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La simulation augmente la fiabilité lors du brasage

Conception robuste pour le contact des circuits imprimés

Réduire le nombre d'expériences grâce aux simulations

Les systèmes dotés d'une puissance de calcul élevée utilisent souvent des matrices de billes (BGA). Dès la phase de développement, les BGA nécessitent une conception et une optimisation robustes pour garantir un contact fiable avec le PCB. Dans ce contexte, les résultats de la soudure peuvent être améliorés par des simulations.

Des simulations au lieu d'expériences à l'emporte-pièce

Les matrice de billes (BGA) sont des circuits intégrés comportant de très nombreuses connexions. Les souder de manière fiable sur un circuit imprimé est un défi majeur. Cela est dû aux différents coefficients de dilatation thermique (CTE) entre le composant, la soudure, la plaquette de cuivre et le circuit imprimé. Les matériaux se déforment donc lorsqu'ils sont chauffés puis refroidis, au cours du processus de soudage. Cela peut entraîner la formation de fissures le long de la phase intermétallique du joint de soudure. La fiabilité d'un joint de soudure dépend principalement de l'intensité de la contrainte thermique subie par le produit et de la métallurgie du joint. En plus de ces facteurs environnementaux, le comportement de fluage de l'alliage de soudure affecte également la fiabilité.

En général, les fabricants de cartes utilisent des expériences de type "dye-and-pry" pour optimiser les paramètres de fabrication. Dans ce cas, une série entière de cartes est d'abord fabriquée avec différents paramètres de processus. Les panneaux assemblés sont ensuite placés dans un bain de liquide coloré très visqueux (colorant). Grâce à l'effet capillaire, ce liquide pénètre dans les fissures microscopiques qui se sont formées en raison de la contrainte de température, par exemple dans les billes de soudure du BGA. Les composants sont ensuite retirés mécaniquement des cartes et les interfaces sont examinées à la recherche de fissures, ce qui est, bien sûr, grandement facilité par le liquide coloré dans les fissures.

Ce processus destructeur cause une véritable perte de matériaux, qui implique des coûts élevés. Les calculs internes de Zollner montrent que l'effort expérimental coûte environ 45 fois plus cher qu'une simulation. L'objectif de l'enquête suivante était donc de savoir si les paramètres de fabrication peuvent également être optimisés de manière non destructive, à l’aide de la simulation.

45
Des coûts 45 fois supérieurs à ceux d'une simulation

Correspondance entre le monde réel et la simulation

Après la création d'un modèle de substitution dans Ansys Workbench, les conditions aux limites thermiques sont appliquées sous la forme d'un profil de soudure par refusion. Les effets visqueux et de plasticité de la soudure sont représentés par le modèle d'Anand [1] afin de modéliser le fluage comme principal mécanisme d'endommagement des joints de soudure. L'outil Sherlock d'Ansys fournit déjà un aperçu complet de la situation au niveau du PCB. Ici, dans la première étape, les estimations du cycle de vie facilitent l'identification des composants critiques.

La densité d'énergie de déformation par fluage (CSED) est utilisée comme résultat de la simulation et pour la quantification des dommages. Celle-ci peut être déterminée à l'aide d'un script personnalisé Ansys Parametric Design Language (APDL). La figure suivante compare les résultats expérimentaux des essais au colorant et à la CSED de la simulation. On voit bien que le monde réel et le monde numérique correspondent dans une large mesure et que les connexions critiques ainsi que la déflexion du composant et du PCB deviennent visibles. En outre, le cycle de vie de l'ensemble de la carte assemblée a été prédit afin d'identifier d'autres composants critiques.

Analyse prédictive au niveau de la bille de soudure

La régression logistique est utilisée pour combiner les résultats expérimentaux avec les valeurs CSED calculées (en tant que variable indépendante) à partir d'Ansys Workbench pour produire une analyse prédictive au niveau de la bille de soudure. Pour vérifier la qualité de cet ajustement, un test de rapport de vraisemblance a été initialement utilisé. Ce test d'hypothèse peut être utilisé pour comparer la qualité de l'ajustement de deux modèles (un modèle non contraint dont tous les paramètres sont libres, et le modèle correspondant contraint à quelques paramètres par l'hypothèse nulle) aux données de l'échantillon. Le coefficient de corrélation Pseudo-R² de McFadden est une mesure de la variance de chaque prédicteur (la variable utilisée pour prédire une caractéristique) pour la variable dépendante. Il s'agit d'une autre mesure de la qualité du modèle. Le test de Wald peut être utilisé pour tester statistiquement les prédicteurs afin de déterminer l'importance de chacun d'entre eux pour la qualité du modèle.

Enfin, les modèles statistiques sont analysés à l'aide de la courbe ROC (Receiver Operating Characteristic). L'aire sous cette courbe (AUC) détermine le modèle qui sera finalement utilisé pour l'analyse prédictive.

Simulation pour une conception adaptée à la production

De nombreux facteurs d'influence (par exemple, torsion/gauchissement, mélange de matériaux, alliage de soudure, etc.) jouent un rôle majeur dans la production de cartes de circuits imprimés. Les résultats expérimentaux de l'essai de teinture et de déchirement et la densité d'énergie de déformation par fluage (CSED) calculée par Ansys concordent largement. Il est ainsi possible de développer un modèle prédictif pour les probabilités de défaillance pendant le processus de soudage. La simulation peut donc ici remplacer dans une large mesure les expériences coûteuses.

La manière dont les résultats obtenus doivent être mis en œuvre dans la pratique est encore en cours d'évaluation. Par exemple, de nouvelles règles pour la conception de circuits imprimés orientée vers la production sont envisageables - mot-clé "Design for Manufacture".

À propos de Zollner Elektronik AG

Systèmes mécatroniques complexes, du développement au service après-vente : En tant que partenaire d'entreprises de premier plan opérant à l'échelle mondiale ainsi que de petites et moyennes entreprises, Zollner Elektronik AG propose des solutions de systèmes intersectoriels tout au long du cycle de vie des produits.

L'entreprise a été fondée en 1965 à Zandt, en Bavière, et est aujourd'hui une société anonyme appartenant à 100% à la famille. Grâce à une croissance organique continue, le groupe d'entreprises Zollner s'est imposé comme un prestataire de services mécatroniques parmi les 15 premiers prestataires de services EMS dans le monde.

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Zollner Elektronik AG
Manfred-Zollner-Str. 1
93499 Zandt
www.zollner.de

 

Auteurs:
Philemon Olaleru (Zollner Elektronik AG),
Dr. Tim Weber (Zollner Elektronik AG),
Prof. Dr. Peter Firsching (Technische Hochschule Deggendorf)

Références:
[1] Anand, L. (1985). Constitutive equations for hot-working of metals. International Journal of Plasticity, 1(3), 213–231. doi.org/10.1016/0749-6419(85)90004-X

Première publication dans Design&Elektronik, 02/2021
www.design-elektronik.de

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