Couverture ElectroniqueS n°127

La migration électrochimique est à l'origine de dysfonctionnements des systèmes électroniques. Conséquence de l'humidité, elle intervient là où les cartes électroniques sont amenées à fonctionner dans des environnements sévères ou sous des climats à grandes variations de température et/ou à forte humidité. Voici la première partie d'un article qui en comprend deux, la seconde étant prévue pour un prochain numéro d'ElectroniqueS. DR. HELMUT SCHWEIGART (ZESTRON) C'est après avoir obtenu un doctorat pour ses travaux sur la fiabilité des sous-ensembles électroniques qu'Helmut Schweigart est entré chez Zestron Europe. Aujourd'hui, M. Schweigart est directeur du développement technologique chez Zestron. Il est aussi impliqué dans différents organismes professionnels (GfKoor, GUS et IPC). L a migration électrochimique (MEC) diminue la fiabilité et la longévité des cartes électroniques. Elle est cause de dysfonctionnements des systèmes et prend de l'importance avec l'augmentation de la densité des circuits imprimés et leur miniaturisation, d'une part, et avec la généralisation de l'utilisa-tion des cartes électroniques dans des milieux à grandes variations de tempéra-ture et/ou à fort taux d'humidité. C'est notamment le cas dans l'automobile, l'aéronautique et les télécommunications, des domaines pour lesquels les matériels sont aussi amenés à fonctionner sous toutes les latitudes. La migration électrochimique, qui est une forme de corrosion, est responsable de courts-circuits temporaires ou persistants qui empêchent un fonctionnement normal des appareils concernés. De surcroît, les courts-circuits persistants peuvent provoquer une élévation locale de température du substrat à l'origine d'une graphitisation du matériau polymère. Dans les cas les plus graves, ces courts-circuits entraînent la combustion de la carte ou du matériel. F Comment apparaît la migration électrochimique ? Comment évaluer le risque qu'elle fait courir ? Et surtout, comment l'éviter ? Même si certains se contentent de préconiser la pose de revêtements protecteurs ou d'insister sur la propreté de la carte électronique, on ne peut faire l'impasse sur l'étude détaillée des divers m é c a n i s m e s à l'œuvre dans ce phénomène. Cette première partie traite des paramètres favorisant l'apparition de la migration électrochimique, de son mécanisme et de ses particularités vis-à-vis d'autres défaillances de type dendritique, en même temps qu'elle étudie les conséquences de la migration électrochimique. Une deu-xième partie exposera les diverses méthodes de prévention de l'apparition des défaillances dues à la migration électrochimique. Figure 1.-Corrosion rampante due aux gaz polluants Source : Zestron La présence de polluants favorise la corrosion, les gaz polluants (tels que les composants azotés, H2 SetCO 2 )sedissolvant dans le film d'humidité. Facteursfavorisant l'apparition de la migration électrochimique La principale cause de génération de ponts électrochimiques est l'humidité parce que celle-ci favorise la corrosion. Or la présence d'humidité résulte de l'adsorption de films d'eau à la surface du circuit imprimé ou bien d'un phénomène de condensation. Il suffit d'un film d'eau épais de quelques couches mono-moléculaires pour que la corrosion apparaisse. C'est la valeur de l'hygrométrie qui dicte l'adsorption de films d'humidité. Or, la valeur critique de l'hygrométrie dépend elle-même de l'énergie et de la polarité superficielles du matériau. Elle change par exemple en fonction de la densité de charge minérale du vernis épargne utilisé. Dans la pratique, la valeur de l'hygrométrie au-delà de laquelle le phénomène d'adsorption de films d'humidité apparaît est souvent très inférieure au point de rosée (différence de température provoquant l'apparition de gouttes d'eau à la surface du matériau). Outre l'adsorption de films d'humidité, la condensation, due à la variation de température, peut provoquer la migration électrochimique. Mais, contrairement aux films d'humidité – dont la localisation est a priori quelconque à la surface du matériau –, la condensation intervient, elle, au niveau des zones les plus caloporteuses (les métallisations) ou hygroscopiques (là où sont localisées les impuretés). En effet, la présence d'acides organiques ou d'halogénures, qui sont des résidus de soudure, abaisse le point de rosée localement à 60 % d'humidité relative. relative. Le matériau utilisé est donc un facteur déterminant. Pour des valeurs dépassant 60 à 70 % d'humidité relative (HR), un film d'humidité est susceptible de se former sur les métaux ou les surfaces d'oxydes métalliques ou encore sur les vernis épargne chargés en quartz. De surcroît, la présence de polluants favorise la corrosion, les gaz polluants (tels que les composants azotés, H2 SetCO 2 )sedissolvant dans le film d'humidité ( voir figure 1 ). Par contre, il faut au moins 90 % de HR pour obtenir la formation de films d'humidité avec les céramiques à base d'oxyde d'aluminium et les vernis épargne non polaires et non chargés. Sur les substrats en résine époxy à métallisation étain, qui constituent les supports de circuit, l'humidité se dépose de préférence sur les surfaces en résine, à climat constant, où elle est adsorbée et stockée jusqu'à équilibre de la pression partielle. L'apparition du phénomène de migration électrochimique nécessite la présence d'un matériau de métallisation ou de brasure. Ceci signifie que le matériau doit présenter un domaine actif dans les électrolytes alcalins ( voir les surfaces en violet de la figure 2 ). Dans l'eau distillée, par exemple, l'argent, le cuivre, le plomb, l'étain et le cadmium migrent particulièrement bien. La tendance à former des ponts suit ici de façon très nette les potentiels de la série électrochimique et l'élargissement du comportement actif du matériau en milieu alcalin. Dans le cas du nickel, par exemple, aucune migration ou corrosion ne se produit dans des conditions de condensation. Au final, la prédisposition d'un élément à la migration électrochimique peut être évaluée à l'aide du dia-gramme potentiel-pH, dit diagramme de Pourbaix ( voir figure 2 ). Outre l'humidité et le matériau utilisé, un autre facteur déterminant pour l'apparition de la migration électrochimique est la présence de résidus et d'impuretés sur les cartes. En effet, les résidus de flux, les poussières et les cristaux de sels hygroscopiques qui sont déposés à la surface agissent comme des germes de condensation vis-à-vis de l'humidité et des gaz polluants. De tels contaminants font davantage que favoriser l'adsorption, ils se comportent comme des accumulateurs d'humidité. Il en résulte que le séchage des polymères, qui s'effectue rapidement dans des conditions normales, nécessite alors une humidité relative inférieure à 30% HR. Migration électrochimique: la dissolution du métal anodique L'adsorption d'un film d'humidité àlasur-face de la carte diminue la résistance superficielle et donc la capacité d'isolement du vernis épargne ou du support de circuit utilisé. À partir d'une certaine épaisseur de film d'eau pure, considérée comme critique, la conductibilité du film en question permet l'électrolyse. Celle-ci provoque alors une forte alcalinisation de l'anode (au niveau de l'alimentation en tension ou des contacts conducteurs du signal). Et l'augmentation du pH induit une polarisation de l'argent, du cuivre, de l'étain ou du plomb –qui sont lesélémentsdemétallisation actuellement les plus répandus - dans un domaine élec-trochimiquement actif. La dissolution de la surface anodique, qui est proportion-nelle à l'intensité du courant dérivé apparaissant entre le contact et la masse, crée une forte concentration en hydroxydes métalliques ou en complexes métalliques (en fonction de l'électrolyte), qui suit le gradient de concentration ( voir figure 3 ). La dissolution consiste en une désagrégation du site réticulaire qui débute au niveau de la bordure par l'apparition de dislocations à la surface ainsi qu'au niveau des défauts, ou par l'apparition d'adatomes (atomes adsorbés), dans le cas d'une hydratation continue. La tendance à générer des ponts est fonction de l'aptitude à la dissolution ou à la solvatation des ions respectifs. Par exemple, pour une migration de l'argent, il suffit de la présence d'Ag(OH), très soluble et se formant en milieux aqueux. L'or, en revanche, ne se dissout que si un complexe de tétrachlorure aurique se forme. Ainsi, certains éléments ne peuvent pas former de ponts dans l'eau pure; c'est la présence d'impuretés qui détermine alors la migration. La migration des ions métalliques Le champ électrique appliqué ne détermine la migration des ions métalliques dissous que si la conductivité de l'électrolyte ne dépend que des ions de métallisation - et non du degré de contamination. Cette condition est remplie tant que la concentration de la contamination demeure inférieure à la concentration en ions de métallisation migrants. Dans ce cas, l'allure de la migration des ions est dictée par les gradients de poten-tiel et de concentration. Le gradient de potentiel est lui-même déterminé par la tension de service appliquée et par l'espacement entre conducteurs; le gradient de concentration est, lui, fonction de la vitesse de dissolution et de diffusion des ions des matériaux de métallisation solvatés - la mobilité des ions dépendant essentiellement du diamètre des complexes après solvatation-ainsi que de la vitesse de réso-lution du signal ou de l'intensité du courant de veille et de la surface active. Si le gradient de potentiel est très inférieur au gradient de concentration des ions migrants, les ions diffusent le long du gradientdeconcentration.Au-delà d'unecertaine valeur, le transfert des ions peut même s'effectuer en sens inverse du champ électrique, soit de la masse vers le +. Figure 4.-Croissance dendritique Source : Zestron Exemples de structures de type dendritique en cas de concentrations ioniques faibles. Figure 5.-Comparaison des structures de croissance - faisceaux de fibres et bandes Source : Zestron Exemples de structures en forme de bandes ou de faisceaux de fibres en cas de concentrations ioniques fortes. La précipitation des ions métalliques La formation de ponts proprement dite a lieu soit par dépôt galvanique à partir de la cathode (GND), soit, ce qui est plus rare, au niveau de l'anode (le « plus » del'ali-mentation), par précipitation des hydroxydes, des oxyhydrates ou de complexes sous forme de sels, ce que l'on appelle le staining . Le dépôt galvanique intervient préférentiellement là où l'intensité du champ électrique est élevée. Si la conductivité électrique de la solution est faible, en raison de concentrations ioniques minimes, les lignes de champ se concentrent au niveau des pointes et des bordures. Ceci entraîne la formation de défauts réticulaires superficiels au niveau des brasures ou des métallisations VCC, de micro-rugosités ainsi que l'apparition de structures de type dendritique à modèle de croissance pyramidale ( voir figure 4 ). Dans le cas de concentrations ioniques fortes ou de gradients ioniques importants, la croissance se fait préférentiellement en suivant un modèle « lisse » et se traduit par l'émergence de structures en formes de bandes ou de faisceaux de fibres ( voir figure 5 ). Le brasage influe sur la vitesse de formation des ponts : des grains plus gros et orientés au niveau de la brasure en réduisent la formation. En effet, les gros grains sont moins susceptibles de générer des défauts à leur surface. Mais comme, par ailleurs, la finesse du grain améliore la résistance mécanique de la brasure, il sera nécessaire de faire un compromis. Le phénomène de staining apparaît lorsque le film de condensation ou d'humidité adsorbée ne peut plus intégrer les hydroxydes ou les complexes et que ceux-ci précipitent alors sous forme de sels (exemple : l'adipate d'étain). Alors qu'avec le dépôt galvanique, se forment des ponts métalliques, avec le staining, la composition des ponts, à base de complexes ou de sels métalliques, dépend de l'électrolyte. La longueur du pont généré par l'électromigration peut atteindre plusieurs millimètres, tant en surface qu'à l'intérieur du matériau de base renforcé de fibres servant à la fabrication du circuit imprimé. Au cas où les dendrites se forment le long des fibres du matériau, on parle de Conductive Anodic Filament (CAF). La migration électrochimique comparée aux autres défaillances Pour remédier efficacement aux causes des défaillances, il importe de bien cerner quels sont ces défauts. Il s'agit notamment de différencier la migration électrochimique des autres types de défaillances induisant la formation de dendrites tels que le claquage ou la graphitisation qui affectent par exemple les condensateurs au titanate de baryum. Le claquage est dû essentiellement à la présence de pores ou de bulles dans le vernis épargne – ou, bien que plus rarement, dans le vernis de protection ou la résine d'enrobage. Ces défauts favorisent l'inclusion d'humidité, ce qui réduit encore l'isolation. Le remède consiste alors à optimiser le vernissage de façon à réduire au maximum la présence de pores ou de bulles. Certains condensateurs en céramique possèdent des couches organiques dont la capacité isolante est trop faible, ce qui a pour conséquence un claquage suivi de l'apparition de graphitisations arbores-centes. Le remède consiste ici à déposer une plus grande épaisseur de revêtement, d'autant plus que ceux-ci sont le plus souvent hydrophobes. La plupart du temps, il s'avère très difficile, voire impossible, de prouver que la migration électrochimique (MEC) est la cause de dommages ou de défaillances. D'autant plus que des condensations très brèves, de l'ordre de quelques minutes, n'occasionnent que la génération de petites dendrites qui se consument immédiatement au passage du courant électrique. Les conséquences Il n'empêche que les défaillances causées par la migration électrochimique sont à l'origine de manifestations d'insatisfaction de la part des utilisateurs et qu'elles nuisent ainsi à l'image de marque des fabricants. Dans certains cas, la migration électrochimique a pour conséquence des surcoûts importants pour les fabricants de matériels électroniques. Figure 6.-Formation de dendrites conductrices de courant Source : Zestron Lors du passage du courant dans les dendrites issues de la migration électrochimique, il y a une élévation locale de température, indiquée par l'oxyde d'étain jaune et rouge, pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés. Figure 7.-Différence entre les sinistres Dû à la migration électrochimique Dû à un claquage Source : Zestron La combustion de la carte électronique risque d'effacer les traces qui auraient permis de déterminer l'origine du problème (migration électrochimique ou claquage). Mais pour prouver la culpabilité de la migration électrochimique, il faudrait pouvoir retirer les cartes électroniques potentiellement concernées des appareils défaillants et les analyser au microscope électronique à balayage. Ce qui n'est que rarement possible. Dans la pratique, les défaillances dues à la migration électrochimique rejoignent celles dues aux courants de fuite et celles liées aux erreurs logi-cielles au sein d'un ensemble baptisé «dysfonctionnements». Ce phénomène peut cependant avoir des conséquences graves. Lorsque la migration électrochimique entraîne la formation de dendrites supportant le passage du courant, il y a une élévation locale de température pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés ( voir figure 6 ). Si le dispositif en question n'inclut pas de fusible ou de coupe-circuit, il ya un risque de combustion de la carte électronique, ce qui efface alors toute trace quant à l'origine du problème - qui peut être soit la migration électrochimique soit un claquage ( voir figure 7 ). La deuxième partie de cet article exposera les mesures de prévention face à la migration électrochimique. n

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