Préoccupation sur la croissance de l’épaisseur intermétallique dans les joints de soudure SAC dans des environnements de service difficiles

Les amis,

La température en service des composants électroniques d’une automobile moderne peut être supérieure à 125 ^oC. Ces températures élevées posent le problème de la croissance des intermétalliques cuivre-étain dans les joints de soudure.

Souvent, nous ne pensons pas au fait que même la température ambiante représente une fraction considérable de la température de fusion de l’étain, par exemple 293 K/505 K = 0,5802. Rappel : il faut utiliser l’échelle Kelvin pour effectuer ces calculs. Cependant, 125 ^oC représente 0,788 du point de fusion de l’étain. Cette température équivaut à celle du fer forgé par un forgeron à 895 ^oC. La figure 1 montre un diagramme représentant la température de forge d’un forgeron. Notez que 895 ^oC est au-delà du fer porté au rouge.

Figure 1 Diagramme sur la température de forge d’un forgeron.

Donc, quelle est la croissance intermétallique cuivre-étain de la soudure SAC à 125 ^oC en fonction du temps ? La loi de diffusion de Fick nous dit que la croissance de l’intermétallique, D, est donnée par :

D = (k(T)t)^0,5   Eq 1.

Où k(T) est une constante de vitesse de croissance dépendant de la température et t est le temps. Siewert et al.[i] ont réalisé des expériences au cours desquelles D a été mesurée pour différentes températures et durées pour des soudures SAC. En suivant le modèle de Siewert, j’utiliserai le temps en heures. En utilisant les données des figures 2a à 2c pour la soudure SAC, j’ai pu tracer k dans un diagramme d’Arrhenius, voir Figure 2.

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Figure 2 Une courbe d’Arrhenius des données de Siewert

La figure 2 montre que Ln k = -6784,7/T + 14,81 ou k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Ainsi, à 125 ^oC ou 398 K, k = 0,1068. En utilisant cette valeur de k, nous pouvons calculer D en fonction du temps. Les résultats sont dans la figure 3. Notez que les deux échelles sont logarithmiques. En 1000 heures (42 jours), l’intermétallique a grandi de 10 microns. En 3 ans, il atteint 53 microns. Il convient d’être prudent, car les données de Siewert comportent des barres d’erreur. Mais j’ai l’impression que ces projections se situent à un facteur deux près.

Figure 3 La croissance intermétallique est une fonction du temps à 125°C dans une soudure SAC. 

Quel est l’effet de ces intermétalliques épais dans un environnement automobile difficile ? Personne ne sait, mais j’encourage quelqu’un à réaliser des expériences pour le savoir.  

Merci,

Dr Ron