-les à moins qu'ils soient essentiels en raison des limitations d’espace; des composants de sources fiables, certains fabricants ne peuvent pas contrôler les procédés de placage comme exigé ; processus de refusion semble être important dans la prévention des whiskers puisque la chaleur aide à dégager les contraintes. Les hautes températures des procédés sans plomb doivent être plus efficaces que celles de l’étain/plomb

Les tests sur les whiskers ne sont possibles que pendant le développement de nouveaux produits, trop longs pour être utilisés en assurance de qualité ou répondre aux demandes des clients qui demandent la preuve que les whiskers ne se formeront pas. Il est préférable de suivre une stratégie minimisant les risques en se basant sur les publications de l'iNEMI et des autres experts de l’industrie.

Pour qu’une défaillance se produise, le whisker doit grandir d’une surface, atteindre l’autre et pénétrer la couche d'oxyde formée à l'air. Si le courant est suffisant, le whisker va probablement «éclater» comme un fusible et disparaître causant seulement une défaillance momentanée. Si le courant est très faible, rien ne peut arriver puisqu’il n’y a pas suffisamment de puissance pour percer l'oxyde. L'espacement entre les terminaux est généralement plus long que la plupart des whiskers et la probabilité que deux whiskers grandissent des terminaux adjacents et se réunissent est très faible.

En pratique, les défaillances sur les équipements électriques en série sont extrêmement rares. Les whiskers se forment parfois mais ne causent pas de court-circuit puisqu’ils ne sont pas assez longs. Les revêtements electro-déposés modernes sont conçus pour résister aux whiskers et, même s'ils se forment en raison d’un contrôle de placage insuffisamment, ils doivent être assez courts.

Conclusion

Avec les nouvelles directives RoHs et autres restrictions sur l’utilisation du plomb, les whiskers d’étain sont devenus un sujet d’inquiétude et des recherches se poursuivent. De nombreux fabricants s’inquiètent sur les défaillances imprévues qui pourraient survenir à l'avenir. Il n’existe pas de test rapide pour détecter la vulnérabilité aux whiskers, les seuls tests disponibles prennent jusqu'à six mois et il n'y a pas de garantie que les tests « accélérés » disponibles simuleront avec précision les conditions au-delà de 15 ans.

Il y a clairement un risque, mais les recherches des 10 dernières années ont identifié le facteur principal, la contrainte compressive, et indiqué des mesures pour minimiser le risque. Généralement, les fabricants auront peu ou pas de choix sur le revêtement utilisé mais des mesures préventives peuvent être prises pour éviter les défaillances. Un développement récent qui pourrait aider est l’acceptation par la Commission européenne d'une exemption pour le plomb dans les revêtements de finition en alliage à base d’étain des composants à pas fin (autres que les connecteurs). La plupart des composants ont déjà subi le passage de l'étain/plomb à l’étain, reste à savoir si les fabricants reviendront à la combinaison étain/plomb pour leurs produits à pas fin.


Source : Sciences et Vie d'octobre 2010 et articles sur Internet



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