Utilisez l'AMDE pour gérer le risque de formation de barbe d'étain

Les amis,

Les gens prétendent à juste titre que nous ne comprenons pas très bien la barbe d'étain. Ils soulignent avec raison que, même avec des mesures d'atténuation, nous ne pouvons pas être certains de pouvoir l’éliminer. De plus, des études ont montré que les revêtements devant prévenir l’apparition de barbe d'étain ne sont pas toujours efficaces.

Cette situation apparemment inquiétante nous donne-t-elle moins d'espoir que Scrooge en face du fantôme des Noëls à venir ? Certainement pas, si nous examinons la situation un peu plus en détail.

S'il est vrai que nous ne comprenons pas parfaitement la barbe d'étain, il n'y a en fait que peu de choses que nous COMPRENIONS parfaitement. Alors que je travaillais chez IBM, nous avions découvert un nouveau mode de défaillance. Un cadre supérieur a fait remarquer que si on pouvait augmenter le nombre de défaillances de ce type et les faire disparaître, on aurait une assez bonne compréhension pratique de ce phénomène. Cette situation est parfaitement vraie pour la barbe d'étain. Forme typique de la barbe d'étain dans les placages d'étain sur cuivre. Il a été démontré que les contraintes de compression dans l'étain représentent une cause majeure de formation de barbe d'étain (voir Figure 1). Ces contraintes de compression peuvent provenir de la formation d'intermétalliques cuivre-étain (1a), de différences dans le coefficient de dilatation thermique (1b), de contraintes dues à la corrosion (1c), de contraintes mécaniques (1d).

Figure 1. Quelques causes de formation de barbe d'étain résultant des contraintes de compression dans l'étain.

L'augmentation des contraintes de compression augmente considérablement la formation de la barbe d'étain, tandis que la réduction de ces contraintes réduit considérablement la formation de la barbe d'étain.

Pour quantifier l'occurrence de la barbe d’étain, Xu, Zhang, Fan, Abys et autres  [i] ont développé un Indice de barbe d’étain (WI), défini par :

WI = Sn*d*L*f(L)

pour mesurer la propension à produire de la barbe d'étain, où S représente la surface, n est le nombre de barbes par unité de surface, d est le diamètre de la barbe, L est la longueur de la barbe et f(L) est une fonction non linéaire de la longueur, soit 1 pour une longueur de barbe de 1 micron et 500 pour une longueur de barbe de 50 microns. En utilisant ce calcul, ils ont démontré quantitativement que les contraintes de compression représentent une force motrice majeure dans la formation de barbe d'étain. Conformément à la théorie sur la force motrice des contraintes de compression, ces chercheurs ont montré que les étamages d'étain brillant ont tendance à avoir un indice WI de l'ordre de 100 000, alors que le simple passage à un étamage brillant satiné réduit l'indice WI à moins de 10. De plus, les gros grains dans l'étamage sont soumis à de faibles contraintes, puisque la finition est mate ou satinée, de sorte que les gros grains sont un autre indicateur positif pour atténuer les barbes d'étain. Cette situation ne tient même pas compte de la réduction supplémentaire des barbes d'étain qui se produirait en ajoutant une mince bavure de nickel entre le cuivre et l'étain ou en ajoutant 2 % de bismuth à l'étain.

Or, pour être juste, nous ne pouvons pas supposer que ces types d'approches d'atténuation élimineront complètement les barbes d'étain pendant les décennies durant lesquelles certains produits cruciaux doivent être utilisés.

Il a été démontré que les revêtements offrent des avantages considérables en matière d'atténuation, bien que la barbe d’étain puisse pénétrer dans la plupart des revêtements, le parylène étant sans doute l'exception. Cependant, pour constituer une menace, la barbe d'étain doit pénétrer deux fois dans le revêtement, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Dans la plupart des cas, alors qu'elle se développe hors de sa base, elle n'aura pas la rigidité nécessaire pour effectuer la deuxième pénétration. Dans les cas où la double pénétration a eu lieu, c'est presque toujours là où la couverture du revêtement est ponctuelle.

Figure 2. Une barbe d'étain peut facilement pénétrer dans le revêtement à sa base, mais pour constituer une menace, elle doit pénétrer dans un second revêtement. Au niveau du second revêtement, la barbe est longue, faible et "molle" et ne pourrait pas effectuer de deuxième pénétration.

L'analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE) est une bonne stratégie pour évaluer le risque de formation de barbe d’étain. Le calcul central de l'AMDE est basé sur le numéro de priorité du risque (RPN). Pour la barbe d'étain, RPN est égal au produit de : (1) la probabilité de la barbe d'étain (P), (2) la gravité, si une barbe d'étain est présente (S) et (3) la difficulté à détecter une barbe d'étain (D). Sous forme d'équation :

RPN = P*S*D

Prenons d'abord l'exemple d'un produit de consommation, comme un téléphone mobile d'une durée de vie de 5 ans. Avec atténuation, sur une échelle de 1 à 10, P pourrait être 2. Pour S, nous pourrions obtenir une valeur de 3, car il est peu probable qu'une défaillance de l'appareil cause de graves dommages à quiconque. La détection (D) est un problème parce que les barbes d'étain qui se forment par la suite ne peuvent pas être détectées pendant la fabrication ; par conséquent, nous devons prendre D = 10. Ainsi, le RPN vaut : 2*3*10 = 60, ce qui n'est pas trop élevé. Par conséquent, avec des valeurs relativement faibles de P et S, une stratégie d'atténuation des barbes d'étain serait probablement bénéfique pour tout produit de consommation. Il convient de souligner que la détermination des RPN nécessiterait presque certainement des données justificatives, des séances de remue-méninges et l'adhésion de toute l'équipe responsable du produit. L'équipe devra également déterminer toute stratégie d'atténuation appropriée, par exemple en évitant d'appliquer un revêtement d'étain brillant sur les fils des composants et peut-être en utilisant une bavure de nickel entre le cuivre et l'étain.

Considérons maintenant un produit critique, comme certains types d'équipement militaire. Si nous supposons que les composants électroniques ont une durée de vie de 40 ans et qu'une défaillance pourrait causer des blessures corporelles ou la mort, nous pourrions nous retrouver avec un RPN = 10*10*10 =1000, le RPN le plus élevé possible. Cette situation exigerait que des tactiques spéciales soient utilisées pour faire face au risque de barbes d'étain. Ces tactiques feront l'objet d'une discussion dans mon document et ma présentation au  SMTA Pan Pacific 2019. J'espère que vous pourrez me rejoindre !

Merci,

Docteur Ron