FR3087368A1 - Alliage de brasure sans plomb et utilisation d'un tel alliage - Google Patents
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Abstract
Un alliage de brasure sans plomb ayant une composition comprenant :
• 88%-94% en poids d'étain (Sn),
• 6%-9% en poids d'antimoine (Sb) et
• 0,5%-2,5% en poids de cuivre (Cu).
Description
ALLIAGE DE BRASURE SANS PLOMB ET UTILISATION D'UN TEL ALLIAGE DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ART ANTERIEUR La présente invention concerne une composition d'alliage de brasure qui soit dépourvu de plomb.
De manière connue, pour fabriquer ou connecter des composants électroniques entre eux ou à une carte électronique, il est connu d'utiliser un alliage de brasure comportant du plomb qui a un haut point de fusion d'environ 300°C.
Du fait de contraintes réglementaires, de tels alliages à base de plomb ne peuvent plus être utilisés.
Afin de remplacer ces alliages, on connaît un alliage Etain-Argent-Cuivre plus connu sous son abréviation anglaise « alliage SAC ».
On connaît en particulier un alliage SAC305, comprenant environ 3% en masse d'argent et environ 0,5% en masse de Cuivre, dont la température de fusion est comprise entre 217°C et 220°C.
Un tel alliage SAC305 possède des performances inférieures à un alliage plombé pour des températures d'utilisation supérieures à 150°C.
Or, de telles températures d'utilisation sont atteintes de manière fréquente dans le domaine pétrolier, aéronautique, automobile ou autre.
De plus, un tel alliage SAC305 est peu robuste aux chocs thermiques entre -40°C et +150°C.
On recherche donc un alliage ne refondant pas en-dessous de 200°C ou idéalement de 230°C et aussi fiable en termes de cyclages thermiques, de conductivité électrique et thermique et de résistance mécanique que l'alliage plombé.
Un but de l'invention est donc de fournir un alliage de brasure avec une bonne fiabilité pour une utilisation dans une variété de procédés de soudage, tels que brasage à la vague, brasage par refusion, brasage au trempé, brasage de fil et brasage sélectif.
PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne un alliage de brasure sans plomb ayant une composition comprenant : 88%-94% en poids d'étain (Sn), 6%-9% en poids d'antimoine (Sb) et 0,5%-2,5% en poids de cuivre (Cu).
De manière avantageuse, un tel alliage de brasure possède des températures de fusion et des diagrammes de phase qui sont optimaux pour mettre en oeuvre un procédé de refusion.
Par 2 comparaison à un alliage SAC classique, c'est-à-dire un alliage Etain-Argent-Cuivre, la résistance mécanique est augmentée de plus de 50%, les performances de mouillage sont augmentées et la conductivité thermique est augmentée.
De manière avantageuse, le coût d'un alliage selon l'invention est réduit de manière importante, de préférence, de l'ordre de 50%.
De manière 5 préférée, la conductivité thermique supérieure à 60VV.m-1.K-1, de préférence, comprise entre 60VV.m-LK-1 et 65VV.m-1.1<-1.
De préférence, la mouillabilité est inférieure à 25°.
De manière préférée, l'alliage comprend uniquement de l'étain (Sn), de l'antimoine (Sb) et du cuivre (Cu).
10 De manière préférée, l'alliage comprend : 90%-92% en poids d'étain (Sn), 7%-8% en poids d'antimoine (Sb) et 1%-2% en poids de cuivre (Cu).
15 Selon un aspect de l'invention, l'alliage comprend 80%-92% en poids d'étain (Sn).
Selon un autre aspect de l'invention, l'alliage comprend 7%-8% en poids d'antimoine (Sb).
20 Selon un autre aspect de l'invention, l'alliage comprend 1%-2% en poids de cuivre (Cu).
De manière préférée, l'alliage comprenant : 90,5%-91,5% en poids d'étain (Sn), 7,3%-7,7% en poids d'antimoine (Sb) et 25 1,3%-1,7% en poids de cuivre (Cu).
L'invention concerne aussi un alliage composite pour brasure comprenant un alliage de brasure tel que présenté précédemment et 5%-25% en poids de particules d'argent ou de cuivre.
De manière préférée, l'alliage composite pour brasure est constitué uniquement d'un alliage de 30 brasure et de particules d'argent ou de cuivre.
Un tel alliage composite de brasure permet d'améliorer la conductivité thermique et électrique.
De manière préférée, les particules d'argent ou de cuivre possèdent des dimensions comprises entre 1 et 30 micromètres.
35 3 L'invention concerne également l'utilisation d'un alliage tel que présenté précédemment pour un procédé de refusion de composants électroniques.
L'invention concerne également l'utilisation d'un alliage tel que présenté précédemment pour 5 souder un boîtier de composants électroniques et / ou un dispositif de montage en surface (SMD) à un substrat, l'alliage étant appliqué sous forme de pâte.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE 10 II est proposé un alliage de brasure pour le brasage à la vague, pour le brasage sélectif et notamment pour un procédé de brasage de composants électroniques par refusion.
Un tel alliage peut également être utilisé pour la fabrication ou la connexion de composants électroniques, notamment, des semiconducteurs.
15 Selon l'invention, il est proposé un alliage de brasure sans plomb ayant une composition comprenant : 88%-94% en poids d'étain (Sn), 6%-9% en poids d'antimoine (Sb) et 0,5%-2,5% en poids de cuivre (Cu).
20 Un tel alliage de brasure présente un point de fusion qui se situe entre 230°C et 250°C et présente de très bonnes propriétés dans les domaines mécaniques, électrique et de mouillage.
En outre, l'absence de plomb permet de respecter les nouvelles normes environnementales.
25 De préférence, l'alliage comprend : 90%-92% en poids d'étain (Sn), 7%-8% en poids d'antimoine (Sb) et 1%-2% en poids de cuivre (Cu).
30 De préférence encore, l'alliage comprend : 90,5%-91,5% en poids d'étain (Sn), 7,3%-7,7% en poids d'antimoine (Sb) et 1,3%-1,7% en poids de cuivre (Cu).
35 Un tel alliage de brasure possède des températures de fusion et des diagrammes de phase qui sont optimaux pour mettre en oeuvre un procédé de refusion.
Par comparaison à un alliage SAC classique, c'est-à-dire un alliage Etain-Argent-Cuivre, la résistance mécanique est augmentée de 4 plus de 50%, les performances de mouillage sont augmentées et la conductivité thermique est augmentée.
De manière avantageuse, le coût d'un alliage selon l'invention est réduit de manière importante, de préférence, de l'ordre de 50%.
5 L'alliage selon l'invention a été réalisée dans des tubes de quartz fermés sous vide pour éviter le phénomène d'oxydation, puis dans des creusets en alumine.
Des éléments de haute pureté, Sn (99,949%), Sb (99,76%) et Cu (99,99%) ont été introduits et mélangés après la pesée dans les creusets, puis placés dans un four à résistance à une température de 370°C.
10 Afin de s'assurer que la composition chimique de l'alliage est conforme au but recherché, elle a été analysée selon deux techniques : la fluorescence X (XRF) et la spectrométrie à dispersion dispersive (EDS) dans un microscope électronique à balayage (SEM).
Les analyses par fluorescence X ont été effectuées sur un appareil du type Bruker S4 Explorer équipé d'un tube en rhodium sous une tension d'accélération de 50 kV.
La zone balayée avait un diamètre 15 cylindrique de 18 mm et une profondeur d'environ 5 microns.
La microstructure a été observée à l'aide d'un pistolet à émission de champ SEM JEOL 7001F LV couplé à un détecteur de diffraction à rétrodiffusion d'électrons (EBSD) et à un détecteur XMax 50 mm2 SDD EDS.
La méthode des anneaux de diffraction des rayons X à haute énergie a également été utilisée à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble.
20 Les analyses DSC ont ensuite permis de déterminer les températures de solidus et de liquidus ainsi que l'enthalpie de fusion à partir d'échantillons d'une masse d'environ 50 mg dans des creusets cylindriques en aluminium de 30 pl.
Le cycle de test comprend deux échauffements et refroidissement entre 20°C et 350°C avec une vitesse de 5°C / min.
De manière avantageuse, 25 l'alliage présente une bonne résistance aux chocs thermiques entre -40°C et +150°C.
Les mesures de mouillabilité ont été effectuées avec une balance de mouillage.
Pour mettre en oeuvre cette méthode, une plaque rectangulaire d'un substrat est plongée dans la brasure fondue ayant une profondeur définie et la force est mesurée pendant le test.
La procédure de préparation 30 de chaque échantillon avant l'essai consiste en un nettoyage / dégraissage à l'acétone suivi d'une attaque chimique avec une solution aqueuse d'acide nitrique à 2%, d'un rinçage à l'eau distillée et d'une immersion dans un flux de CA (colophane activé) (ECOFREC TM CMA 185 d'Inventec).
La capacité d'un liquide à s'étaler sur une surface est caractérisée par l'angle entre la surface du 35 substrat et une gouttelette déposée sur la surface.
Plus l'angle est petit, meilleure est la 5 mouillabilité.
Si la mouillabilité est supérieure à 90°, la mouillabilité est nulle.
Selon l'invention, l'angle de mouillabilité est fermé à 20° dans notre cas (entre 25° et 35° pour le SAC305).
L'alliage a été préparé sous forme d'éprouvettes cylindriques pour les essais de traction (selon 5 la norme ISO 6892) qui ont été directement coulées dans un moule en acier inoxydable.
La conductivité thermique a été mesurée par la méthode du disque chaud.
Un capteur de nickel en spirale est placé entre deux échantillons cylindriques de l'alliage à mesurer.
Ces échantillons, de 10 mm de hauteur et de 35 mm de diamètre, doivent présenter une face plane pour améliorer le contact avec le capteur.
Ce capteur remplit une première fonction de chauffage et une deuxième 10 fonction de mesure.
Pour ce type de mesure, la taille de l'échantillon est directement liée à la conductivité attendue de l'échantillon.
Les essais de traction ont été réalisés avec une machine d'essai de traction équipée d'un capteur de charge de 5 kN et d'un extensomètre de 25 mm, avec une vitesse de déformation de 3.10-2 15 s-1 (0,75 mm / min).
Les propriétés mécaniques ont été déterminées par trois essais de traction à la microdureté à la température ambiante.
Pour cet alliage, la microdureté a été mesurée avec un pénétrateur Vickers sous une charge de 10 N pendant 10 secondes.
La valeur moyenne est d'environ 23HV 20 au lieu de 6HV et 18HV pour Tin et SAC 05, respectivement.
Le comportement mécanique est similaire à celui du SAC305, sans durcissement.
De manière avantageuse, l'élongation maximale est inférieure à 35%, de préférence, de l'ordre de 34%, l'élongation maximale étant de l'ordre de 38% pour un alliage SAC classique.
La résistance mécanique de l'alliage selon l'invention est supérieure à 60 MPa, de préférence de l'ordre de 70 MPa, ce qui est supérieure à celle d'un 25 alliage SAC classique qui est de l'ordre de 50 MPa.
La conductivité thermique X, qui est l'un des paramètres prédominants d'un alliage de brasage en microélectronique, car elle garantit une bonne dissipation de la chaleur induite par le courant, a été déterminée par la méthode du disque chauffant.
De manière préférée, la conductivité 30 thermique supérieure à 60VV.m-:.K-1, de préférence, comprise entre 60W. m--.K-'et 65VV.
Une valeur moyenne de 63,60 W. m--.K1 avec un écart-type de 0,05 W. m-1.K1 a été obtenue par trois mesures effectuées sur le même échantillon.
Bien que l'utilisation en tant que pâte à braser soit particulièrement préférée, l'alliage peut être 35 utilisé en soudage à la vague, brasage sélectif, brasage au trempé, en tant que partie de fil, pour le placement de CMS et pour des applications pâte-en-pâte.
6 De manière préférée, l'alliage est conditionné sous forme de barres, de préformes, de lingots, de poudre, de pâte à braser ou de crème à braser.
5 De manière optionnelle, pour rendre une brasure plus conductrice thermiquement et électriquement, afin de faciliter notamment la dissipation de chaleur au niveau de la jonction, il est proposé de mélanger à l'alliage selon l'invention avec des particules d'argent ou de cuivre ayant une dimension comprise entre 1 et 30 micromètres afin de former un alliage composite.
De préférence, des particules d'argent ou de cuivre sont ajoutées à hauteur de 5 à 25% en poids du 10 mélange.
Ces particules d'argent
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Alliage de brasure sans plomb ayant une composition comprenant : - 88%-94% en poids d'étain (Sn), e 6%-9% en poids d'antimoine (Sb) et - 0,5%-2,5% en poids de cuivre (Cu).
- 2. Alliage selon la revendication 1 comprenant uniquement de l'étain (Sn), de l'antimoine (Sb) et du cuivre (Cu).
- 3. Alliage selon l'une des revendications 1 à 2 comprenant 90%-92% en poids d'étain (Sn).
- 4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant 7%-8% en poids d'antimoine (Sb).
- 5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant 1%-2% en poids de cuivre (Cu).
- 6. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant : - 9034-92% en poids d'étain (Sn), 20 - 7%-8% en poids d'antimoine (Sb) et - 1%-2% en poids de cuivre (Cu).
- 7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant : - 90,5%-915% en poids d'étain (Sn), 25 - 7,3%-7,7% en poids d'antimoine (Sb) et - 1,3%-1,7% en poids de cuivre (Cu).
- 8. Alliage composite pour brasure comprenant : - un alliage de brasure selon l'une des revendications 1 à 7 et 30 - 5%-25% en poids de particules d'argent ou de cuivre.
- 9. Alliage composite pour brasure selon la revendication 8 dans lequel les particules d'argent ou de cuivre possèdent des dimensions comprises entre 1 et 30 micromètres. 15 35
- 10. Utilisation d'un alliage selon l'une des revendications 1 à 7 pour un procédé de refusion de composants électroniques. 8 11_ Utilisation d'un alliage selon l'une des revendications 1 à 7 pour souder un boîtier de composants électroniques et / ou un dispositif de montage en surface (SMD) à un substrat, l'alliage étant appliqué sous forme de pâte.
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