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Le paysage mondial se clarifie et devrait afficher une certaine homogénéité internationale autour de la directive RoHS d’ici à la fin de cette année 2007. En effet, devancée par le Japon, ayant affiché bien avant sa préférence pour « les produits verts », la mise en application de cette directive en Europe sera suivie moins d’un an après par la Chine. Celle-ci va, dès le mois de mars 2007, appliquer une directive très similaire pour ses industriels. Quant aux Etats Unis, ils tardent à rédiger un tel document et s’en remettent aux initiatives portées par chaque état, où pour cette année , la Californie fait figure de précurseur. D’autre part. les principaux fabricants mondiaux de composants ont peu à peu basculé leurs gammes récurrentes et nouvelles pour être conformes à cette directive. Or s’il existait des domaines et activités qui bénéficiaient d’exemptions pour la mise en oeuvre d’une telle directive, ceux-ci se voient actuellement contraints par cette évolution d’envisager de passer leurs produits en compatibilité RoHS avant les délais prévus. Certes, ce passage va se faire progressivement par des choix et dérogations qui vont demander à gérer une mixité dans l’approvisionnement de la matière et dans les procédés d’assemblage : on parle alors de filière Backward (composant RoHS – procédé étain-plomb) et de filière Forward (composant non-RoHS – procédé sans plomb).

C’est dans ce contexte que des acteurs de l’assemblage électronique pour des équipements destinés à des applications militaires, aéronautiques ou spatiales, bénéficiant d’une dérogation jusqu’en 2010 pour l’application de la directive européenne RoHS, se sont regroupés dans le consortium AMELIE, pour anticiper les problèmes de la fiabilité que soulève sa mise en oeuvre ; ce projet constituera donc un premier élément de réponse.

Débuté fin 2005, grâce ou soutien financier de l’Union Européenne (programme LIFE Environment) et de l’ADEME, le projet AMELIE, commence à récolter les fruits de plus de 15 mois d’efforts destinés à transposer les connaissances fondamentales dans le domaine de la fiabilité (composants, brasures, finitions des circuits imprimés, gestion des magasins,… ) aux cas des assemblages électroniques sans plomb. Ce projet est constitué par un consortium de 12 partenaires français (voir Liste des partenaires) qui constituent la chaîne industrielle complète de fabrication de cartes électroniques. Les composants actifs et passifs ainsi que la connectique sont étudiés ; les circuits imprimés sont considérés comme des composants passifs. La terminaison de certains composants passifs reste à optimiser pour des applications niches telles que le médical. L’organisme de gestion financière est l’association ADERA. La société SOLECTRON étant le responsable technique du projet puisque l’ensemble des composants se retrouve chez l’assembleur. Le projet s’articule suivant des activités bien connues que sont la définition et l’identification des besoins des partenaires, la sélection des plusieurs concepts ou choix de filières techniques. Sur cette activité de conception, trois véhicules d’évaluation ont été définis et fabriqués afin de répondre aux besoins d’évaluation des partenaires. Comme illustré, les cartes VT-P, utilisant un matériau diélectrique de type polyimide, et VT-F, utilisant un matériau diélectrique de type Flame Retardant 4, ont été assemblées avec différents paramètres d’assemblage : finition du circuit imprimé, alliage de brasure (SAC405-SAC305). On peut retrouver le détail des filières dans le tableau page suivante.

Ces différents concepts ont été testés afin d’extraire des paramètres de réponses relatifs à la fiabilité. Des essais de variations rapides de température (VRT) sur la gamme –55°C / +125°C sont organisés jusqu’à obtenir des niveaux de défaillances électriques représentatifs d’une population statistique. Ainsi des tendances seront définies en fonction du type de boîtier et d’interconnexion. En parallèle des essais de stockage à haute température 150°C sont menés afin de caractériser les vitesses de diffusion et de croissance des intermétalliques.

Dans le cadre de la fiabilité, la modélisation et la simulation sont à considérer. En effet, les données paramétriques sur les matériaux restent trop imprécise et donc n’autorisent pas une analyse de prédiction de défaillance exacte. Pour cela nous avons engagé une caractérisation mécanique et thermique des alliages sans plomb utilisés. Et ceci en tenant compte des mélanges réalisés lors de l’assemblage puisque des composants à billes d’alliage SAC405 sont assemblés avec des crèmes à braser d’alliage SAC305 par exemple.

Cette phase d’essai, appelée Design phase, va permettre d’extraire la meilleure combinaison entre les composants, le circuit imprimé et le brasage. Ensuite une phase de vérification est déclenchée et basée sur des cartes fonctionnelles. Les cartes fonctionnelles présentent une plus grande hétérogénéité de composants et donc il est indispensable d’étudier les tendances sur la fiabilité et le taux de défaillance électrique moyenne (MTTF) ; cette phase de vérification, Verify phase, va servir de qualification à l’introduction sans plomb pour des nouveaux produits représentatifs pour les applicateurs du projet que sont : THALES et GAIA Converter. Pour le premier cela va constituer une expérience nouvelle qui sera utilisée comme une base de départ aux nouvelles conceptions ou au basculement de produits déjà industrialisés. Pour le deuxième, certaines gammes de produit sont déjà commercialisées en sans plomb mais le démonstrateur identifié est un nouveau produit directement en compatibilité RoHS.

Donc une méthodologie éprouvée relative à la démarche six sigma que l’on nomme Design For Six Sigma (DFSS) est appliquée dans la globalité du projet. En parallèle, l’environnement est suivi avec une attention particulière, car retirer le plomb est une bonne chose. Ne faut-il pas le remplacer par des composants ou sous produits plus dangereux pour l’être humain ? Une étude sur les conséquences de la directive RoHS sur l’environnement et sur la santé est en cours de réalisation avec les trois partenaires SOLECTRON, TEMEX Ceramics et CIRE afin de fournir un bilan global à la fin du projet : arrivera-t-on à démontrer un bilan environnemental positif ? là est la question.

Les premiers résultats de défaillances ne montrent pas de différences notables entre les versions Backward, de référence, et sans plomb sur les cartes de type VT-P et VT-F et cela après plus de 2000 VRTs. L’objectif d’évaluation est donc atteint avec succès et nous poursuivons les essais jusqu’à 4000 cycles afin d’obtenir des niveaux de défaillances suffisants pour les analyses statistiques.

On peut citer une étude sur le finition étain chimique des circuits imprimés. En effet, cette finition semble prendre le devant sur le marché aéronautique nationale par rapport à la finition nickel – or. Sur le procédé d’assemblage étain plomb, la fenêtre du procédé est suffisament robuste pour palier l’inconvénient de cette finition. Le cuivre diffuse dans l’étain chimique et forme une séquence d’intermétalliques qui appauvrit la quantité d’étain pur nécessaire à la mouillabilité et à l’étalement de l’alliage de brasure. Le procédé d’assemblage supporte deux refusions et un passage en vague. Mais pour un procédé sans plomb, le phénomène est accéléré et donc la fenêtre de procédé d’assemblage s’en trouve réduite. Actuellement, il est spécifié une épaisseur minimale de 1,2 µm d’étain chimique après dépôt et voire plus, ce qui pousse le fabricant de circuit imprimé à être en limite de son procédé chimique. Nous alertons les utilisateurs de cette finition à maîtriser la chaîne d’approvisionnement des cartes et les procédés aval tels que l’étuvage et la refusion sans plomb. Il est admis qu’à partir de 0.2 µm d’étain chimique résiduel, la mouillabilité est insuffisante pour assurer un brasage acceptable. Or cette limite est vite arrivée sur un procédé de refusion sans plomb puisque à un premier passage, on mesure une perte de 0.55 µm d’étain chimique comme l’illustre le graphe (diffusion étain chimique.jpg). Dans le projet AMELIE, nous avons regroupé les partenaires industriels (CIRE, SOLECTRON, THALES) afin de valider avec l’industriel ATOTECH, un procédé industriel robuste pour l’utilisation de cette finition dans un procédé sans plomb.

Enfin tout au long du projet, nous assurons la communication des résultats au public mais il est certain que c’est à la fin du projet que nous pourrons au mieux exploiter l’ensemble des travaux et du retour d’expérience. Prévu pour terminer dans le courant 2008, le projet a mis en place un plan de communication allant de la participation aux incontournables conférences et séminaires internationaux, à la proposition d’actions de transfert de certains résultats auprès des industriels, relayée, au sein de la filière, par les réseaux européens, les syndicats nationaux et les associations professionnelles. Mais nous commençons à déployer l’activité de transférabilité auprès des PME régionales voire nationales.

 Contact Presse :
Vincent RIBES
Tel : 05 56 79 44 39

 Contact technique :
Dr. Alexandre VAL
Responsable projet AMELIE
Tél : 05 57 12 84 42
Fax : 05 57 12 74 90

Web : http:// www.life-amelie.info

REMERCIEMENTS :
Supporté par l’Union Européenne
LIFE Environment Project
05 ENV/F/000053

Co-financé par l’ADEME